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小电流脉冲TIG焊接电源及电弧物理特征的研究

刘强  
【摘要】:在焊接领域中,直流TIG焊接被公认为是一种优质的焊接方法,但由于其工艺及早期TIG焊机技术不够完善,应用范围受到了一定的限制。近年来,为充分挖掘TIG焊的潜在优势,许多科研人员和工程技术人员对TIG焊在能量输出和工艺等方面进行了大胆的探索,特别是晶体管逆变技术、微电子控制器件、微处理机、数字信号处理器和计算机软件技术在TIG焊机中的成功应用,全面提升了TIG焊接工艺水平和TIG焊机性能,其中脉冲TIG焊接技术因热输入量低、能量密度大、高效节能等优点,成为各重要工业制造部门焊接高质量不可缺少的现代加工手段。 根据直流脉冲TIG焊接技术的特点,本文设计了一套直流脉冲TIG焊接系统,系统主要包括基值电源、脉冲电源和人机界面三部分。基值电源主回路采用双功率管并联BUCK结构,即提高了工作频率,减少了输出电流的波动,同时也降低了功率管的损耗,为TIG电弧提供稳定的维弧电流;脉冲电源主回路采用全桥二次逆变拓扑结构,对于不同工作频率都有很强的适应性。一次逆变采用双PI调节方式,实现精确快速地功率输出控制,二次逆变控制采用ARM+CPLD结构,实现脉冲的频率,占空比等功能控制。双PI方式可以实现精细控制,同时又具有较高的实时性,对短路、过流等故障具有较强的保护能力。 控制软件是电源系统的核心,脉冲电源控制软件采用前后台+流水线的控制结构,将通信、MODBUS协议解析、电压信号的采集、电流信号的采集等任务放在流水线上,通过任务状态的查询,实现最短周期的调度。PI算法在前台实现,周期的更新PWM调节量。这种结构与传统的串行结构相比,具有更高的实时性、更合理的软件结构性和更高的CPU利用率。 高频变压器作为焊接系统的主要器件,其设计方法众多,本文采用有效面积Ae和磁链路长度Le作为控制参数,根据电磁理论,提出了新的设计方法,并对设计方法进行了详细推导。最后根据实验需求,依据文中设计方法对主功率变压器进行设计,在实验中变压器工作良好,证明了此方法的有效性。 在小电流条件下,通过脉冲TIG电弧电特性的测量与研究,发现平均电流相同的实验条件下,频率为2500Hz时输入功率出现最大值,此时平均电子密度最大,随频率的提高,使得脉冲电弧的脉动特性趋向直流特性。通过对脉冲电弧的基值、峰值以及上升沿的电特性分析,在脉冲由峰值电流跃变到基值电流后,电弧电压和动态电阻可由一个惯性环节描述;脉冲由基值电流跃迁到峰值电流,可由三阶系统描述。研究发现,电弧在基值时的状态对电弧的影响比较大,随电弧频率的提高增强。 最后,采用文中设计的脉冲TIG焊接电源对0.8+1.5mm不锈钢(0Cr18Ni9)薄板进行叠焊工艺实验,保护气分别用Ar、A_r+H_2(1%)、A_r+H_e(5%),实验结果表明,在A_r+H_2(1%)保护气氛围中,当脉冲频率为2500Hz时,脉冲TIG焊接方式能有效地降低工件热输入,减少工件焊接变形,使焊接质量显著提高。


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