题目：超音频脉冲方波变极性TIG焊控制及应用研究

   由于铝合金材料具有热导率和氢溶解度高、易氧化等物理特性，采用传统变极性TIG焊接工艺对其进行焊接加工时，容易出现裂纹、气孔及热影响区软化等缺陷。作为铝合金焊接工艺优化的有效手段，高频脉冲电弧调制对金属的结晶过程和熔池中气体的逸出均有很好的作用效果。集超音频脉冲调制功能和变极性功能于一体的超音频脉冲方波变极性TIG焊接电源，因其可实现脉冲频率≥20kHz的复合脉冲调制变极性电流输出，且具备快速电流沿变化率(di/dt≥50A/μs)，在消除焊缝气孔缺陷、改善焊缝成形以及提高焊接接头性能等方面具有明显效果。解决目前超音频脉冲方波变极性TIG焊接电源中存在的制约其推广应用的问题，使其满足高质量自动焊接需要，对推动我国航空航天工业技术的发展有着重要意义。

   基于所采用的三级并行级联复合结构模式主电路，介绍了复合超音频脉冲方波变极性电流形成过程，并结合满足高质量自动焊接需要，对电源控制系统进行了功能需求分析。将DSP器件高速运算能力和单片机控制功能强的优势相结合，研制出由DSP+MCU构成的主从式双处理器数字化电源控制系统，并基于支持Modbus协议的触摸屏技术完成了具有抗干扰能力强的数字化人机交互系统设计。系统采用增量式数字PID反馈控制算法实现了具备恒流特性的直流电源输出，通过切换焊接模式和小电流引弧策略使高频引弧功能具备极高的一次引弧成功率。选用USB设备存储和更新焊接工艺参数，配合触摸屏人机交互手段实现工艺参数的自动给定，结合数字化电流给定和调节手段，实现了焊接过程的自动控制。

    在三级并行级联复合结构模式主电路中，为实现复合超音频脉冲方波变极性电流输出，对正反向脉冲切换电路和电流极性变换电路的协同控制策略进行了详细的分析。为提高输出电流极性变换速率和电流沿变化速率，采用共同导通策略控制全桥极性变换电路和正反向脉冲切换电路中所用功率开关管的导通状态。结合DSP器件便捷的PWM输出功能以及CPLD器件灵活的逻辑组合功能，提出了一种由DSP+CPLD产生PWM的实现方案，实现了具有快速电流沿变化速率且过零无死区的复合超音频脉冲变极性方波电流输出，并且可柔性化实现多种焊接模式。

    在分析焊接电弧输入功率影响因素的基础上，选定正极性电流持续期间平均电流为调节量，达到调节电弧输入功率的目的。为实现给定平均电流时其它电流特征参数的一元化调节协调匹配，通过高强铝合金电弧压力试验和焊缝成形试验，分析典型电流特征参数对电弧压力和焊缝成形的影响规律，从而得出使焊接电弧具备较强综合热-力作用效果的电流特征参数取值范围。基于该电流特征参数一元化调节协调匹配方案，进一步完善了复合超音频脉冲方波变极性TIG焊接工艺参数自动给定功能。

    基于上述控制方案成功研制了超音频脉冲方波TIG焊接平台，以高强铝合金材料为试验对象进一步开展自动焊接试验研究。对试验所得焊接接头进行焊缝成形和缺陷检验、显微组织以及力学性能检测，试验结果表明，超音频脉冲方波变极性TIG焊对消除气孔缺陷、细化晶粒以及提高焊接接头质量方面具有显著效果。