脉冲MIG焊工艺与设备

数字化脉冲MIG焊技术方案论证MIG（脉冲MIG）焊接工艺与设备问题研讨主要内容MIG及脉冲MIG焊接方法概述典型的脉冲MIG控制方法概述脉冲MIG控制过程分析与方案论证电源技术分析与方案论证其它相关技术问题工作进度讨论MIG焊方法简述MIG焊是熔化极气体保护焊（GMAW）的一种。在惰性气体保护作用下，电弧产生在连续送进的可熔化金属焊丝与焊接工件之间。保护气体通常采用惰性气体Ar气或以Ar气为主要成分的混合气体（85%Ar+15%CO2）。MIG焊过程控制的基本原理电弧的伏安特性焊丝的熔化特性电源的伏安特性弧长的调节特性送丝速度=熔化速度MIG焊基本原理——熔滴过渡

焊丝在电弧的加热作用下熔化后以一定的形式过渡到焊接熔池中的过程成为“熔滴过渡”，熔滴过渡方式与焊接规范参数有关。短路电流（A）电压（U）射流短路颗粒颗粒射流脉冲MIG的优点

射流过渡是一种理想的熔滴过渡模式，但是需要在较大的电流（大于临界电流）下才能实现，因此限制了应用范围。脉冲MIG利用脉冲电流方式，可以在较低的平均电流（低热输入）实现稳定的射流过渡，因此具有以下优点：1、有利于薄板焊接2、有利于全位置焊接3、有利于使用粗丝焊接（粗丝送丝稳定性高）脉冲MIG的关键技术与难点脉冲参数与送丝速度的匹配数字化技术解决的关键问题就是建立一个可以现场调用的数据库，即某一种焊丝（材料、直径），在一定的送丝速度下所对应的脉冲参数组合（峰值电流、基值电流、峰值时间、基值时间）脉冲模式下的弧长控制脉冲电流作用下的弧长也是波动的，如何保证弧长稳定，特别是在干伸长波动的条件下保证弧长稳定是脉冲MIG的主要控制难题脉冲MIG与数字化的关系脉冲MIG的技术发展依赖于数字化信息处理的发展，而不是仅仅依赖于数字化电源技术焊接领域中数字化技术应用的主要成就之一就是脉冲MIG的实用化脉冲MIG的实用化关键是用数字化技术解决了复杂的脉冲参数与送丝速度之间的数据存储与调用（智能式控制）脉冲MIG的弧长调节方式I/I控制方式脉冲的峰值和基值都为电流模式U/I控制方式脉冲的峰值为电压模式、基值为电流模式ACUU控制方式脉冲基值和峰值的初始为电流模式、之后转为电压模式弧长调节的重要性

熔化极电弧焊接的稳定性核心问题就是弧长的稳定。良好的脉冲焊控制系统应该能够在焊丝干伸长较大幅度变化的条件下实现有效的弧长调节作用。焊丝干伸长变化的实况I/I控制模模式基于改变恒流流源给定的脉脉冲控制方式式——传统脉脉冲控制方式式脉冲峰值的时时间是固定的的脉冲基值的时时间是根据对对一个脉冲周周期内的电压压信号采样平平均值控制当弧长波动时时，脉冲频率率将随之波动动由于是基于平平均算法控制制，所以对导导电嘴到工件件之间的距离离控制的响应速度较低低I/I控制模模式典型波形形设定量：Ip，Ib，Tp，Vset调节量：Tb控制方式：V/F焊丝干伸长较较长焊丝干伸长较较短U/I控制模模式典型代表产品品U/I控制模模式的设置菜菜单典型代表产品品ACUU控制制方式Miller’sAccu-Pulse™PulsedMIGTechnologyTacklesExoticMetals,Provide15to20PercentImprovement,1YearPayback典型脉冲参数数参考-11.2mm4043铝铝合金焊丝典型脉冲参数数参考-21.2mm5356铝铝合金焊丝丝铝合金脉冲MIG焊接参参数与熔滴过过渡的关系如何实现一脉脉一滴的熔滴滴过渡？一脉一滴是由由脉冲参数决决定的：(常数),也也就是脉冲峰峰值电流与脉脉冲宽度的乘乘积为常数。。n/11/11/n脉冲参数与弧弧长的关系脉冲MIG焊焊的熔滴过渡渡（铝合金））脉冲MIG焊焊铝——双丝丝焊I1I2熔滴过渡电流波形脉冲MIG过过程的深入分分析数字化仿真技技术焊接电弧模型型化电源数字化模模型MIG数字化化模型MIG焊系统统系统描述WeldingPowerSourceVAWireFeederWeldingArcWireFeederMIG电弧模模型从实际到抽象象Lt-wLa+-ContactTipLeWorkPieceMIG焊系统统的模型化从实际到抽象象LcLa+-ContactTipLeWorkPieceWFSVAUoLoRo电弧电压的分分布CathodeArcColumnAnodeU－＋Uarc=Ucathode+Uarccolumn+Uanode电弧伏安特性性的数学描述述Ui0RaLa+-ContactTipLeLdWorkPieceLt-wVoltAmpLinearizationpiecewiselinearity电弧与电源的的关系模型VoltAmpUps=UaUoIV-ACharacteristicoftheArcinGMAWIntersectionUf=k1+k2La+(k3La+k4Le)I焊丝熔化速度度模型Le=Lt-w–LaWMR=m1UdaI+m2Lek4I2电弧弧长模型型WMR——焊丝熔化化速率；WFS——焊丝送丝丝速度。MIG焊中个个参数之间的的基本关系电弧电压电弧电流焊丝干伸长电弧长度焊丝熔化速率率脉冲MIG过过程的控制技技术要点在脉冲电流作作用下，焊丝丝的熔化速度度会变化，因因此脉冲MIG弧长控制制的基本要求求——保持弧弧长动态稳定定，即弧长La满足：0<La<Lt-w在焊接过程中中动态调节焊焊接电流，动动态地满足：：WMR=WFS弧长的控制调调节方式I/I脉冲MIG电压反馈积分分电压设定积分分U/I脉冲过过程波形ACCU脉冲冲过程波形脉冲MIG过过程的控制原原理（仿真））仿真工具：LAbVIEWU/I及ACCU的的优点脉冲频率固定定脉冲频率固定定对于双丝焊焊的协同控制制是必要的，，这也是CLOOS在双双丝焊接方面面技术优势的的基础。弧长控制算法法简单，利用用了恒压电源源的自身调节节作用双丝脉冲MIG视频资料U/I及ACCU脉脉冲控制的的关键技术对电源的要求求：平特性与陡特特性的在线快快速转换技术途径：利用电源的复复合外特性控控制技术如何解决电源源的CC/CV特性转换换了解电源外特特性控制的基基本原理分析现有产品品的中实现方方法从外特性变化化到脉冲的关关系CC特性的实实现一次电源都是是恒压源（CV）二次电源实现现CC采用电电流反馈所谓电流反馈馈的实质是根根据负载变化化引起电流变变化的大小和和方向调整输输出电压R1R2V1V2IVI1I2CV特性的实实现电流内环+电电压外环是焊焊机中常用的的CV方式采用电压反馈馈控制电流反反馈的给定电流内环条件件下所谓电压压反馈的实质质是根据负载载变化引起电电压变化的大大小和方向调调整输出电流流R1R2V1V2IVI1I2+HC-II系系列电源外特特性控制电路路分析PI控制器电流反馈-PI控制器电压给定+电压给定电压反馈-

输出量HC-II系系列电源外特特性曲线HM系系列电电源外外特性性控制制电路路分析析电压反馈推力控制量电流反馈电流反馈电流给定电流给定输出量推力给定推力限制HM系系列电电源外外特性性曲线线电流内内环+电压压外环环控制电电路优化的的电流内内环+电压压外环环控制电电路电压外外环电流内内环电流内内环+电压压外环环控制系系统的的数学学表达达电流+电压压双闭闭环控控制系系统传传递函函m———电压压反馈馈系数数n———电流流反馈馈系数数CCPOWERV-ACharacteristic恒流电电源外外特性性曲线线CVPOWERV-ACharacteristic恒压电电源外外特性性曲线线有最小小电流流限制制的平平特性性电源源低低压输输出时时的电电源伏伏安特特性有最小小电流流限制制的平平特性性电源源高高压输输出时时的电电源伏伏安特特性电压/电流流复合合脉冲冲电路路原理理改变电电压实实现电电流脉脉冲的的原理理Ip=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo（U=15+0.05I）脉冲峰峰值时时的电电压/电流流复合合作用用-△I+△LIp=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo脉冲基基值时时的电电压/电流流复合合作用用+△I-△LIp=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo电压/电流流复合合脉冲冲工作作原理理+△I-△I-△L+△LIp=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo脉冲MIG对送送丝机机的要要求高精度度，要要求送送丝速速度与与脉冲冲参数数之间间的精精确匹匹配高响应应速度度，实实现高高质量量的引引弧和和收弧弧的必必要技技术手手段数字化化的AC伺伺服电电机已已经成成为高高档脉脉冲MIG的送送丝驱驱动的的首选选电机机因此目目前认认为：：数字化化焊机机应该该包括括送丝丝机的的数字字化初期实实验方方案快速实实现基基本控控制思思想（（电流流/电电压复复合控控制））解决焊焊接参参数的的优化化问题题（脉脉冲参参数与与送丝丝速度度的匹匹配））PCAD/DAI/O模拟电电源AC伺伺服送丝机机产品技技术方方案框框图PC嵌入式式控制制器DSP控制制电源AC伺伺服送丝机机实现完完整的的嵌入入式控控制数数字化化脉冲冲MIG焊焊机数字化化电源源框图图数字化化电源源控制制系统统的基基本算算法变参数数数字字PI设计计及程程序框框图数字焊焊接电电源系系统控制芯芯片（（DSP+CPLD）选选择数字化化焊机机操作作面板板几种种形式式LED方式式LCD方式式传统方方式+上位位机FroniusTPS系系列控制面面板———LED设置旋钮显示区材料选择操作模式选择焊接条件记忆存储功能（最大可存100条）焊接模模式的的选择择：用软触触键设设定焊焊接方方法和和焊丝丝直径径，简简便无无误。。用发发光二二极管管指示示设定定结果果，一一目了了然。。显示区区功能键：软触键数字显示操作面板可以便捷地设定所有焊接相关功能而无需对电源内部进行复杂设置。用同一一旋钮钮设定定所有有的焊焊接参参数值值，操操作便便捷电弧特特性：：可用电电弧特特性旋旋钮自自由调调节电电弧硬硬度，，根据据作业业内容容和个个人习习惯设设定最最佳电电弧状状态。。各种功功能:备有初初期电电流设设置、、一元元化电电压调调整，，恒熔熔深控控制等等功能能，实实现高高质量量的焊焊接。。预留模模式：：通过安安装特特殊软软件追追加焊焊接模模式后后，可可以实实现特特种材材料的的焊接接。OTCDP400LEDPanasonic350GR3、、500GR3HD-500LEDCLOOSLEDLCD大屏幕幕的液液晶显显示电脑化化操作作界面面CLOOSLCDLINCOLNPOWERWAVE455M/STT林肯焊焊机的的操作作面板板很简简单，，几乎乎没有有数字字化的的概念念，但但是它它提供供与上上位机机的联联机功功能和和波形形设计计软件件。所所以说说：数数字化化不一一定体体现在在外观观控制面面板———传传统形形式+上位位机上位机机功能能是发发展方方向高频逆逆变电电源的的实现现60-100KHz的逆逆变电电源在在高档档逆变变焊机机中已已经成成为一一种主主流，，这主主要是是因为为控制制对机机器响响应速速度的的要求求单管技技术的的崛起起支持持了高高频化化模块化化、组组合式式支持持了大大功率率双单端端组合合的逆逆变电电源目前实实施中中的ZX7-315主电电路关于交交流伺伺服电电机用用于送送丝机机的问问题交流伺伺服电电机是是目前前性能能最优优异的的电机机之一一，交交流伺伺服电电机的的控制制系统统就是是一个个复杂杂的数数字化化控制制器交流伺伺服电电机目目前主主要用用于数数控运运动系系统，，用于于焊接接送丝丝机不不是可可不可可以的的问题题，只只是是是否经经济合合算的的问题题一台低低档交交流伺伺服电电机价价格相相当于于一台台中档档的焊焊机，，因此此用于于送丝丝在一一般的的韩集集中是是有些些承受受不起起，但但是在在高档档焊机机中，，交流流伺服服电机机已经经开始始应用用主要是是利用用其高高速的的响应应速度度，快快速停停止，，甚至至反抽抽，是是目前前一些些特殊殊焊接接技术术的必必要支支持例如：：CMT工艺的的特征征AC交流伺伺服马马达在在焊枪枪内非常迅迅捷改改变送送丝速速度是是实现现CMT工艺的的先决决条件件CMT过程程示意意图t=0mst=4.59mst=6.21mst=7.56mst=11.34mst=13.23mst=13.77mst=14.31ms反抽焊丝是是技术核心心，交流伺伺服电机是是个必需的的例如：精确确控制引弧弧过程的方方法引弧视频资资料高性能的薄薄板低电流流焊接问题题目标定位于于：2mm铝板，50A有一一定的技术术难度，其其难度主要要表现在脉脉冲MIG不是解决决此问题的的最佳方式式，因此与与其说是难难度，不如如说是技术术定位问题题目前薄板焊焊接的技术术前沿是：：CMT，，COLD-ARC等，，其特点是是控制短路路过程（短短路而无飞飞溅），而而不是避免免短路过程程因此产品如如果就是要要定位于薄薄板低电流流，那么应应该调整到到短路控制制技术，而而不是脉冲冲MIGCLOOS的冷焊技技术交流脉冲MIG工作进度安安排——项项目内容电源（功率率模块+控控制模块））焊接工艺试试验（参数数数据库建建立）操作面板（（数据库的的一元化使使用及焊接接时序）送丝机（使使用交流伺伺服电机））焊接试验工工作台（焊焊接参数数数据库建立立必备）联机调试电源电源功率模模块采用单单管IGBT技术，，设计工作作频率60-80KHz，200A模模块组合。。工作时间间第一阶段段样机50工作日，，第二阶段段完善改进进30工作作日，第三三阶段定性性20工作作日控制部分采采用DSP或ARM，实现PWM的数数字化控制制。第一阶阶段样机60工作日日（硬件30日、软软件30日日），第二二阶段改进进完善30工作日，，第三阶段段定型20工作日考虑到部分分可并行工工作，以上两部分分合计180工作日日（约八个月月）焊接工艺试试验脉冲MIG参数的确确定是一个个大量焊接接工艺试验验的结果，，由于送丝丝速度与脉脉冲参数之之间不是线线性关系，，一元化调调节是通过过建立在大大量实验数数据基础上上的插值算算法获得，，而插值算算法的精度度取决于数数据量。如如果按送丝丝速度每0.1米（（一般在数数字化焊机机中的送丝丝速度的最最低分辨率率为0.1米）一个个数据点，，当送丝速速度从2米米到22米米就需要有有200个个实验数据据支持，这这样的数据据工作量太太大。可以以采用插值值算法，以以0.5米米为一个数数据点，这这样就可以以将实验数数据量降低低到原来的的1/5。。即使这样样，对于一一种焊丝（（直径、材材料）也要要有40个个点试验数数据才能获获得进行一一元化调节节插值计算算所必要数数据。而每每个数据点点要有至少少4个参数数（峰值电电流、峰值值时间、基基值电流、、基值时间间或），假假设有3种种焊丝材料料（钢、不不锈钢、铝铝），每种种材料三个个焊丝直径径（1.0、1.2、1.6），那么么要求有3×３×4０＝360个实验验数据支持持。根据最最理想的实实验情况，，获得一个个点数据平平均需要1小时（不不含辅助工工作、设备备故障因素素和数据后后处理工作作），通常常一天最多多能完成4个数据点点的工作，，360个个数据点意意味着至少少要90个个工作日，，实际上考考虑到设备备因素（由由于是与电电源部分不不是成熟产产品），至少要按100个工工作日计算算。比较完整的的脉冲MIG焊接工工艺参数内内容焊机操作面面板焊机操作面面板的核心心就是建立立一个由送送丝速度控控制的“一一元化”调调节控制器器，由于前前述送丝速速度与脉冲冲参数之间间非线性的的，至少要要集成360个实验验数据点，，而每个数数据点中有有至少4个个数据，也也就是说有有一个上千千个数据点点的表格，，这也就是是为什么脉脉冲MIG一定要数数字化的主主要原因。。换句话说说：脉冲MIG焊机机的电源可可以不是数数字化的，，但是焊机机的操作面面板一定要要数字化的的。这部分分的工作涉涉及到MCU硬件、、软件（也也就是以前前说的单片片机）和界界面设计三三个方面的的工作。界界面设计可可借用目前前HD-500（如果没有有意见的话话）。操作作界面的基基础硬件设设计达到可可以编程调调试至少需需要30个个工作日，，编程调试试也至少要要30个工工作日。考考虑到部分分工作可以以交叉进行行，因此第第一轮设计计调试需要要至少50个工作日日，第二轮轮改进需要要25个工工作日，第第三轮定型型设计需要要15个工工作日，合计90个个工作日。另外与PC机的接接口和遥控控盒也是必必须的，当当然这部分分不影响机机器的焊接接性能，如如果考虑着着部分至少少需要增加加20个工工作日。送丝机一种关于数数字化焊机机的新定义义：数字化化焊机应该该包括电源源的数字化化和送丝机机的数字化化两部分。。所谓送丝丝机的数字字化就是指指交流伺服服电机的采采用。交流流伺服电机机是一种可可以用脉冲冲精确控制制速度的电电机，也就就是现在数数控切割、、机器人等等机构中使使用的电机机。交流伺伺服电机的的唯一问题题就是成本本较高，因因此在后续续工作中可可以考虑如如何在现有有的直流电电机基础上上提高速度度稳定性，，以降低成成本。将交交流伺服电电机装到现现有的送丝丝机上需要20个个工作日左左右（需要厂家家配合）。。现有的直直流电机基基础上提高高速度稳定定性的工作作另计，属属于降低成成本的问题题暂不考虑虑。焊接试验平平台进行脉冲MIG焊接接工艺参数数的工作需需要一个基基本的自动动化焊接平平台，该平平台应具有有一定的数数字化控制制能力，特特别是对焊焊枪的高度度要有精确确地控制能能力，用来来模拟实际际焊接中的的手工波动动，主要是是对弧长控控制能力的的考验。另另外至少需需要焊接参参数采集与与分析系统统，最好有有高速摄像像装置，并并且能与电电压电流波波形同步显显示，这对对于设定最最佳的脉冲冲参数极为为重要。