CN121017724A - 一种实现高频可编辑脉冲电流输出的焊接电源系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实现高频可编辑脉冲电流输出的焊接电源系统及方法，属于焊接电源领域，包括TIG焊枪、示波器、气体保护装置，TIG焊枪与高频波形编辑模块相连接，高频波形编辑模块与电感、FPGA控制板相连接，电感与多输出恒流源相连接，示波器通过电流钳与TIG焊枪相连接，气体保护装置通过气管与TIG焊枪相连接。本发明采用上述的一种实现高频可编辑脉冲电流输出的焊接电源系统及方法，采样三路切换电电路并联组成的高频波形编辑模块能够在维持电弧稳定燃烧的前提下提供更多的波形选择和更精确的电流输出，特殊的开关时序配合同步整流能够降低电路发热同时提高电流波形的精确度，能够精确控制热输入、优化电弧能量梯度分布、提升焊缝质量。

Description

一种实现高频可编辑脉冲电流输出的焊接电源系统及方法

技术领域

本发明涉及焊接电源领域，尤其是涉及一种实现高频可编辑脉冲电流输出的焊接电源系统及方法。

背景技术

航空发动机作为现代航空工业的核心动力装置，其关键部件需长期承受1000℃以上高温、高压及强氧化腐蚀的极端工况，易引发微裂纹、磨损等损伤。此类损伤若未及时修复，将导致叶片失效甚至引发灾难性事故，同时大幅增加运营维护成本。

当前，航空发动机叶片修复技术面临巨大的技术挑战。镍基合金在高温下易发生组织偏析、晶粒粗化及凝固裂纹，传统高能束修复虽能实现原位加工，但热输入控制精度不足，易导致热影响区过大，修复层性能难以匹配基材。现有高频脉冲TIG电源受限于开关频率与波形调控能力，无法满足超高频脉冲电弧收缩效应的需求，导致电弧能量响应滞后、热输入不均，加剧裂纹与偏析风险。此外，电源缺乏基于熔池实时状态的多参数协同优化机制，难以适应复杂裂纹的差异化修复需求。国内现有技术多集中于低频脉冲TIG工艺，在晶粒细化、缺陷抑制及修复效率上与国际技术仍存在显著差距。

近年来，高频脉冲电弧技术在材料加工领域展现出巨大潜力。实验研究表明，通过超高频脉冲电流可显著收缩电弧尺寸，细化晶粒至5~10μm，并有效抑制凝固裂纹。然而，现有电源架构与控制策略无法充分发挥高频脉冲的优势，亟需突破电源动态响应、波形可编辑性及多参数协同控制等关键技术，以实现航空发动机叶片修复的“控形-控性”一体化目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现高频可编辑脉冲电流输出的焊接电源系统及方法，该电源系统能够实时通过程序调整波形编辑电路开关时序输出所需电流波形，三路独立切换的设计可以在维持电弧稳定燃烧的同时输出最多6种不同的电流平台提高了电流波形编辑的自由度，后级以MOS管配合特定的开关时序代替肖特基二极管可在提高电流波形精度的同时大大降低电路发热，有效延长波形编辑电路的寿命和持续工作时间，进而精确控制热输入、优化电弧能量梯度分布、提升焊缝质量。

为实现上述目的，本发明提供了一种实现高频可编辑脉冲电流输出的焊接电源系统，系统包括TIG焊枪、高频波形编辑模块、电感、多输出恒流源、FPGA控制板、示波器、气体保护装置，所述TIG焊枪垂直设置在工件上方，所述工件设置在滑台上，所述TIG焊枪与高频波形编辑模块相连接，所述高频波形编辑模块与电感相连接，所述电感与多输出恒流源相连接，所述高频波形编辑模块还与FPGA控制板相连接，所述示波器通过电流钳与TIG焊枪相连接，所述气体保护装置通过气管与TIG焊枪相连接。

优选的，所述多输出恒流源有三路输出，所述多输出恒流源的正极通过电感与高频波形编辑模块相连接，所述多输出恒流源的负极通过电缆与高频波形编辑模块相连接。

优选的，所述高频波形编辑模块的正极通过导线与工件相连接，所述高频波形编辑模块的负极通过导线与TIG焊枪相连接。

优选的，所述系统还包括滑台控制仪、上位机、高速摄像机，所述滑台控制仪通过导线与滑台相连接，所述高频波形编辑模块、多输出恒流源、高速摄像机均通过信号线与上位机相连接。

优选的，所述高频波形编辑模块包括切换单元，所述切换单元由左功率开关管、右功率开关管、二极管、切换单元电感，所述左功率开关管和右功率开关管均为N型mos管。

一种实现高频可编辑脉冲电流输出的焊接电源方法，包括以下步骤：

S1、对金属工件进行表面预处理，去除表层氧化物及杂质，并进行脱脂处理；

S2、将预处理后的金属工件定位至弧焊系统上，开启外部水冷却装置和弧焊系统电源装置，完成焊接准备；

S3、启动气体保护装置，设定多输出恒流源的电流参数；

S4、采用短路起弧方式激发电弧，待电弧稳定后，将高频波形编辑模块切换至高频可控方波模式；

S5、实时监测金属工件形貌特征，通过熔宽参数分析高频波形编辑模块对电弧影响效果，并依据熔深特征控制多输出恒流源输出，优化热输入参数。

因此，本发明采用上述的一种实现高频可编辑脉冲电流输出的焊接电源系统及方法，技术效果如下：

1、精准热力传输：多输出恒流源通过电感输出三路电流，经高频波形编辑模块生成高频变极性电流，采用TIG焊枪对工件实施精准热力传输。

2、合理的电路热设计：通过同步整流配合特定开关时序的方式大大降低了电路的发热，在提高电流精度的同时延长了电路的持续工作时间与使用寿命。

3、优化电弧能量梯度分布与熔池动态行为：调节多输出恒流源电流，精确匹配裂纹修复的热输入需求，优化电弧能量梯度分布与熔池动态行为，显著提升工件焊缝的晶粒细化程度与力学性能。

3、提升成形精度与组织均匀性：焊接电流的频率、相位及能量密度可根据裂纹形貌实时编辑，突破传统单电弧工艺热-力耦合控制局限，显著提升镍基合金裂纹修复的成形精度与组织均匀性。

附图说明

图1为本发明系统连接结构示意图；

图2为本发明系统模块连接示意图；

图3为本发明多输出恒流源、高频切换电路以及焊接组件之间的电路连接示意图；

图4为本发明图3所示电路图多种状态中的一种电流示意图。

附图标记

1、多输出恒流源；2、TIG焊枪；3、工件；4、滑台；5、电感；6、高频波形编辑模块；7、示波器；8、气体保护装置；9、FPGA控制板；10、滑台控制仪；11、上位机；12、高速摄像机。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

实施例一

如图1-图2所示，本发明提供了一种实现高频可编辑脉冲电流输出的焊接电源系统，包括TIG焊枪2、工件3、滑台4、多输出恒流源1、电感5、高频波形编辑模块6、示波器7、气体保护装置8、FPGA控制板9、滑台控制仪10、上位机11、高速摄像机12。TIG焊枪2垂直于工件3正上方，工件3安装在滑台4上，可随滑台4进行移动，滑台控制仪10通过导线与滑台4连接进而控制滑台4的移动，实现焊接位置的精确调整。

多输出恒流源1有三路输出，其中正极通过电感5分别与高频波形编辑模块6连接，负极则直接用电缆与高频波形编辑模块6连接，FPGA控制板9与高频波形编辑模块6连接从而进行控制，从高频波形编辑模块6的正极和负极引出导线分别与工件3和TIG焊枪2连接，示波器7通过电流钳与TIG焊枪2连接检测输出的电流波形，气体保护装置8通过气管给TIG焊枪2提供保护气，多输出恒流源1、高频波形编辑模块6和高速摄像机12通过信号线与上位机11连接。

该电源系统，通过FPGA控制板9调整流经TIG焊枪2的电流实现电弧能量梯度分布的主动调控。该系统采用高频脉冲电流协同控制熔池动态行为与热输入参数：通过高频波形编辑模块6调节电弧产生电磁压缩效应，生成微束化高能量电弧，精准控制熔滴温度及熔敷率，同步聚焦熔深以击穿氧化膜；利用高频脉冲产生的声搅拌作用，优化熔池流动路径并促进气体逸出，实现熔池温度场与热传导路径的动态调控。焊接电流的频率、相位及能量密度可根据裂纹形貌实时编辑，突破传统单电弧工艺热-力耦合控制局限，显著提升镍基合金裂纹修复的成形精度与组织均匀性。

电源系统中多输出恒流源1有三路输出，高频波形编辑模块6包括三个切换单元，切换单元由左功率开关管、右功率开关管、二极管、切换单元电感，左功率开关管和右功率开关管均为N型mos管。在第一个切换单元中，多输出恒流源1正极与切换单元电感连接，左功率开关管的第一极与切换单元电感的另一端连接，左功率开关管的第二极与多输出恒流源1负极连接，且左功率开关管的第二极与TIG焊枪2相连接，其中切换单元电感与二极管并联；右功率开关管的第一极与切换单元电感的另一端连接，右功率开关管的第二极与工件3相连接。其余两个切换单元电路与第一个切换单元连接方式相同，功率开关管的栅极切换驱动电路的输出端连接，用于向栅极输入PWM信号，并通过FPGA控制板9调控PWM输出波形，使得功率开关管根据PWM信号的有效电平实现导通。

高频波形编辑模块6和FPGA控制板9实现对多输出恒流源1的电流切换，其中该电路的切换频率可达100kHz，从而精确匹配裂纹修复的热输入需求，优化电弧能量梯度分布与熔池动态行为，实现对镍基合金的精准修复。

上位机11连接多输出恒流源1和高频波形编辑模块6分别进行通信，高速摄像机12实时捕捉焊接区域图像，将拍摄的图像传输给上位机11对焊缝的外貌特征进行分析，示波器7同步检测电流与电压参数。基于以上各个数据结果的分析去调整多输出恒流源1和高频波形编辑模块6从而对输出电流的进行优化，有效抑制熔池振荡与热裂纹倾向，确保不同厚度材料焊接过程中电弧稳定性与成形质量的同步提升。

如图3为多输出恒流源1、高频切换电路以及焊接组件之间的电路连接示意图，多输出恒流源1的正极与切换单元电感L₁连接，切换单元电感L₁与二极管Q₁并联，切换单元电感L₁的另一端与功率开关管S₁的第一极（漏极）连接，多输出恒流源1的负极与功率开关管S₁的第二极（源极）连接，功率开关管S₂的第一极（漏极）和功率开关管S₁的第一极（漏极）连接，功率开关管S₂的第二极（源极）与工件3连接，功率开关管S1的第二极与TIG焊枪2连接。功率开关管S2的第二极（源极）与工件3连接。

假设多输出恒流源1第一路输出的电流为I₁,第二路输出的电流为I₂，第三路输出的电流为I₃。在一个周期内，功率开关管S₁保持长关、功率开关管S₂保持常开，通过调节功率开关二极管S₃、S₄、S₅、S₆的开闭来实现不同波形的电流，同时为防止电流回流控制第二路功率开关管S₃与S₄开闭的时候有时间间隔，并且控制第三路功率开关管S₅与S₆开闭的时候有时间间隔，电弧负载上的电流输出波形有四种，即I₁、I₁+I₂、I₁+I₃、I₁+I₂+I₃，上述电流值的实现是通过控制功率开关管的导通与关断时间来决定的。图4展示了在一个周期T内脉冲波形的几种情况。

具体操作步骤为：启动气体保护装置8，为TIG焊枪2输入保护气体，通过调控上位机11从而调节多输出恒流源1起始电流为100A，设置高频波形编辑模块6变化频率为100kHz，开始送丝，开启焊接装置，通过观察高速摄像机12从而得知焊接过程中的焊接质量以及示波器7检测的电流和电压大小，从而调节多输出恒流源1以及高频波形编辑模块6的参数进而优化焊接质量。

一种实现高频可编辑脉冲电流输出的焊接电源方法，包括以下步骤：

S1、对金属工件进行表面预处理，去除表层氧化物及杂质，并进行脱脂处理；

S2、将预处理后的金属工件定位至弧焊系统上，开启外部水冷却装置和弧焊系统电源装置，完成焊接准备；

S3、启动气体保护装置，设定多输出恒流源的电流参数；

S4、采用短路起弧方式激发电弧，待电弧稳定后，将高频波形编辑模块切换至高频可控方波模式；

S5、实时监测金属工件形貌特征，通过熔宽参数分析高频波形编辑模块对电弧影响效果，并依据熔深特征控制多输出恒流源输出，优化热输入参数。

因此，本发明采用上述一种实现高频可编辑脉冲电流输出的焊接电源系统及方法，通过高频脉冲电流协同控制熔池动态行为与热输入参数，并且特殊的开关时序配合同步整流能够降低电路发热同时提高电流波形的精确度，实现了镍基合金叶片裂纹的高精度修复。修复后的焊缝晶粒细化程度高，力学性能优异，有效抑制了熔池振荡与热裂纹倾向，确保了不同厚度材料焊接过程中电弧稳定性与成形质量的同步提升。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种实现高频可编辑脉冲电流输出的焊接电源系统，其特征在于，系统包括TIG焊枪、高频波形编辑模块、电感、多输出恒流源、FPGA控制板、示波器、气体保护装置，所述TIG焊枪垂直设置在工件上方，所述工件设置在滑台上，所述TIG焊枪与高频波形编辑模块相连接，所述高频波形编辑模块与电感相连接，所述电感与多输出恒流源相连接，所述高频波形编辑模块还与FPGA控制板相连接，所述示波器通过电流钳与TIG焊枪相连接，所述气体保护装置通过气管与TIG焊枪相连接。

2.根据权利要求1所述的一种实现高频可编辑脉冲电流输出的焊接电源系统，其特征在于，所述多输出恒流源有三路输出，所述多输出恒流源的正极通过电感与高频波形编辑模块相连接，所述多输出恒流源的负极通过电缆与高频波形编辑模块相连接。

3.根据权利要求1所述的一种实现高频可编辑脉冲电流输出的焊接电源系统，其特征在于，所述高频波形编辑模块的正极通过导线与工件相连接，所述高频波形编辑模块的负极通过导线与TIG焊枪相连接。

4.根据权利要求1所述的一种实现高频可编辑脉冲电流输出的焊接电源系统，其特征在于，所述系统还包括滑台控制仪、上位机、高速摄像机，所述滑台控制仪通过导线与滑台相连接，所述高频波形编辑模块、多输出恒流源、高速摄像机均通过信号线与上位机相连接。

5.根据权利要求1所述的一种实现高频可编辑脉冲电流输出的焊接电源系统，其特征在于，所述高频波形编辑模块包括切换单元，所述切换单元由左功率开关管、右功率开关管、二极管、切换单元电感，所述左功率开关管和右功率开关管均为N型mos管。

6.一种实现高频可编辑脉冲电流输出的焊接电源方法，将权利要求1所述的一种实现高频可编辑脉冲电流输出的焊接电源系统应用到电源编辑电弧中，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对金属工件进行表面预处理，去除表层氧化物及杂质，并进行脱脂处理；

S2、将预处理后的金属工件定位至弧焊系统上，开启外部水冷却装置和弧焊系统电源装置，完成焊接准备；

S3、启动气体保护装置，设定多输出恒流源的电流参数；

S4、采用短路起弧方式激发电弧，待电弧稳定后，将高频波形编辑模块切换至高频可控方波模式；

S5、实时监测金属工件形貌特征，通过熔宽参数分析高频波形编辑模块对电弧影响效果，并依据熔深特征控制多输出恒流源输出，优化热输入参数。