【摘 要】
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埋弧焊因其焊接热输入量大且自动化程度高的优势,在中厚板长焊缝的焊接领域中得到了广泛的应用。为了提高焊接生产效率,埋弧焊接时通常会采用大电流、高速度的焊接工艺参数,但这不仅会增加电弧偏吹、焊缝咬边、热烈纹、焊缝气孔等焊接问题出现的概率,过大的焊接热输入量还会导致焊接接头出现晶粒粗化的现象,使得焊缝的力学性能下降。为解决这些问题,提出了一种交流脉冲埋弧焊接新方法,以融合交流方波焊和脉冲焊两者的优势,进
【基金项目】
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国家自然科学基金（51875212）; 广州市国际合作项目（2019070110006）
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埋弧焊因其焊接热输入量大且自动化程度高的优势,在中厚板长焊缝的焊接领域中得到了广泛的应用。为了提高焊接生产效率,埋弧焊接时通常会采用大电流、高速度的焊接工艺参数,但这不仅会增加电弧偏吹、焊缝咬边、热烈纹、焊缝气孔等焊接问题出现的概率,过大的焊接热输入量还会导致焊接接头出现晶粒粗化的现象,使得焊缝的力学性能下降。为解决这些问题,提出了一种交流脉冲埋弧焊接新方法,以融合交流方波焊和脉冲焊两者的优势,进一步提升埋弧焊的焊接效率和焊接质量。本文从交流脉冲埋弧焊工艺的实际需求出发,将大功率高频逆变技术和数字化控制技术相结合,研制了一台全数字化大功率交流脉冲埋弧焊接电源,主要研究要点在于:（1）根据埋弧焊的功率特点,设计了一种双路并联的大功率电路拓扑结构,结合双闭环数字均流技术,可在多种焊接模式下稳定均流输出,额定输出电流高达1250A;（2）为解决大功率交流输出时极性切换过慢的难题,在主电路次级加入了耦合电感,并结合二次逆变的临界直通策略,大幅缩短了交流过零点时间;（3）通过电气仿真和模态分析对主电路进行深入的拓扑优化,并对IGBT、功率变压器等核心元器件进行选型分析;（4）根据交流脉冲埋弧焊的功能需求以ARM Cotex-M4芯片为核心进行控制系统的外围电路开发和软件编写,其中包括焊接流程控制系统、输出信号采样处理系统、故障检测处理系统、焊接参数实时显示系统、CAN通讯系统等,并通过RTOS系统和NVIC中断协调各焊接任务的运行,保障系统的响应速度和工作稳定性;（5）针对交流脉冲波形复杂且变化频繁的特点,编写了一套交流脉冲波形控制程序,并提出了分离式增量PID控制算法、全桥逆变错相控制方法、峰值电流抑制策略三种控制优化方法,可进一步提升焊接电源的输出动特性,降低输出纹波,有效抑制交流脉冲输出时的电流超调、稳态误差和波形震荡。采用所开发的交流脉冲埋弧焊接电源搭建实验平台进行性能测试和工艺实验,相关结果表明:所研制的交流脉冲埋弧焊接电源有着优良的外特性、动特性和均流性能;焊接工艺实验时,在一定的低频交流频率和脉冲频率范围中,交流脉冲埋弧焊的焊缝熔深熔宽分别随着交流频率和脉冲频率的增加均呈现出先增大后减小的规律,并且交流脉冲埋弧焊相较于交流方波埋弧焊可更好地抑制焊缝咬边和气孔缺陷的发生。
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