CO2焊接逆變電源及其智能模糊控制

摘要：在分析CO2焊接過(guò)程控制特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了恒流型IGBT逆變電源。在不同的熔滴過(guò)渡形式下，提出了弧長(zhǎng)和短路頻率智能模糊控制方案。試驗(yàn)證明，采用該技術(shù)有助于克服CO2焊接存在的不足，可以更好地實(shí)現(xiàn)電弧狀態(tài)的控制。

關(guān)鍵詞：逆變電源模糊控制CO2焊接

An Inverter－ type Power Supply and Fuzzy Control for CO2 Arc Welding

Abstract:Based on the foundation of analysis of CO2 welding process,a constant current (CC)IGBT inverter is developed.In case of different droplet－ transfer forms,fuzzy control schemes of arc length and short－ circuit frequency are put forwords.It is indicated by experiments that the existing shortcomings of CO2 welding can be overcome,and are states controlled more easily.

Keywords:Inverter－ type power supply Fuzzy control CO2 welding 　

CO2焊是一種重要的焊接方法，具有高效率、低成本的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的CO2焊接質(zhì)量受到焊接電源和控制方法的局限，存在飛濺大、成型差和焊接參數(shù)需要調(diào)節(jié)等缺點(diǎn)。近年來(lái)，隨著弧焊逆變器和微處理器技術(shù)等的進(jìn)步，為提高焊接質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)了新的CO2焊接控制方法。目前已經(jīng)出現(xiàn)了多種方案，但是其效果仍有局限，應(yīng)用較為困難[1～3]。如何合理地設(shè)計(jì)CO2焊逆變器和發(fā)展控制技術(shù)，是目前面臨的主要問(wèn)題。本文對(duì)此進(jìn)行了探討，提出了技術(shù)方案，在電源恒流外特性控制基礎(chǔ)上，采用了具有自學(xué)習(xí)能力的模糊控制，獲得了較好的試驗(yàn)效果。

1簡(jiǎn)單恒壓型CO2焊接電源的缺點(diǎn)

對(duì)于普通的CO2焊接，大都采用變壓器抽頭調(diào)節(jié)的平特性焊機(jī)，或恒壓控制和晶閘管焊機(jī)，配合等速送絲系統(tǒng)進(jìn)行焊接。雖然可獲得一定的弧長(zhǎng)自調(diào)節(jié)能力，但飛濺大、成型差，工藝效果不好。

分析其原因，這是與CO2焊接的物理過(guò)程有關(guān)。CO2焊接有自由過(guò)渡和短路過(guò)渡兩種形式，且以短路過(guò)渡為常用。對(duì)于自由過(guò)渡，恒壓型電源對(duì)焊絲的熔滴過(guò)渡具有較強(qiáng)的排斥作用，造成其偏向和飛濺，難于應(yīng)用。對(duì)于短路過(guò)渡包括短路與燃弧兩個(gè)狀態(tài)，恒壓型電源通過(guò)在主電路串入電感來(lái)限制短路電流和提高燃弧能量，但難以很好兼顧。

電弧負(fù)載經(jīng)歷著空載、短路和燃弧狀態(tài)的變化，并且都是正常的工作狀態(tài)。在短路時(shí)，對(duì)于電源和負(fù)載來(lái)說(shuō)，必然要以控制電流為目標(biāo)。而在燃弧時(shí)，對(duì)自動(dòng)或半自動(dòng)的CO2焊，需要更合適的弧長(zhǎng)控制方法。短路過(guò)渡則希望有合適的短路過(guò)渡頻率，以改善過(guò)程穩(wěn)定性。顯然，恒壓型電源不符合熔滴過(guò)渡過(guò)程要求。

2恒流型逆變電源的特點(diǎn)

基于上述分析，本文采用恒流型技術(shù)方案，設(shè)計(jì)了CO2焊接逆變電源。該電源采用IGBT器件和單端正激電路，工作頻率20kHz。電路原理如圖1所示。電源具有恒流閉環(huán)控制系統(tǒng)和可控的電子電抗器特性，以滿足CO2焊接過(guò)程的電流控制。通過(guò)輸出狀態(tài)判斷，進(jìn)行了變結(jié)構(gòu)控制。當(dāng)電源空載和輕載時(shí)，進(jìn)行脈寬控制，以提高電源的可靠性。當(dāng)短路時(shí)，焊接電流切換為峰值，保證重新燃??；當(dāng)弧長(zhǎng)波動(dòng)過(guò)大時(shí)，又切換為小電流維弧，在相對(duì)較大的送絲速度的作用下，恢復(fù)弧長(zhǎng)。

當(dāng)給定電流與送絲速度在一定范圍時(shí)，電弧穩(wěn)定而無(wú)短路過(guò)程，即自由過(guò)渡。當(dāng)送絲速度較大時(shí)，將產(chǎn)生不斷的燃弧、短路過(guò)程，即短路過(guò)渡。調(diào)節(jié)送絲速度，可得到不同的熔滴過(guò)渡形式，并改變電弧電壓工作點(diǎn)和短路過(guò)渡頻率。由于階梯特性很強(qiáng)的門(mén)限控制和約束作用，具有一定的自適應(yīng)特點(diǎn)。與平特性電源比較，避免了平特性對(duì)熔滴過(guò)渡的排斥作用，使電弧柔順，飛濺小。電流和送絲速度獨(dú)立調(diào)節(jié)，兩者的配合可以控制電弧狀態(tài)和焊縫成型。但是，這種方法仍存在明顯不足：當(dāng)送絲速度和焊槍高度波動(dòng)時(shí)，效果不盡理想，表現(xiàn)在兩方面，即自由過(guò)渡的電弧弧長(zhǎng)變化，短路過(guò)渡時(shí)短路頻率變化，從而影響過(guò)程穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量。

圖1恒流型焊接逆變電源

（a）20A,100μs/格

（b）20A,5ms/格
圖2輸出電流動(dòng)態(tài)過(guò)程

3智能模糊控制系統(tǒng)

　　為了解決恒流型電源的不足，引入微機(jī)控制和模糊控制技術(shù)。系統(tǒng)可相應(yīng)地進(jìn)行自由或短路不同控制方案。自由過(guò)渡的控制較為簡(jiǎn)單，其目標(biāo)即維持合適的電弧電壓來(lái)保證穩(wěn)定弧長(zhǎng)。短路過(guò)渡除了對(duì)短路過(guò)程的電流和燃弧電壓控制外，還要進(jìn)行短路頻率控制。

圖3中的低成本單片機(jī)系統(tǒng)可代替模擬電子電路的簡(jiǎn)單切換，即采用“微機(jī)＋模擬”的方式，實(shí)時(shí)調(diào)整焊接電流和動(dòng)特性。該設(shè)計(jì)接口容易，簡(jiǎn)單可靠，具有更好的可控性。通過(guò)工藝試驗(yàn)，在不同的工作狀態(tài)下，建立了開(kāi)環(huán)條件下送絲速度與焊接電流的適用范圍關(guān)系，以及與動(dòng)態(tài)性關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，實(shí)施適智能控制方案。

圖3微機(jī)控制焊接逆變電源