FRONIUS数字化焊机TPS4000工艺及性能研究---李志刚

FRONIUS数字化焊机TPS4000工艺及性能研究
李志刚，丁书娜，石红信，朱锦洪
（河南科技大学河南洛阳471003）
摘要：奥地利FRONIUS生产的TPS4000焊机是一台数字化多功能逆变焊机，可实现多种焊接方法。

焊机的控制中心数字信号处理器（DSP）可对焊接过程进行实时检测并依据内置的专家系统程序对焊机的时序、电流、电压等参数进行优化输出[1]。

该焊机在控制方法、硬件实现以及工艺制定方面具有典型的研究意义。

本文对其专家系统参数进行提取，并对实验过程中电流、电压波形进行采集，分析不同工艺参数规范下焊接参数对焊接过程及焊缝成形的影响，有助于在应用过程中选择合适的焊接规范和焊机开发。

关键词： FRONIUS逆变焊机数字化一元化专家系统
Study on the performance of digital power supply for
welding of Fronius（TPS4000）
LI Zhi-gang, DING Shu-na，SHI Hong-xin, ZHU Jin-hong (School of Materials Science and Engineering, Henan
University of Science and Technology, Luoyang 471003) Abstract: The welding machine (TPS4000) produced by FRONIUS in Austria is a digital
multi-functional inverter welding machine; it can be used in a variety of welding methods. As the control center of the welder, DSP can conduct real-time detection and adjust the process of welding machine timing、current、voltage and other parameters based on the built-in expert system to optimize output. The welding power source obtains better dynamic characteristics and control effection, so the expert system parameters were extracted and the waveform of current、voltage were collected. Then the influence of welding parameters in different processing were analyzed, it’s useful to select the appropriate welding standards in application and the development of the welder.
Key words: invert welder, digital, Singularity, Expert System
引言：奥地利FRONIUS公司生产的TPS4000焊机为完全数字化的多功能逆变焊机，可实现MIG/MAG焊、脉冲MIG/MAG焊、CO2气体保护焊、TIG和SMAW焊。

该焊机以数字信号处理器DSP为控制核心,通过硬件和软件系统的协调运作 ,实现了焊机的焊接参数预设与实时显示、焊接时序控制、焊丝种类和直径选择、焊接参数一元化、焊接引弧和收弧、以及不同的焊接方法的数字化控制，尤其是其内置的专家系统是目前开发的为数不多的焊接专家系统之一，是包含了众多焊接专家和工程师的大量专门知识和经验的计算机程序系统，不同的母材、焊材的规格和材料具有相应的焊接程序[2,3]。

针对奥地利Fronius TPS4000全数字化焊机就CO2焊的焊接工艺特点，从反映焊机性能的引弧、收弧、波形控制等方面进行阐述，通过选择合适的焊接试件和焊丝材料，进行平板上堆焊焊缝焊道及上下坡焊试验，然后通过实测电压电流波形，分析其应用范围、熔滴过渡形式、判断焊接状态及控制性能，并对焊缝形状与轮廓进行测试,从而对规范参数预置做出评判；单独就从奥地利全数字化焊机面板上调出的其内存的80位焊接专家系统的焊接参数应用画图技术分别进行其数据分析，并结合其相应的焊缝进行分析。

结合实测波形记录其优化的焊接规范数据；
一、参数设置及相关原理
FRONIUS焊机面板设置如1所示：面板上有两个液晶屏，第一个可以显示焊角尺寸、板厚、焊接电流、送丝速度和用户定义；第二个可以显示弧长、电感、电压、焊接速度和工作任务号。

通过相应键可以实现点动送丝、试气、功能设置、焊丝直径选择、焊接材料选择、焊枪操作方式选择、焊接方法选择等功能。

面板布局如图1所示。

图1 Fronius焊机面板
专家系统与一元化自寻优：众所周知 ,多功能焊机的规范参数多 ,调节麻烦 ,牵涉到焊接电流、电压、送丝速度、焊丝直径等多个参数的选择调节。

由于电压与电流的这一非线性耦合，想利用人工调节这两个参数使其达到最佳匹配是很困难的，在参数调节或配合不当时就会导致焊接飞溅大 ,成形差等问题。

因此该焊机在多位专家及工程师的经验总结的基础上研制开发焊接专家系统，实现了焊接电流、电压和送丝速度的一元化调节。

基于一元化功能的实现，使该焊机界面清晰、操作方便，
二、反映焊机性能的几个方面及其影响因素
1.引弧性能及影响因素
在数字化的自动焊接场合，起弧和收弧的好坏对焊接过程稳定工作和重复稳定工作有非常直接的影响。

起弧不好会在起弧点产生多次熄弧造成飞溅过大或者根本无法起弧，而收弧不好会在焊丝末端造成结球过大而使得下次引弧困难[4]。

其影响因素如下：
①焊接回路的短路电流增长速度：一般在短路电流增长速度足够高的条件下，引弧过程能保证在短时间内使焊丝端部优先熔断，电弧启动性好。

如果短路电流增长速度国小，则热量积累慢，可能使其它部位优于焊丝端部熔断，造成焊丝大段爆断，引起飞溅或阻塞导电嘴；
②焊丝端部形状：引弧时若把焊丝末端剪尖，使短路接触面积小，接触电阻增大，则容易在焊丝端部熔断。

反之，若焊丝端部呈圆球状，则短路时接触面积增大，电弧启动特性就变差。

2.燃弧短路过程分析[5]
气体保护焊短路过渡过程
图2 CO
2
短路过渡过程如图2所示：首先，在小电流、高电压起弧时，焊丝在电弧热和电阻热的共同作用下熔化形成熔滴；然后，熔滴逐渐长大，由于电弧向未熔化的焊丝所传递的热量减小，焊丝熔化速度降低，随着焊丝的送进，弧长逐渐变短，这导致焊接电流的增大和斑点力的增加。

当熔滴与熔池相接触时，电弧空间短路，电弧熄灭，电压信号由燃弧电压迅速降低到短路电压，短路电流开始按指数规律增长，它所引起的电磁收缩力强烈地压缩位于焊丝和熔池间的液态金属柱。

同时在表面张力作用下，液柱金属开始向熔池方向流动，形成称为“小桥”的缩颈。

该小桥连接着焊丝与熔池，随着短路电流的增长，小桥形成的后期短路电流达到峰值I max，使其由于过热气体而迅速爆断。

这时电弧电压很快恢复到再燃烧电压，电弧又重新燃烧，在燃弧过程中，电流逐渐减小，熔滴逐渐长大，直至与熔池接触，进入下一个“短路—燃弧”周期。

另外熔池也并非是平静的，电弧力的搅拌作用，小桥的爆断，电弧再引燃的冲击等等，都会使熔池表面不停地起伏震荡，从而导致电弧电压的波动。

三、实际波形及结果分析
1、引弧收弧波形
图3、图4为CO
半自动焊、两步操作方式起弧和收弧时的波形图。

其中2通道为电压
2
波形，通道3为电流波形，从图中可以看出，引弧时具有高的空载电压，在起弧瞬间电压由空载电压70V陡降至较低电压，同时焊接电流以较高的上升率升至 600A左右，使焊丝端部在短时间内聚集大量能量，在焊丝端面和焊件表面的之间的接触电阻来不及下降就已熔断。

从引弧开始到电弧建立，整个引弧过程柔和、稳定，没有出现爆断的现象，具有良好的引弧效果。

图3为收弧时当焊枪开关松开，但焊枪不离开工件仍保持焊接姿态所采集到的波形，总体上能量程逐渐减小趋势，保证最后熔化的焊丝能顺利过渡到熔池而非残留焊丝端部，影响下次引弧。

图3起弧波形图4收弧波形
2、燃弧短路过程分析
CO2 气体保护焊的短路过渡过程提供了丰富的电压、电流的动态信息, 并具有周期短、频率高、信号幅值变化剧烈等特点,，该实验采集了几种焊接规范下的波形图，因篇幅有限，现列举一例如下，图5为预设电流为107A,电压为19.6V时捕获的波形图，清晰的反映了短路过渡过程中电流电压波形关系，短路时刻，电流先以较大的斜率上升（a-b段），加速短路液桥的形成；然后再以稍低的斜率上升（b-c段）以使熔滴在熔池中稳定的铺展；c-d段电流迅速下降防止小桥爆断；d-e段提供一定的电流电压保证燃弧能量。

从图中我们可以得出电流上升率di/dt=50A/ms，短路过渡频率f tran=62.5S-1，燃弧时间t a=11ms，短路电流时间t
=4ms，短路电流上升率合适，过度频率高，燃弧短路比较大燃弧时间长能量大，焊缝成形s
好。

图5 I=107A,U=19.6V电流电压波形图及其对应焊缝
3.焊机工作频率
响应速度快：CO
焊短路过度频率为8～30ms，图6为时间单位设定为4.00μs时采集焊
2
机内部的工作波形，从该图可以看出波形周期T为14.4μs，所以该焊机的实际工作频率f 为69.44KHZ，与焊机的标定频率为70KHZ相符。

该焊机具有相当高的逆变频率，所以该焊机能够微妙级范围内对焊接过程做出实时检测和控制。

图6：焊机内部工作波形
4.内置专家系统举例
焊机内部的专家系统是焊接专家和工程师的经验和智慧的总结，对其进行分析研究具有实际的指导意义。

因此本实验对焊机内部专家系统参数进行了提取，并对电流、电压、送丝速度对应关系做出分析，为以后焊机程序开发提供技术参数，为实际生产工艺参数的制定提供依据。

图7为其部分数据对应关系图,在数据采集中，我们发现焊接电流、电压、送丝速度之间具有一一对应的关系，这证明了焊机一元化的实现，且在小电流、中电流、大电流阶段对应关系之间的比例不同，在预置参数时，若焊机规范选择不当（在该规范下，焊接效果不良），则焊机会提示操作者，从而有助于实际操作时参数的正确选择。

图7普通MIG/MAG焊电流、电压、送丝速度三者之间的关系
结论：a.该焊机使用DSP控制系统，具有较高的逆变频率，可以快速对电流电压做出响应；
b.控制方式灵活，针对CO
焊短路过渡的不同阶段分别予以不同的波形控制，有效的
2
减少飞溅，使熔滴过渡均匀，焊缝成形美观；
c.该焊机参数容易设定，具有参数预设与实时显示功能。

实现了一元化调节，为焊机一元化操作提供了基础，但内部参数对应关系有待优化。

d.该焊机在频率、引弧熄弧、过程控制、一元化、专家系统方面所采取的措施值得我们借鉴。

参考文献
[1]陈树君，曾华，殷树言．DSP控制的单位功率因数弧焊逆变电源．电焊机．2004，34(8)：1-5．
[2]刘嘉,卢振洋,殷树言等.电焊机的数字化[J].焊接学报,2002,23(2):88-92.
[3常云龙，程韬波，曾敏等．焊接电源实用技术[M]．北京：中国教育科学文化出版社,2003,194-223.
[4]田松亚，孙烨，吴东春．CO2气体保护焊飞溅控制的研究．电焊机．2006，36(8)：8-11．
[5]杨立军，李俊岳，李桓等.波控CO2短路过渡焊的电弧行为[J].焊接学报,2003,24(5):73-76.。