数字化焊接设备的发展

作者：山东山大奥太电气有限公司 李朋    来源：MM现代制造

欢迎访问e展厅 展厅 9 焊接设备/切割机展厅 交流电焊机, 直流电焊机, 气体保护焊机, 埋弧焊机, 高频焊接机, ... 数字化焊接设备的发展 随着专家、学者对焊接工艺的研究不断深入，焊接技术也在突飞猛进的发展，对焊接设备提出了更高的要求。随着电力电子技术的发展，焊接电源经历了变压器抽头式硅整流焊机、磁放大式整流焊机、可控硅整流焊机、逆变焊机等几个阶段。数字信号处理器(DSP)的出现为焊接电源全数字化提供了基础。DSP指令执行速度快，便于控制算法的实现。以DSP实现数字信号处理的新型数字化焊接电源已经成为国内外焊接工作者研究的主要领域之一。 1998年奥地利Fronius全数字化焊机进入市场，标志着控制电路数字化焊机的实用化。将传统逆变焊机的模拟控制发展为数字化控制，极大地提高了焊机对电弧的控制品质。近些年，焊机数字化技术发展越来越快，更加先进的数字化焊机不断推出，数字化的人机交互系统也得到深入的开发。 但是在国内，数字化焊机的研究目前还处于起步阶段，埃森展上只有少数几家国内焊机厂商展示了新型数字化的焊机，在性能和功能上与国外先进焊机仍有不小的差距。但是数字化焊机的发展表现出强劲势头，其必将成为今后焊接设备发展的潮流。 新型数字化焊接设备的技术特点 新型数字化焊接设备，主要在3个方面实现了数字化：主电路的数字化、控制电路的数字化和数字化接口。 1．主电路数字化 逆变焊机的出现和推广，标志着焊接电源主电路从模拟到数字化的跨越。对于焊接来讲，这是一项革命性的技术跨越。数字化的主电路中，功率开关器件工作在开关状态，其功率损耗大大降低，效率达90%以上。主电路形式包括全桥、半桥、单端、斩波等多种形式，以及这几种形式的组合。一般采用PWM（脉宽调制）控制策略，来达到控制输出功率的目的。功率开关器件多为IGBT，逆变频率20KHz或更高，回路输出电流的纹波更小，响应速度显著提高，焊机可以获得更好的动态响应特性。因此在焊接工艺过程中可以更快地调节电弧电流或电压，满足焊接工艺的要求。功率器件的工作方式有硬开关工作方式和软开关工作方式。相比之下，软开关工作方式开关器件上的开关应力几乎消除，可靠性显著提高。国内以山大奥太为代表的焊机生产厂商均采用此方式。 2．控制电路的数字化 以单片机、DSP（或FPGA）为核心，根据焊接工艺要求构建数字化控制系统，完成焊接数据采集和处理，检测焊接过程，精确控制电弧。焊机具有多种输出特性，可一机多用，具有友好的操作界面，方便操作者使用，内置专家系统，实现不同材质、不同焊丝直径的焊接。 焊接电弧是非线性负载，即电弧两端电压与电弧电流之间不成正比关系。当电弧电流从小到大变化时，焊接电弧的静特性呈U形曲线(如图)。 U形静特性曲线可分为三段(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)。在Ⅰ段，电弧电压随电流的增加而下降，是下降特性段；在Ⅱ段，电弧电压不随电流的增加而变化，是平特性段；在Ⅲ段，电弧电压随电流的增加而上升，是上升特性段。 在多数焊接过程中，焊接电流和电压都是工作在高速变动状态，使电弧达不到稳定状态。 图3所示的这些现象对弧焊工艺稳定性、焊缝的成型及焊接质量有重要影响作用。为了控制这些电弧现象，只有快速调节电流和电压。 模拟控制电路，由运算放大器、电阻、电容等模拟元件组成，模拟元件的参数一般都存在一定精度和温度稳定性。 数字化控制使焊接电源具有很好的系统灵活性。由于模拟系统的配置和增益是由阻容网络硬件所决定的，因此一旦确定就很难改变，而在数字化控制系统中，只要改变软件，则很容易实现柔性控制。在新型数字化焊机中,由单片机和DSP组成双机系统构成系统的控制部分。单片机除负责系统的总体管理外，在控制上还负责给定参数的输出，而PI控制和PWM信号产生则由DSP完成。这样的系统由于充分发挥了DSP较强的数据处理能力和单片机较强的事件处理能力,性能上有了很大的提高。同时控制器完全以软件方式加以实现,在控制的灵活性上就有了进一步的提高。 专家系统是将众多的焊接规范以数据库的形式存储到计算机中，这些焊接规范都是成功的经验数据。每一条数据都包含诸多信息，如焊接方法、母材、板厚、坡口形状、焊丝直径、送丝速度、焊接电流、焊接电压等等。当操作者输入某几项参数后就可以查询到最佳的焊接规范。 以山大奥太Pulse MIG-500脉冲MIG/MAG焊机为例，介绍新型数字化控制系统。Pulse MIG-500是MCU＋DSP双机控制系统，MCU负责主控制功能，DSP进行运算、调节。该焊机具有以下特点： （1）实现了柔性化控制和多功能集成。 （2）完备的专家系统。针对每一种焊丝焊接工艺匹配专家系统，优化熔化曲线，保证稳定焊接。图4、5分别是Φ1.6纯铝焊丝在200A不同干伸长的情况下焊接电流、电压波形图，由两图可以看出对脉冲电流峰值、基值进行调节，可保证弧长的一致和焊缝成型。脉冲电流的峰值、基值以及上升率、下降率是由DSP变参数调节的结果。 （3）人机界面友好。与通用气体保护焊调节方式一致，并具有一元化功能，操作简单。 （4）产品的一致性好。不受元器件参数性能变化的影响， （5）接口兼容性好。具有工业总线485通讯接口，可与专用设备配套，组网。 （6）在线升级方便。通过对软件进行修改和升级，就可以使焊机的功能改变和性能改善。 3. 数字化接口 具有485通讯接口或者CAN总线等现场总线接口，实现焊接自动化、网络化，具有焊接质量监控、在线升级等功能。数字化焊机可以通过数字接口由上位机控制，可以提供更丰富、更强大的集成化数字化控制功能，用于自动化焊接系统，使焊机的参数设置与系统中其他设备的参数设置一体化。全部工作状态参数都可以被焊机内部的微处理器采集和监测，通过数字接口由上位机焊接参数分析软件系统对焊机的工作状态进行全程监测。这对于焊机内部故障或焊接质量监控具有重要意义。 新型数字化焊接设备的发展方向 1. 高性能 数字化焊接电源可以实现焊接电压、电流波形在线快速检测并计算短路过渡特征参数，进行自适应最优控制，用现代控制理论算法使特征参数和焊接规范始终调整于最佳范围内，使焊接电弧处于稳定、动态性能最佳的工作状态。对短路过渡、脉冲过渡、射流过渡的电流、电压波形进行精确控制，以达到进一步减小焊接飞溅、改善焊接性能及焊接质量的目的。伊萨公司的Aristo superpulse技术可实现电流波形多种组合提高生产效率，具有打底焊、全位置焊功能。克鲁斯CP和福尼斯CMT冷焊技术，焊接薄板性能优异。 2. 自动化 新型数字化弧焊电源可以对整个焊接过程进行精确控制，实现低飞溅或无飞溅引弧，焊接电弧弧长精确控制，适合焊接工艺的特殊操作方式，同时具有完善的收弧去球和故障报警处理功能。在劳动强度高，工件结构较复杂的情况下，新型数字化弧焊电源配套自动化焊接设备极大的提高了生产效率。 3. 网络化 新型数字化弧焊电源可以通过数字化接口，轻松实现与计算机构成的局域控制网络，这对于规范焊接生产，实现焊接质量的无人监控和管理有非常重要的作用和意义。例如，林肯公司的arclink，用于焊接的主要数字通讯协议能实现与焊接电源及网络设备的无痕化连接。 主电路的数字化为实现焊接电弧快速控制提供了技术基础，控制电路的数字化构建了一个更加灵活的快速的控制系统，便于实现针对各种现场焊接工艺的电弧现象进行自适应调节，使得整个焊接过程的电弧受控性好，便于焊工操作，易于实现自动焊、高速焊。因此，全数字化的新型数字焊机将是未来几年焊机行业的发展方向。(end)

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