CO2焊短路信號(hào)和縮頸信號(hào)的獲取

1、CO2焊短路信號(hào)和縮頸信號(hào)的獲取作者：河海大學(xué) 田松亞 龍火軍 匡方明摘要：采用光耦6N136對(duì)電弧電壓進(jìn)行隔離，得到了失真很小的弧壓信號(hào)，設(shè)計(jì)了短路檢測(cè)電路和縮頸檢測(cè)電路，并在縮頸檢測(cè)電路中加入削波電路，成功地消除了燃弧電壓對(duì)縮頸檢測(cè)電路的影響。通過(guò)實(shí)際焊接試驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的短路檢測(cè)電路和縮頸檢測(cè)電路是成功的。 關(guān)鍵詞：短路檢測(cè)；縮頸檢測(cè)；光耦隔離；微分電路 前言 CO2氣體保護(hù)焊常采用短路過(guò)渡形式，廣泛應(yīng)用于中、薄板鋼結(jié)構(gòu)的焊接和全位置焊接的場(chǎng)合。但CO2氣體保護(hù)焊由于其自身的特點(diǎn)，短路過(guò)渡過(guò)程中存在兩個(gè)缺點(diǎn)：一是飛濺較大；二是焊縫成形不理想。很多資料認(rèn)為飛濺產(chǎn)生的原因主要是由于短路初期

2、發(fā)生瞬時(shí)短路和短路末期液橋金屬發(fā)生汽化爆炸引起的。因此在對(duì)短路過(guò)渡過(guò)程的控制中，準(zhǔn)確檢測(cè)短路是否開(kāi)始或是否結(jié)束，即對(duì)短路初期和短路末期進(jìn)行檢測(cè)是至關(guān)重要的。文獻(xiàn)1中指出：檢測(cè)到短路信號(hào)后，減少焊接電流至10A并維持0.75ms；用du/dt信號(hào)檢測(cè)到短路末期夜橋縮頸后，減小電流至50A；目前，通過(guò)在短路的初期和末期減小焊接電源的輸出來(lái)控制飛濺已成為一種共識(shí)。 但是，CO2焊短路過(guò)渡過(guò)程的負(fù)載變化非常劇烈，存在一定的瞬態(tài)短路，同時(shí)弧壓信號(hào)中還存在著大量的毛刺，這些將對(duì)正常的短路檢測(cè)和縮頸檢測(cè)造成很大的影響。因此要將其加以濾除，以便及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)到短路信號(hào)和縮頸信號(hào)。 1 信號(hào)源的獲取 短路信號(hào)檢

3、測(cè)電路和縮頸信號(hào)檢測(cè)電路都是以弧壓為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而焊機(jī)輸出電路是主電路中的一部分，不宜直接作為信號(hào)源，必須隔離。設(shè)計(jì)選用線(xiàn)性度好、響應(yīng)速度快的光耦隔離器來(lái)獲取弧壓信號(hào)。所獲取的弧壓信號(hào)與焊機(jī)輸出電壓有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 圖1是使用光耦6N136測(cè)試的特性曲線(xiàn)。它的導(dǎo)通時(shí)間很短，只需幾納秒，完全滿(mǎn)足系統(tǒng)響應(yīng)速度要求十分苛刻的焊接控制系統(tǒng)。從圖中可以看出6N136具有很好的線(xiàn)性放大特性，其線(xiàn)性工作電流范圍比較寬，約為025mA。光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管的導(dǎo)通電壓為1.2V左右，光耦隔離電路如圖2所示。 圖2中，Ua是焊機(jī)輸出電壓。該電壓經(jīng)過(guò)由R5、C9組成的低通濾波回路濾波后送入光耦6N136（R5

4、、C9較?。?，經(jīng)過(guò)快速光耦隔離后的信號(hào)Uf作為短路檢測(cè)和縮頸檢測(cè)的信號(hào)源。光耦的輸出電壓范圍由給定電壓（本電路的給定電壓為+15V）、R7、R8確定。通過(guò)調(diào)整R5和R6的阻值可以改變輸入信號(hào)Ua的線(xiàn)性工作范圍，從而得到滿(mǎn)足要求的Uf。圖3是實(shí)際測(cè)的輸出電壓Ua和Uf波形!從中可以看出，Ua與Uf具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的失真，這說(shuō)明設(shè)計(jì)的隔離電路是成功的。 2 短路信號(hào)獲取 短路信號(hào)是通過(guò)對(duì)電弧電壓進(jìn)行檢測(cè)來(lái)獲得的。當(dāng)電弧電壓小于某值（約1315V）時(shí)，認(rèn)為處于短路狀態(tài)，否則是燃弧狀態(tài)。短路檢測(cè)電路要及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)到熔滴與熔池的接觸時(shí)刻。并具有一定的抗干擾能力，能消除瞬態(tài)短路對(duì)正常檢測(cè)

5、信號(hào)的影響，同時(shí)要求在一個(gè)短路過(guò)渡周期中只能出現(xiàn)的一個(gè)短路信號(hào)。根據(jù)這些要求設(shè)計(jì)的電路如圖4所示。 圖4中Uf是從圖2中得到的信號(hào)源，RP*12的作用是給定短路檢測(cè)電壓閥值。當(dāng)電弧電壓高于短路閥值電壓時(shí)，比較器U5B的7腳輸出高電平；當(dāng)電弧電壓低于短路閥值電壓時(shí)，輸出低電平，向CPU申請(qǐng)中斷。短路閥值電壓越高，越容易檢測(cè)到瞬態(tài)短路信號(hào)；相反，檢測(cè)到瞬態(tài)短路信號(hào)的可能性越小，但不可過(guò)低，過(guò)低有可能丟失正常短路信號(hào)。在此選取短路閥值電壓8.6V，圖5是實(shí)際焊接時(shí)檢測(cè)到的短路信號(hào)。 從圖5中可以看到設(shè)計(jì)的電路能夠及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)到短路信號(hào)，但并不能徹底地排除焊接過(guò)程中可能產(chǎn)生的瞬態(tài)短路對(duì)短路信號(hào)的干擾

6、。通常正常短路時(shí)間不小于1.5ms，為此還采用軟件對(duì)瞬態(tài)短路現(xiàn)象加以濾除。即在檢測(cè)到短路信號(hào)后，降低電源輸出，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，查詢(xún)U5B的7腳的輸出是否還為低電平。若是，則短路是正常短路，調(diào)用正常的短路波控子程序。否則為瞬態(tài)短路，調(diào)用燃弧控制子程序。 3 縮頸信號(hào)的獲取 短路后期，液橋被壓縮至很細(xì)的狀態(tài)，熔滴主要依靠表面張力的作用過(guò)渡到熔池中。液橋狀態(tài)的檢測(cè)主要依靠對(duì)縮頸處電阻變化狀態(tài)的檢測(cè)，一般采用電流一階微分法、電壓一階微分法或電壓二階微分法。在此采用電壓一階微分法，電路圖如圖6所示。 圖6中，Uf是從圖2中得到的信號(hào)源。從圖3中可以看到信號(hào)源Uf中含有燃弧和短路2個(gè)階段的信號(hào)，燃弧階段

7、的信號(hào)對(duì)于縮頸檢測(cè)電路來(lái)說(shuō)是多余的，并可能對(duì)縮頸檢測(cè)電路產(chǎn)生干擾，因此有必要將燃弧電壓去除，圖6中同相放大電路之前使用穩(wěn)壓二極管VS3起到削波作用，即將燃弧電壓濾除，只保留短路階段的電壓。另外，由于微分信號(hào)太弱。不能驅(qū)動(dòng)快速光耦6N137因此在微分電路之后加了兩極放大電路。當(dāng)縮頸時(shí)刻到來(lái)時(shí)，光耦6N137輸出低電平，并送至8031的P1_2。只有在正常短路時(shí)CPU才會(huì)查詢(xún)-P1_2的電平，并根據(jù)所查詢(xún)的結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的程序；發(fā)生瞬態(tài)短路時(shí)，雖然6N137也會(huì)產(chǎn)生縮頸信號(hào)，但在短路情況判別時(shí)已經(jīng)被剔除，因此CPU不會(huì)對(duì)其做出響應(yīng)。實(shí)際測(cè)得的縮頸信號(hào)波形如圖7所示。圖8是圖7中37.562.5ms的

8、局部放大圖。 液橋從縮頸開(kāi)始到破斷只有150s左右。從圖8可以看到縮頸信號(hào)在液橋破斷前的200300s檢測(cè)到。這對(duì)焊接電源動(dòng)態(tài)性能較差的焊機(jī)來(lái)說(shuō)，及時(shí)降低短路末期電流，減少飛濺是很有意義的。 4 結(jié)論 a. 焊機(jī)輸出電壓經(jīng)過(guò)快速光耦6N136隔離后，得到的信號(hào)與焊機(jī)輸出電壓具有很好的比例對(duì)應(yīng)關(guān)系，可作為短路檢測(cè)電路和縮頸檢測(cè)電路的信號(hào)源。 b. 對(duì)電弧電壓進(jìn)行一定的無(wú)源低通濾波后，能夠有效地消除弧壓信號(hào)中的毛刺對(duì)檢測(cè)電路的影響；同時(shí)選取適當(dāng)?shù)亩搪冯妷洪y值可以有效的消除短路過(guò)渡過(guò)程中可能產(chǎn)生的誤信號(hào)。 c. 對(duì)縮頸檢測(cè)電路的信號(hào)源進(jìn)行削波可以有效的消除燃弧電壓對(duì)縮頸檢測(cè)電路的影響；對(duì)一階電壓微分信號(hào)進(jìn)行必要的放大，可以及時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)到短路縮頸信號(hào)。 參考文獻(xiàn) 1EL