摘要：在分析CO2焊接过程控制特点的基础上，设计了恒流型IGBT逆变电源。在不同的熔滴过渡形式下，提出了弧长和短路频率智能模糊控制方案。试验证明，采用该技术有助于克服CO2焊接存在的不足，可以更好地实现电弧状态的控制。
关键词：逆变电源模糊控制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焊是一种重要的焊接方法，具有高效率、低成本的特点。传统的CO2焊接质量受到焊接电源和控制方法的局限，存在飞溅大、成型差和焊接参数需要调节等缺点。近年来，随着弧焊逆变器和微处理器技术等的进步，为提高焊接质量奠定了基础，开发了新的CO2焊接控制方法。目前已经出现了多种方案，但是其效果仍有局限，应用较为困难[1～3]。如何合理地设计CO2焊逆变器和发展控制技术，是目前面临的主要问题。本文对此进行了探讨，提出了技术方案，在电源恒流外特性控制基础上，采用了具有自学习能力的模糊控制，获得了较好的试验效果。
1简单恒压型CO2焊接电源的缺点
对于普通的CO2焊接，大都采用变压器抽头调节的平特性焊机，或恒压控制和晶闸管焊机，配合等速送丝系统进行焊接。虽然可获得一定的弧长自调节能力，但飞溅大、成型差，工艺效果不好。
分析其原因，这是与CO2焊接的物理过程有关。CO2焊接有自由过渡和短路过渡两种形式，且以短路过渡为常用。对于自由过渡，恒压型电源对焊丝的熔滴过渡具有较强的排斥作用，造成其偏向和飞溅，难于应用。对于短路过渡包括短路与燃弧两个状态，恒压型电源通过在主电路串入电感来限制短路电流和提高燃弧能量，但难以很好兼顾。
电弧负载经历着空载、短路和燃弧状态的变化，并且都是正常的工作状态。在短路时，对于电源和负载来说，必然要以控制电流为目标。而在燃弧时，对自动或半自动的CO2焊，需要更合适的弧长控制方法。短路过渡则希望有合适的短路过渡频率，以改善过程稳定性。显然，恒压型电源不符合熔滴过渡过程要求。
2恒流型逆变电源的特点
基于上述分析，本文采用恒流型技术方案，设计了CO2焊接逆变电源。该电源采用IGBT器件和单端正激电路，工作频率20kHz。电路原理如图1所示。电源具有恒流闭环控制系统和可控的电子电抗器特性，以满足CO2焊接过程的电流控制。通过输出状态判断，进行了变结构控制。当电源空载和轻载时，进行脉宽控制，以提高电源的可靠性。当短路时，焊接电流切换为峰值，保证重新燃弧；当弧长波动过大时，又切换为小电流维弧，在相对较大的送丝速度的作用下，恢复弧长。
当给定电流与送丝速度在一定范围时，电弧稳定而无短路过程，即自由过渡。当送丝速度较大时，将产生不断的燃弧、短路过程，即短路过渡。调节送丝速度，可得到不同的熔滴过渡形式，并改变电弧电压工作点和短路过渡频率。由于阶梯特性很强的门限控制和约束作用，具有一定的自适应特点。与平特性电源比较，避免了平特性对熔滴过渡的排斥作用，使电弧柔顺，飞溅小。电流和送丝速度独立调节，两者的配合可以控制电弧状态和焊缝成型。但是，这种方法仍存在明显不足：当送丝速度和焊枪高度波动时，效果不尽理想，表现在两方面，即自由过渡的电弧弧长变化，短路过渡时短路频率变化，从而影响过程稳定性和焊接质量。
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图1恒流型焊接逆变电源
（a）20A,100μs/格
（b）20A,5ms/格
图2输出电流动态过程
3智能模糊控制系统
为了解决恒流型电源的不足，引入微机控制和模糊控制技术。系统可相应地进行自由或短路不同控制方案。自由过渡的控制较为简单，其目标即维持合适的电弧电压来保证稳定弧长。短路过渡除了对短路过程的电流和燃弧电压控制外，还要进行短路频率控制。
图3中的低成本单片机系统可代替模拟电子电路的简单切换，即采用“微机＋模拟”的方式，实时调整焊接电流和动特性。该设计接口容易，简单可靠，具有更好的可控性。通过工艺试验，在不同的工作状态下，建立了开环条件下送丝速度与焊接电流的适用范围关系，以及与动态性关系。在此基础上，实施适智能控制方案。
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