CO2焊接逆變電源及其智能模糊控制

摘要：在分析CO2焊接過程控制特點的基礎上，設計了恒流型IGBT逆變電源。在不同的熔滴過渡形式下，提出了弧長和短路頻率智能模糊控制方案。試驗證明，采用該技術有助于克服CO2焊接存在的不足，可以更好地實現電弧狀態的控制。

關鍵詞：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。傳統的CO2焊接質量受到焊接電源和控制方法的局限，存在飛濺大、成型差和焊接參數需要調節等缺點。近年來，隨著弧焊逆變器和微處理器技術等的進步，為提高焊接質量奠定了基礎，開發了新的CO2焊接控制方法。目前已經出現了多種方案，但是其效果仍有局限，應用較為困難[1～3]。如何合理地設計CO2焊逆變器和發展控制技術，是目前面臨的主要問題。本文對此進行了探討，提出了技術方案，在電源恒流外特性控制基礎上，采用了具有自學習能力的模糊控制，獲得了較好的試驗效果。

1簡單恒壓型CO2焊接電源的缺點

對于普通的CO2焊接，大都采用變壓器抽頭調節的平特性焊機，或恒壓控制和晶閘管焊機，配合等速送絲系統進行焊接。雖然可獲得一定的弧長自調節能力，但飛濺大、成型差，工藝效果不好。

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

電弧負載經歷著空載、短路和燃弧狀態的變化，并且都是正常的工作狀態。在短路時，對于電源和負載來說，必然要以控制電流為目標。而在燃弧時，對自動或半自動的CO2焊，需要更合適的弧長控制方法。短路過渡則希望有合適的短路過渡頻率，以改善過程穩定性。顯然，恒壓型電源不符合熔滴過渡過程要求。

2恒流型逆變電源的特點

基于上述分析，本文采用恒流型技術方案，設計了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。電源具有恒流閉環控制系統和可控的電子電抗器特性，以滿足CO2焊接過程的電流控制。通過輸出狀態判斷，進行了變結構控制。當電源空載和輕載時，進行脈寬控制，以提高電源的可靠性。當短路時，焊接電流切換為峰值，保證重新燃弧；當弧長波動過大時，又切換為小電流維弧，在相對較大的送絲速度的作用下，恢復弧長。

當給定電流與送絲速度在一定范圍時，電弧穩定而無短路過程，即自由過渡。當送絲速度較大時，將產生不斷的燃弧、短路過程，即短路過渡。調節送絲速度，可得到不同的熔滴過渡形式，并改變電弧電壓工作點和短路過渡頻率。由于階梯特性很強的門限控制和約束作用，具有一定的自適應特點。與平特性電源比較，避免了平特性對熔滴過渡的排斥作用，使電弧柔順，飛濺小。電流和送絲速度獨立調節，兩者的配合可以控制電弧狀態和焊縫成型。但是，這種方法仍存在明顯不足：當送絲速度和焊槍高度波動時，效果不盡理想，表現在兩方面，即自由過渡的電弧弧長變化，短路過渡時短路頻率變化，從而影響過程穩定性和焊接質量。

圖1恒流型焊接逆變電源

（a）20A,100μs/格

（b）20A,5ms/格
圖2輸出電流動態過程

3智能模糊控制系統

　　為了解決恒流型電源的不足，引入微機控制和模糊控制技術。系統可相應地進行自由或短路不同控制方案。自由過渡的控制較為簡單，其目標即維持合適的電弧電壓來保證穩定弧長。短路過渡除了對短路過程的電流和燃弧電壓控制外，還要進行短路頻率控制。

圖3中的低成本單片機系統可代替模擬電子電路的簡單切換，即采用“微機＋模擬”的方式，實時調整焊接電流和動特性。該設計接口容易，簡單可靠，具有更好的可控性。通過工藝試驗，在不同的工作狀態下，建立了開環條件下送絲速度與焊接電流的適用范圍關系，以及與動態性關系。在此基礎上，實施適智能控制方案。

圖3微機控制焊接逆變電源