● 摘要
超音频直流脉冲TIG焊电弧不仅具有高频压缩效应，同时又具备电弧超声作用。超音频直流脉冲TIG焊工艺能改善焊接熔池金属的流动性、细化焊缝晶粒、减少焊接缺陷、改善接头力学性能和质量。采用现代电力电子器件和新型控制技术研制出能输出超音频（≥20kHz）方波直流脉冲大电流的TIG焊机，对提高我国的工业制造水平具有重要的意义和工程应用前景。 由于焊接电流高达几百安培，要实现大电流超音频方波输出的关键是解决其电流脉冲的上升和下降的变化速率问题，且使电流变化速率di/dt≥50A/μs。为解决超音频脉冲电源的电流变化速率问题，主电路采用两套桥式逆变直流回路并联调制模式的新型拓扑结构。 逆变电路是构成超音频直流脉冲电源的基础，主变压器铁心偏磁饱和是影响逆变器可靠性的重要原因之一。为研究逆变电路的偏磁机理并为逆变器与控制电路的设计提供理论依据，建立主变压器磁通偏移的动态模型，分析了半桥式逆变电路因正负脉宽不一致等因素导致的磁平衡与磁不平衡过程。结合载波调制法和计数器法提出的双端PWM微处理器数字逻辑生成法可以灵活地使正负半周脉宽产生差异，为磁不平衡过程的分析提供了试验基础。通过开关管驱动脉宽差异试验，获得了半桥式逆变电路从磁平衡状态到出现磁密饱和过程的完整波形。试验发现偏磁饱和电流并不一定出现在导通脉宽大的一侧，利用所建立的动态模型对试验现象进行理论分析，所得分析结果与实际试验结果相符。基于原边电压或电流积分结合电子开关逻辑控制设计了一种主变压器偏磁状态检测电路，利用偏磁检测信号调制所生成的双端PWM信号使正负半周脉宽发生差异来抑制偏磁饱和。该抑制偏磁方法与传统的偏磁饱和关断保护相配合，保证了主电路安全可靠运行。 焊机主电路采用两套逆变直流回路并联调制模式，对电源数字化控制提出了更多的控制要求。利用两个TMS320LF2407A共享外部存储器构成双DSP并行电源控制系统，优化了系统的运算速度、采样速度和运算精度，相应地可以处理更多的控制输入和控制输出。采用GAL可编程逻辑扩展控制系统的PWM输出、I/O及保护信号输入，增强了系统的控制功能后定制能力，更能适用于多个功率变换电路组合的实际工程应用条件。应用该系统实现了上述两套逆变直流回路输出电流的并行采样和数字PID反馈控制算法的并行运算，也实现了焊机超音频直流脉冲输出的控制。 在所研制的双DSP并行电源控制系统中，成功采用双DSP分时协同控制10.4英寸大尺寸TFT液晶模块配合触摸屏来完成人机交互功能。该人机交互系统具有成本低、显示信息量大、响应速度快、改变人机交互内容和方式无需改变硬件结构等优点。 基于上述技术和理论分析研制成功了新型大功率超音频直流脉冲TIG焊机。不锈钢焊接适用性试验表明超音频直流脉冲TIG焊机所产生的电弧不仅具有电弧高频效应，而且电弧所具有的电弧超声作用能细化焊缝晶粒，提高焊接接头质量和性能。