脈沖焊工藝與設備第一頁，共八十九頁，2022年，8月28日主要內容MIG及脈沖MIG焊接方法概述典型的脈沖MIG控制方法概述脈沖MIG控制過程分析與方案論證電源技術分析與方案論證其它相關技術問題工作進度討論第二頁，共八十九頁，2022年，8月28日MIG焊方法簡述MIG焊是熔化極氣體保護焊（GMAW）的一種。在惰性氣體保護作用下，電弧產生在連續送進的可熔化金屬焊絲與焊接工件之間。保護氣體通常采用惰性氣體Ar氣或以Ar氣為主要成分的混合氣體（85%Ar+15%CO2）。第三頁，共八十九頁，2022年，8月28日MIG焊過程控制的基本原理電弧的伏安特性焊絲的熔化特性電源的伏安特性弧長的調節特性送絲速度=熔化速度第四頁，共八十九頁，2022年，8月28日MIG焊基本原理——熔滴過渡

焊絲在電弧的加熱作用下熔化后以一定的形式過渡到焊接熔池中的過程成為“熔滴過渡”，熔滴過渡方式與焊接規范參數有關。短路電流（A）電壓（U）射流短路顆粒顆粒射流第五頁，共八十九頁，2022年，8月28日脈沖MIG的優點

射流過渡是一種理想的熔滴過渡模式，但是需要在較大的電流（大于臨界電流）下才能實現，因此限制了應用范圍。脈沖MIG利用脈沖電流方式，可以在較低的平均電流（低熱輸入）實現穩定的射流過渡，因此具有以下優點：

1、有利于薄板焊接

2、有利于全位置焊接

3、有利于使用粗絲焊接（粗絲送絲穩定性高）第六頁，共八十九頁，2022年，8月28日脈沖MIG的關鍵技術與難點脈沖參數與送絲速度的匹配數字化技術解決的關鍵問題就是建立一個可以現場調用的數據庫，即某一種焊絲（材料、直徑），在一定的送絲速度下所對應的脈沖參數組合（峰值電流、基值電流、峰值時間、基值時間）脈沖模式下的弧長控制脈沖電流作用下的弧長也是波動的，如何保證弧長穩定，特別是在干伸長波動的條件下保證弧長穩定是脈沖MIG的主要控制難題第七頁，共八十九頁，2022年，8月28日脈沖MIG與數字化的關系脈沖MIG的技術發展依賴于數字化信息處理的發展，而不是僅僅依賴于數字化電源技術焊接領域中數字化技術應用的主要成就之一就是脈沖MIG的實用化脈沖MIG的實用化關鍵是用數字化技術解決了復雜的脈沖參數與送絲速度之間的數據存儲與調用（智能式控制）第八頁，共八十九頁，2022年，8月28日脈沖MIG的弧長調節方式I/I控制方式脈沖的峰值和基值都為電流模式U/I控制方式脈沖的峰值為電壓模式、基值為電流模式ACUU控制方式脈沖基值和峰值的初始為電流模式、之后轉為電壓模式第九頁，共八十九頁，2022年，8月28日弧長調節的重要性

熔化極電弧焊接的穩定性核心問題就是弧長的穩定。良好的脈沖焊控制系統應該能夠在焊絲干伸長較大幅度變化的條件下實現有效的弧長調節作用。焊絲干伸長變化的實況第十頁，共八十九頁，2022年，8月28日I/I控制模式基于改變恒流源給定的脈沖控制方式——傳統脈沖控制方式脈沖峰值的時間是固定的脈沖基值的時間是根據對一個脈沖周期內的電壓信號采樣平均值控制當弧長波動時，脈沖頻率將隨之波動由于是基于平均算法控制，所以對導電嘴到工件之間的距離控制的響應速度較低第十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日I/I控制模式典型波形設定量：Ip，Ib，Tp，Vset調節量：Tb控制方式：V/F焊絲干伸長較長焊絲干伸長較短第十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日U/I控制模式典型代表產品第十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日U/I控制模式的設置菜單典型代表產品第十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日ACUU控制方式Miller’sAccu-Pulse?PulsedMIGTechnologyTacklesExoticMetals,Provide15to20PercentImprovement,1YearPayback

第十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日典型脈沖參數參考-11.2mm4043鋁合金焊絲第十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日典型脈沖參數參考-21.2mm5356鋁合金焊絲第十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日鋁合金脈沖MIG焊接參數與熔滴過渡的關系如何實現一脈一滴的熔滴過渡？一脈一滴是由脈沖參數決定的：

(常數),也就是脈沖峰值電流與脈沖寬度的乘積為常數。n/11/11/n第十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日脈沖參數與弧長的關系第十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日脈沖MIG焊的熔滴過渡（鋁合金）第二十頁，共八十九頁，2022年，8月28日脈沖MIG焊鋁——雙絲焊I1I2熔滴過渡電流波形第二十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日脈沖MIG過程的深入分析數字化仿真技術焊接電弧模型化電源數字化模型MIG數字化模型第二十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日MIG焊系統系統描述WeldingPowerSourceVAWireFeederWeldingArcWireFeeder第二十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日MIG電弧模型從實際到抽象Lt-wLa+-ContactTipLeWorkPiece第二十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日MIG焊系統的模型化從實際到抽象LcLa+-ContactTipLeWorkPieceWFSVAUoLoRo第二十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日電弧電壓的分布CathodeArcColumnAnodeU－＋Uarc=Ucathode+Uarccolumn+Uanode第二十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日電弧伏安特性的數學描述Ui0RaLa+-ContactTipLeLdWorkPieceLt-wVoltAmpLinearizationpiecewiselinearity第二十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日電弧與電源的關系模型VoltAmpUps=UaUoIV-ACharacteristicoftheArcinGMAW

IntersectionUf

=k1+k2La+(k3La+k4Le)I第二十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日焊絲熔化速度模型

Le

=Lt-w–LaWMR=m1UdaI+m2Lek4I2第二十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日電弧弧長模型WMR——焊絲熔化速率；WFS——焊絲送絲速度。第三十頁，共八十九頁，2022年，8月28日MIG焊中個參數之間的基本關系電弧電壓電弧電流焊絲干伸長電弧長度焊絲熔化速率第三十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日脈沖MIG過程的控制技術要點在脈沖電流作用下，焊絲的熔化速度會變化，因此脈沖MIG弧長控制的基本要求——保持弧長動態穩定，即弧長La滿足：

0<La<Lt-w在焊接過程中動態調節焊接電流，動態地滿足：

WMR=WFS弧長的控制調節方式第三十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日I/I脈沖MIG電壓反饋積分電壓設定積分第三十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日U/I脈沖過程波形第三十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日ACCU脈沖過程波形第三十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日脈沖MIG過程的控制原理（仿真）仿真工具：LAbVIEW第三十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日U/I及ACCU的優點脈沖頻率固定脈沖頻率固定對于雙絲焊的協同控制是必要的，這也是CLOOS在雙絲焊接方面技術優勢的基礎。弧長控制算法簡單，利用了恒壓電源的自身調節作用雙絲脈沖MIG視頻資料第三十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日U/I及ACCU脈沖控制的關鍵技術對電源的要求：平特性與陡特性的在線快速轉換技術途徑：利用電源的復合外特性控制技術

第三十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日如何解決電源的CC/CV特性轉換了解電源外特性控制的基本原理分析現有產品的中實現方法從外特性變化到脈沖的關系第三十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日CC特性的實現一次電源都是恒壓源（CV）二次電源實現CC采用電流反饋所謂電流反饋的實質是根據負載變化引起電流變化的大小和方向調整輸出電壓R1R2V1V2IVI1I2第四十頁，共八十九頁，2022年，8月28日CV特性的實現電流內環+電壓外環是焊機中常用的CV方式采用電壓反饋控制電流反饋的給定電流內環條件下所謂電壓反饋的實質是根據負載變化引起電壓變化的大小和方向調整輸出電流R1R2V1V2IVI1I2第四十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日+HC-II系列電源外特性控制電路分析PI控制器電流反饋-PI控制器電壓給定+電壓給定電壓反饋-

輸出量第四十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日HC-II系列電源外特性曲線第四十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日HM系列電源外特性控制電路分析電壓反饋推力控制量電流反饋電流反饋電流給定電流給定輸出量推力給定推力限制第四十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日HM系列電源外特性曲線第四十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日電流內環+電壓外環控制電路第四十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日優化的電流內環+電壓外環控制電路電壓外環電流內環第四十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日電流內環+電壓外環控制系統的數學表達電流+電壓雙閉環控制系統傳遞函m——電壓反饋系數n——電流反饋系數

第四十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日CCPOWERV-ACharacteristic恒流電源外特性曲線第四十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日CVPOWERV-ACharacteristic恒壓電源外特性曲線第五十頁，共八十九頁，2022年，8月28日有最小電流限制的平特性電源

低壓輸出時的電源伏安特性第五十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日有最小電流限制的平特性電源

高壓輸出時的電源伏安特性第五十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日電壓/電流復合脈沖電路原理第五十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日改變電壓實現電流脈沖的原理Ip=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo（U=15+0.05I）第五十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日脈沖峰值時的電壓/電流復合作用-△I+△LIp=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo第五十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日脈沖基值時的電壓/電流復合作用+△I-△LIp=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo第五十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日電壓/電流復合脈沖工作原理+△I-△I-△L+△LIp=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo第五十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日脈沖MIG對送絲機的要求高精度，要求送絲速度與脈沖參數之間的精確匹配高響應速度，實現高質量的引弧和收弧的必要技術手段數字化的AC伺服電機已經成為高檔脈沖MIG的送絲驅動的首選電機因此目前認為：數字化焊機應該包括送絲機的數字化第五十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日初期實驗方案快速實現基本控制思想（電流/電壓復合控制）解決焊接參數的優化問題（脈沖參數與送絲速度的匹配）PCAD/DAI/O模擬電源AC伺服送絲機第五十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日產品技術方案框圖PC嵌入式控制器DSP控制電源AC伺服送絲機實現完整的嵌入式控制數字化脈沖MIG焊機第六十頁，共八十九頁，2022年，8月28日數字化電源框圖第六十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日數字化電源控制系統的基本算法變參數數字PI設計及程序框圖第六十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日數字焊接電源系統控制芯片（DSP+CPLD）選擇第六十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日數字化焊機操作面板幾種形式LED方式LCD方式傳統方式+上位機第六十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日Fronius

TPS系列控制面板——LED設置旋鈕顯示區材料選擇操作模式選擇第六十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日焊接條件記憶存儲功能（最大可存100條）焊接模式的選擇：用軟觸鍵設定焊接方法和焊絲直徑，簡便無誤。用發光二極管指示設定結果，一目了然。

顯示區功能鍵：軟觸鍵數字顯示操作面板可以便捷地設定所有焊接相關功能而無需對電源內部進行復雜設置。用同一旋鈕設定所有的焊接參數值，操作便捷電弧特性：可用電弧特性旋鈕自由調節電弧硬度，根據作業內容和個人習慣設定最佳電弧狀態。各種功能:備有初期電流設置、一元化電壓調整，恒熔深控制等功能，實現高質量的焊接。預留模式：通過安裝特殊軟件追加焊接模式后，可以實現特種材料的焊接。OTCDP400第六十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日LEDPanasonic350GR3、500GR3第六十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日HD-500LED第六十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日CLOOSLEDLCD第六十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日大屏幕的液晶顯示電腦化操作界面CLOOSLCD第七十頁，共八十九頁，2022年，8月28日LINCOLNPOWERWAVE455M/STT林肯焊機的操作面板很簡單，幾乎沒有數字化的概念，但是它提供與上位機的聯機功能和波形設計軟件。所以說：數字化不一定體現在外觀控制面板——傳統形式+上位機第七十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日上位機功能是發展方向第七十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日高頻逆變電源的實現60-100KHz的逆變電源在高檔逆變焊機中已經成為一種主流，這主要是因為控制對機器響應速度的要求單管技術的崛起支持了高頻化模塊化、組合式支持了大功率第七十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日雙單端組合的逆變電源目前實施中的ZX7-315主電路第七十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日關于交流伺服電機用于送絲機的問題交流伺服電機是目前性能最優異的電機之一，交流伺服電機的控制系統就是一個復雜的數字化控制器交流伺服電機目前主要用于數控運動系統，用于焊接送絲機不是可不可以的問題，只是是否經濟合算的問題一臺低檔交流伺服電機價格相當于一臺中檔的焊機，因此用于送絲在一般的韓集中是有些承受不起，但是在高檔焊機中，交流伺服電機已經開始應用主要是利用其高速的響應速度，快速停止，甚至反抽，是目前一些特殊焊接技術的必要支持第七十五頁，共八十九頁，2022年，8月28日例如：CMT工藝的特征AC交流伺服馬達在焊槍內非常迅捷改變送絲速度是實現CMT工藝的先決條件第七十六頁，共八十九頁，2022年，8月28日CMT過程示意圖t=0mst=4.59mst=6.21mst=7.56mst=11.34mst=13.23mst=13.77mst=14.31ms反抽焊絲是技術核心，交流伺服電機是個必需的第七十七頁，共八十九頁，2022年，8月28日例如：精確控制引弧過程的方法引弧視頻資料第七十八頁，共八十九頁，2022年，8月28日高性能的薄板低電流焊接問題目標定位于：2mm鋁板，50A有一定的技術難度，其難度主要表現在脈沖MIG不是解決此問題的最佳方式，因此與其說是難度，不如說是技術定位問題目前薄板焊接的技術前沿是：CMT，COLD-ARC等，其特點是控制短路過程（短路而無飛濺），而不是避免短路過程因此產品如果就是要定位于薄板低電流，那么應該調整到短路控制技術，而不是脈沖MIG第七十九頁，共八十九頁，2022年，8月28日CLOOS的冷焊技術交流脈沖MIG第八十頁，共八十九頁，2022年，8月28日工作進度安排——項目內容電源（功率模塊+控制模塊）焊接工藝試驗（參數數據庫建立）操作面板（數據庫的一元化使用及焊接時序）送絲機（使用交流伺服電機）焊接試驗工作臺（焊接參數數據庫建立必備）聯機調試第八十一頁，共八十九頁，2022年，8月28日電源電源功率模塊采用單管IGBT技術，設計工作頻率60-80KHz，200A模塊組合。工作時間第一階段樣機50工作日，第二階段完善改進30工作日，第三階段定性20工作日控制部分采用DSP或ARM，實現PWM的數字化控制。第一階段樣機60工作日（硬件30日、軟件30日），第二階段改進完善30工作日，第三階段定型20工作日考慮到部分可并行工作，以上兩部分合計180工作日（約八個月）第八十二頁，共八十九頁，2022年，8月28日焊接工藝試驗脈沖MIG參數的確定是一個大量焊接工藝試驗的結果，由于送絲速度與脈沖參數之間不是線性關系，一元化調節是通過建立在大量實驗數據基礎上的插值算法獲得，而插值算法的精度取決于數據量。如果按送絲速度每0.1米（一般在數字化焊機中的送絲速度的最低分辨率為0.1米）一個數據點，當送絲速度從2米到22米就需要有200個實驗數據支持，這樣的數據工作量太大。可以采用插值算法，以0.5米為一個數據點，這樣就可以將實驗數據量降低到原來的1/5。即使這樣，對于一種焊絲（直徑、材料）也要有40個點試驗數據才能獲得進行一元化調節插值計算所必要數據。而每個數據點要有至少4個參數（峰值電流、峰值時間、基值電流、基值時間或），假設有3種焊絲材料（鋼、不銹鋼、鋁），每種材料三個焊絲直徑（1.0、1.2、1.6），那么要求有3×３×4０＝360個實驗數據支持。根據最理想的實驗情況，獲得一個點數據平均需要1小時（不含輔助工作、設備故障因素和數據后處理工作），通常一天最多能完成4個數據點的工作，360個數據點意味著至少要90個工作日，實際上考慮到設備因素（由于是與電源部分不是成熟產品），至少要按100個工作日計算。第八十三頁，共八十九頁，2022年，8月28日比較完整的脈沖MIG焊接工藝參數內容第八十四頁，共八十九頁，2022年，8月28日焊機操作面板焊機操作面板的核心就是建立一個由送絲速度控制的“一元化”調節控制器，由于前述送絲速度與脈沖參數之間非線性的，至少要集成360個實驗數據點，而每個數據點中有至少4個數據，也就是說有一個上千個數據點的表格，這也就是為什么脈沖MIG一定要數字化的主要原因。換句話說：脈沖MIG焊機的電源可以不是數字化的，但是焊機的操作面板一定要數字化的。這部分的工作涉及到MCU硬件、軟件（也就是以前說的單片機）和界面設計三個方面的工作。界面設計可借用目前HD-500