基于AVR单片机的粗丝气电立焊机弧长控制器研究

□罗云萌陕西铁路工程职业技术学院　陕西渭南　714000

基于AVR单片机的粗丝气电立焊机弧长控制器研究

□罗云萌
陕西铁路工程职业技术学院陕西渭南714000

目前气电立焊主要采用1.6 mm以下的细丝焊，应用于40 mm以下的中厚板焊接。在焊接40 mm以上的大厚板时，细丝气电立焊的焊接生产效率还不能满足实际生产的要求。通过对气电立焊焊接电弧弧长稳定性的研究，分析了气电立焊焊接过程，尤其是粗丝气电立焊弧长控制技术及原理，设计了一套以单片机Atmega128为控制核心的，由变速送丝垂降外特性电源焊接系统和变速小车爬行系统组成的组合式弧长控制系统。试验表明，该弧长控制系统抗干扰能力强、响应速度快，能够迅速对外界干扰引起的弧长变化进行精确的补偿控制，并能精确控制焊枪摆动，焊接质量好。

长期以来，立焊焊缝主要依赖焊条电弧焊，效率低，难以满足实际焊接生产的需要。自动气电立焊（EGW）是20世纪80年代初期由普通的熔化极气体保护焊和电渣焊发展而来的一种高效熔化极气体保护电弧焊方式，而强迫成形自动立焊气电技术是近几年发展起来的一种新的高效焊接技术［1］。

气电立焊广泛应用于造船、冶金高炉、重型机械和锅炉等行业，目前气电立焊主要采用1.6 mm以下的细丝焊，应用于40 mm以下的中厚板焊接。在焊接40 mm以上的大厚板时，细丝气电立焊的焊接生产效率还不能满足实际生产的要求。笔者以AVR单片机为控制核心，构建了由变速送丝垂降外特性焊接系统和变速小车爬行系统组成的粗丝气电立焊弧长控制系统，能基本满足实际生产中大厚板焊接的需求。

1　弧长控制系统分析

由于气电立焊本身的工艺特点，焊接时通常采用摆动焊接工艺，电弧在摆动过程中极易出现不稳定。坡口大小、间隙宽窄、熔池溢流等造成液面高度的变化会干扰电弧长度的稳定性，从而使焊接电流I和焊接电压U发生波动，进而影响焊接质量，此时就要依靠系统对电弧的自动调节能力来补偿电弧长度的变化量，以保证焊接过程的稳定性［2］。对于气电立焊控制系统的选择，既要保证焊接过程中弧长的稳定性与可调性，又要保证有好的焊接质量，只有这样才能说明该弧长控制系统是理想的。

对于直径大于2.5 mm的焊丝，焊接电流密度较小，依靠等速送丝配合平特性电源，电弧自调节作用随即减弱，弧长恢复时间过长，不能满足实际要求。若采用变速送丝方式与垂降外特性电源配合变速爬行小车控制系统，根据弧长变化规律：

式中：VS为送丝速度，mm/s；VL为熔池液面上升速度，mm/s；VM为焊丝熔化速度，mm/s；VP为小车爬行速度，mm/s；Δv为速度变化量，mm/s；Δh为弧长变化量，mm；t为弧长变化（t1-t2）所用时间，s；K为修正因数。

当弧长发生变化时，电弧电压变化较大，此时通过送丝速度和变化的小车速度所提供的补偿，可以保证弧长系统的稳定性。本控制系统的主要优点是在保证弧长系统稳定性的同时，提高了焊接过程的熔敷率，因此本控制系统主要应用于大厚板一次性焊接成型。

本控制系统中，送丝速度调节仅是微调，而起主要调节作用的是爬行小车行走控制系统，以AVR单片机为控制核心，以弧压反馈为控制信号调节爬行小车行走速度，保证焊接过程中弧长的稳定。

2　基于AVR-MCU的控制系统

根据生产实际要求及气电立焊弧长控制原理，设计了以AVR单片机为控制核心的自动气电立焊机弧长控制系统，其主控电路系统如图1所示，本控制系统具有以下功能和特点。

图1　AVR MCU系统框图

（1）能够实现内外停留时间、摆动速度和摆动幅度的精确控制；

（2）能够精确地实现焊枪自动焊缝对中调节；

（3）根据弧长变化，自动调节爬行小车行走速度，保证焊接弧长的稳定；

（4）具有计算、数据存储处理、程序控制［3］功能；

（5）可实现多路PWM波输出；

（6）内置A/D转换模块，无需外部转换电路；

（7）可靠性、稳定性较高。

根据基于AVR-MCU的自动气电立焊弧长控制系统的分析及要求，笔者编译了一套控制程序，其流程如图2所示。

图2　程序流程图

3　试验研究

3.1行走系统试验与分析

为实现电机的平稳行走，设计了直流电机电压负反馈和电流正反馈闭环反馈系统，并将反馈信号比较运算后经光耦隔离送入单片机，参与PI运算以决定输出PWM占空比的大小；同时保证弧长在发生变化时，爬行小车能及时而又准确地调整爬行速度以维持弧长的稳定性。本系统将焊接电压作为反馈信号，经光耦隔离后送入单片机，并与电机反馈信号进行运算后改变PWM占空比大小［4］，以调整爬行小车的行走速度来保证弧长系统的稳定性。

为验证爬行控制系统的性能，进行了调试试验，分别在弧长较短和弧长较长的情况下进行试验，图3为弧长较短时电机高速爬行时的驱动波形，此时爬行小车高速运行产生了一个VP，补偿了弧长的变化，保证了弧长的稳定性；图4为弧长较长时爬行小车低速行走的控制波形，此时爬行小车以低速运行产生一个VP'，能够补偿弧长的变化以保证弧长的稳定性。因此，本控制系统在焊接弧长发生变化时能够维持弧长的稳定性。

图3　高速爬升电机驱动波形

3.2摆动系统试验与分析

随着科学技术的发展，大型重要构件的焊接越来越多，仅仅依靠手工焊接难于满足焊接质量和焊接效率的要求，焊接自动化将成为焊接技术发展的必然趋势。当焊道较宽时，为了提高焊接质量，在大坡口对接或搭接的焊缝自动焊接过程中，焊机必须采用摆动结构，焊枪一边随焊道长度方向运动，一边在焊道宽度方向做一定频率的摆动。为了满足不同坡口形式焊缝的需要，摆动参数（摆速、摆幅、左右滞时）应能调整。

对摆动的要求：根据焊件的厚度调节摆幅增大或摆幅减少；前后停留时间的调节有利于铁水在焊缝坡口内的流动，焊缝前面宽，停留时间要长，后面窄，停留时间要短；焊枪摆动能够增加熔池液态金属的流动速度，改善熔池液态金属的流动状态，从而可增加对两侧母材传热量和熔深，提高焊接质量。

为满足焊接生产的需求，设计了以步进电机为执行元件的摆动驱动控制系统。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确控制摆动幅度；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。本系统能够精确实现在焊接过程中控制焊枪的摆动速度、摆动幅度和摆动内外停留时间。

在摆动电机运行过程中，对驱动波形进行测试，图5为摆动电机驱动波形，图6为摆动电机驱动波形的展开，驱动波形由4部分组成：摆幅、摆速和内、外停留时间，其中摆幅由给定脉冲个数决定，摆速由给定脉冲频率决定，内外停留时间由给定控制信号决定。因此，通过调节4个给定值可以精确实现焊枪的摆动轨迹调节。

4　结论

（1）以AVR-MCU为控制核心，采用由变速送丝垂降外特性焊接系统和变速小车爬行系统组成的粗丝气电立焊机弧长控制系统，采用PWM调制模式能精确控制爬行小车的变速运动，结合变速送丝控制系统，能够保证焊接过程弧长的稳定。

（2）以步进电机为核心的焊枪摆动电气控制系统，通过调整驱动脉冲的频率和个数，能够精确地控制摆动电机的摆速和摆幅，通过调节内外停留给定信号，能够精确实现焊枪前后的停留。

图4　低速爬升电机驱动波形

图5　摆动电机驱动波形

图6　摆动电机驱动波形的展开

［1］李景波，王刚，沙玉章，等.船体厚板高效气电立焊焊接技术的研究［J］.电焊机，2004（2）：14-15.

［2］李雪梅.大型储油罐纵缝气电立焊焊接工艺［J］.焊接技术，2006（5）：69-70.

［3］沈建良，赵文宏，贾玉坤，等.ATmega128单片机入门与提高［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2009.

［4］张立勋，沈锦华，路敦民，等.AVR单片机实现的直流电机PWM调速控制器［J］.机械与电子，2004（4）：29-32.

Currently gas-electric vertical welder mainly adopts fine wire with a diameter under 1.6 mm for welding of medium plate with a thickness under 40 mm.When welding the plate with a thickness over 40 mm，the welding productivity of gas-electric vertical welder with fine wire can not satisfy real production requirement. Through the examination of arc length stability provided by the gas-electric vertical welder，and the analyses of the welding processes of the gas-electric vertical welder，especially the control technique and theory of arc length in gas-electric vertical welder using thick wire，we have designed a welding system with additional features of variable wire feedrate&rappelling wire，and an arc length control system with variable speed cart crawling system combined.Both systems are mainly controlled by Atmega128 microcontroller.Tests demonstrate that the arc length control system has strong anti-interference ability and fast response.it can enable accurate compensate control against the changing arc length caused by external interference and provide precise control of the wobble ofthe weldingtorch toachieve fine weldingquality.

AVR单片机；气电立焊；弧长控制

AVR Microcontroller；Gas-electric VerticalWelder；Arc Length Control

TG434.5

A

1672-0555（2015）03-042-04

2015年4月

罗云萌（1987年-）男，硕士，主要从事焊接方面的技术和教学和科研工作