逆变焊机中数字化控制技术的应用

逆变焊机中数字化控制技术的应用

丁霞李金来

（山东奥太电气有限公司山东济南250000）

摘要：逆变焊机存在多项优势，比如体积小、高效率与高质量等，在焊接加工行业中已成为一项重要产品。将数字化技术应用于逆变焊机中，可为数字焊接的实现奠定坚实基础。相较于模拟焊机，能进一步提升各类材料焊接性能、多种焊接方法的集成性以及工艺适应性等，使焊机控制智能化与柔性化等变成现实。

关键词：逆变焊机；数字化；控制技术；应用

一、逆变焊机数字化发展阶段

每项参数在模拟系统中均需利用电阻和电容实现，在阻容参数方面，其容差及漂移势必改变焊接性能，传统模拟控制具有较大劣势，不仅温度稳定性差，而且无法确保产品一致性。所以，对于电子元器件，模拟弧焊过分依赖于它的稳定性与精确度，不能保证控制电路的互换性与可靠性，提高造价成本以及控制难度，难以精确控制弧焊电源，灵活性更是无从谈起。可以将逆变焊机的数字化发展划分成两个阶段。

其一，在逆变焊机数字化发展初期，主要产品为单片机控制弧焊电源，比如80C51或80C196。但是单片机不能快速处理，它的主要功能为管理逆变焊机与设定焊接参数，而要控制焊接工艺内的恒电流及横电压，需要利用模拟PI控制器实现，只通过单片机设定焊接参数或是完成一些较为简单的操作。

其二，焊机中DSP微处理器以及单片机的应用。DSP可以较快速度进行数字信号的处理，既可以全面处理与模拟弧焊电源相关的问题，也可以从微观角度管控电弧过渡。由此使数字化控制优势得到充分体现，主要为较高灵活性与稳定性等。

二、数字化控制技术的好处

1.通过数字化控制提高焊接电源灵活性

对于模拟系统而言，阻容网络硬件是其配置与效益增收的一项决定因素，所以只要确定便难以改变。同时，一旦改变数字控制系统内的软件，即可较为容易地进行柔性控制。

2.通过数字化控制提高焊接电源稳定性

焊接电源模拟控制系统的构成部分主要为各项分立元件，包括电容与电阻等，通常模拟元件参数具有相应精度以及温度。

3.通过数字化控制存储相关成功经验数据

在数字化控制过程中，实现相关成功经验数据的存储，对操作十分方便。针对专家系统而言，主要是利用数据库这一形式实现焊接方面大量规范在计算机内的存储，其中每项数据均包含多种信息，主要有母材、焊接电压以及焊接方法等。在相关操作人员将部分参数输入完成后便可查询做好的焊接规范。

三、逆变焊机中数字化控制技术的运用

从数字化焊接电源角度来讲，能够以较快速度在线检测两项参数，一是焊接电压，二是电流波形，并且以短路过渡参数为对象进行计算，由此实现自适应最佳控制，通过现代控制理论算法的应用，有效调整和控制特征参数以及焊接规范，使其处于最为合适的范围中，确保焊接电弧工作达到动态且稳定的状态。针对过渡的三种类型，一是短路过渡，二是脉冲过渡，三是射流过渡，精确控制其电流与电压，从而在一定程度上降低焊接飞溅，提高与完善焊接性能，并提升焊接质量。

1.低飞溅

管线钢焊接工艺中，根焊是最重要环节，根焊的好坏直接决定了整个焊口的焊接质量。根焊要求电弧短、穿透力强、熔池稳定，飞溅小，可实现全位置焊接。数字控制的逆变焊机系统中，控制电路部分由单片机（MCU）和数字信号处理器（DSP）构成双机控制系统，实现熔滴过渡各阶段电流波形的控制精细。焊接性能的控制核心部件为DSP，焊接电压、电流信号经过A／D转换成数字信号，数字信号处理器软件实现灵活、精细的焊接性能控制。奥太PulseMIG－500FR数字管道多功能焊机采用软件和硬件相结合的方式，准确检测熔滴过渡时刻，使得检测正确率达到99％；缩颈发生时迅速降低电流，这样才能使熔滴过渡平稳，有效减小焊接缺陷；内置专家数据库，实现一元化调节，缩短参数调节时间[1]。采用金属粉芯焊丝时的焊接电流、电压波形和西二线焊缝成形如图3所示。与普通气保焊相比，该工艺具有电弧穿透力强、热输入低，飞溅小的优点；焊工操作性强，全位置焊接时电弧形态均匀、一致；1点～2点位置背面熔池不易下垂；从四点至六点的位置，其背面焊缝发生内凹的难度较大。相较于纤维素焊条下向焊，FR快速根焊的优势众多，在焊接过程中出现较少烟尘，只发生非常小的飞溅，而且噪音也比较小。通过精度较高的热输入控制能够降低焊接变形以及烧穿的概率。焊接所产生的成本较小。可以较快速度与较高效率进行焊接。此外在焊接完成之后不必清理焊渣，有效节约清理层间的时间。

2.高焊速

当前，在生产效率方面的要求越来越高，为此研制出两种类型的效率较高的焊接方法，分别为气保焊类与埋弧焊类。主要的埋弧焊方法包括带极埋弧焊与多丝埋弧焊等。而气保焊主要分为两类，一是单丝气保焊，二是双丝气保焊。前者可选用多元保护气体，也可对电流波形进行相应控制。后者能够进行双丝双弧单熔，并且其每分钟可以熔敷三十千克。通过对比发现，单丝多元保护气体具有较高成本，实现难度大，而双丝焊具有较高效率，不过也在实现条件方面提出更高要求。其中可行性与经济性最大的一种方法为，单丝在改进电源之后完成熔滴过渡。此处，需重点探究的是高速焊中数字化气保焊的应用。为确保双电弧均可实现稳定性较高的燃烧，使彼此之间的干扰有所减小，两项电弧都属于脉冲电弧。两个电源所产生脉冲电流之间的相位差达到180度，能够在最大程度上减小电弧间产生的干扰。

对于焊缝成形，两个焊丝之间的距离以及角度所产生的影响都比较大，目前已经具有商业化双丝焊枪。在实际的控制实现过程中，每种焊接电源均利用主从模式，将其中一个焊机视为主机，实施协同脉冲控制，以自身电弧为依据，反馈脉冲电流频率，且向从机传输同步信号，根据该频率，从机进行工作。在高速焊接的场合中，必须保持较高工作效率与较快焊接速度。同时确保焊缝成形之后的美观性及熔透性。此外仅发生极小飞溅，具有良好电弧适应性，且焊机能实现快速动态响应。利用焊机动态的优化操作实现对相关参数的合理控制以及短路过渡控制的进一步改进与完善，进而让产品充分达到工作效率高与响应速度快等要求。

3.生产管理的网络化

其一，加大焊接工艺应用强度，增强焊接质量，尽量防止违反规定的操作出现。其二，完善车间与焊机管理。其三，加大焊材管理强度，有效节约成本。其四，明确焊接质量，以此在焊工的考核过程中提供重要数据。此系统能够设定焊接规范、实时监督和控制焊机状态以及记录相关焊接数据等，从而为管理工作提供一定便利，减轻工作者的负担，提高产品质量，有效解决成本。

4.配套机器人的智能化

在社会与科技不断发展进步的过程中，机器人被广泛应用于不同领域中，工业机器人的应用率最高。而机器人焊接系统达到统一、高效焊接，在很大程度上提高了企业工作效率，降低人员管理成本，解放大量工作人员。

结语：

当前，已经初步完成了数字化焊接，不过仍旧存在较多方面的问题，仍需进一步改善与发展。一般情况下，国外大多数厂家以具体焊接问题为依据，研发与制造具有较强特殊性的焊接工艺，由此研制多种独树一帜的新型数字化逆变焊机，而在我国这是现在比较缺乏的。对于我国相关焊接人员，应以实际需求为依据，并与我国国情充分结合，从而提出新的研讨主题。可以想见，我国在今后发展中必定会成为世界范围中制造电焊机的大国甚至强国。

参考文献：

[1]熊振兴，黄石生.现代数字化弧焊电源的发展[J].兰州科技，2016（04）.

[2]杨通，黄延龄，张光先.数字化的逆变弧焊电源[J].电焊机，2014（02）.

[3]韩永强，曾亮.数字化逆变焊机的发展和应用[J].电焊机，2016（02）.