CO2焊是一种重要的焊接方法，具有高效率、低成本的特点。传统的CO2焊接质量受到焊接电源和控制方法的局限，存在飞溅大、成型差和焊接参数需要调节等缺点。近年来，随着弧焊逆变器和微处理器技术等的进步，为提高焊接质量奠定了基础，开发了新的CO2焊接控制方法。目前已经出现了多种方案，但是其效果仍有局限，应用较为困难[1～3]。如何合理地设计CO2焊逆变器和发展控制技术，是目前面临的主要问题。本文对此进行了探讨，提出了技术方案，在电源恒流外特性控制基础上，采用了具有自学习能力的模糊控制，获得了较好的试验效果。

1简单恒压型CO2焊接电源的缺点

    对于普通的CO2焊接，大都采用变压器抽头调节的平特性焊机，或恒压控制和晶闸管焊机，配合等速送丝系统进行焊接。虽然可获得一定的弧长自调节能力，但飞溅大、成型差，工艺效果不好。

    分析其原因，这是与CO2焊接的物理过程有关。CO2焊接有自由过渡和短路过渡两种形式，且以短路过渡为常用。对于自由过渡，恒压型电源对焊丝的熔滴过渡具有较强的排斥作用，造成其偏向和飞溅，难于应用。对于短路过渡包括短路与燃弧两个状态，恒压型电源通过在主电路串入电感来限制短路电流和提高燃弧能量，但难以很好兼顾。

    电弧负载经历着空载、短路和燃弧状态的变化，并且都是正常的工作状态。在短路时，对于电源和负载来说，必然要以控制电流为目标。而在燃弧时，对自动或半自动的CO2焊，需要更合适的弧长控制方法。短路过渡则希望有合适的短路过渡频率，以改善过程稳定性。显然，恒压型电源不符合熔滴过渡过程要求。

2恒流型逆变电源的特点

    基于上述分析，本文采用恒流型技术方案，设计了CO2焊接逆变电源。该电源采用IGBT器件和单端正激电路，工作频率20kHz。电路原理如图1所示。电源具有恒流闭环控制系统和可控的电子电抗器特性，以满足CO2焊接过程的电流控制。通过输出状态判断，进行了变结构控制。当电源空载和轻载时，进行脉宽控制，以提高电源的可靠性。当短路时，焊接电流切换为峰值，保证重新燃弧；当弧长波动过大时，又切换为小电流维弧，在相对较大的送丝速度的作用下，恢复弧长。

当给定电流与送丝速度在一定范围时，电弧稳定而无短路过程，即自由过渡。当送丝速度较大时，将产生不断的燃弧、短路过程，即短路过渡。调节送丝速度，可得到不同的熔滴过渡形式，并改变电弧电压工作点和短路过渡频率。由于阶梯特性很强的门限控制和约束作用，具有一定的自适应特点。与平特性电源比较，避免了平特性对熔滴过渡的排斥作用，使电弧柔顺，飞溅小。电流和送丝速度独立调节，两者的配合可以控制电弧状态和焊缝成型。但是，这种方法仍存在明显不足：当送丝速度和焊枪高度波动时，效果不尽理想，表现在两方面，即自由过渡的电弧弧长变化，短路过渡时短路频率变化，从而影响过程稳定性和焊接质量。

图1恒流型焊接逆变电源

（a）20A,100μs/格

（b）20A,5ms/格
图2输出电流动态过程

3智能模糊控制系统

　　为了解决恒流型电源的不足，引入微机控制和模糊控制技术。系统可相应地进行自由或短路不同控制方案。自由过渡的控制较为简单，其目标即维持合适的电弧电压来保证稳定弧长。短路过渡除了对短路过程的电流和燃弧电压控制外，还要进行短路频率控制。

图3中的低成本单片机系统可代替模拟电子电路的简单切换，即采用“微机＋模拟”的方式，实时调整焊接电流和动特性。该设计接口容易，简单可靠，具有更好的可控性。通过工艺试验，在不同的工作状态下，建立了开环条件下送丝速度与焊接电流的适用范围关系，以及与动态性关系。在此基础上，实施适智能控制方案。

图3微机控制焊接逆变电源

3．1自由过渡的弧长控制

　　根据开环试验粗选的焊接送丝速度与电流，系统在焊接中因扰动导致弧长不稳定，通过焊接电压反馈和模糊控制调节，控制器采用单片机构成和实现。

设燃弧电压偏差为E，燃弧电压偏差变化率为EC，焊接电流调整量为△I，选取其论域、模糊语言变量,按照正态分布确定隶属函数。燃弧电压偏差考虑了熔滴尺寸造成的波动，有助于克服电弧暴躁。根据经验确定规则，然后按照FUZZY推理合成规则计算出模糊关系矩阵，选用加权平均法解模糊，构成控制系统查询表。它实时处理速度快，反映了模糊控制并行处理、适应性强的特点。

E={NB、NM、MS、NO、PO、PS、PM、PB}

EC={NB、NM、NS、0、PS、PM、PB}

△I={NB、NM、NS、0、PS、PM、PB}

基本模糊器设计有主观性，要根据试验来确定，且不是唯一的，以达到较满意的控制效果为目标。由于电压的偏差考虑了瞬时熔滴过渡，是符合实际特点的。同时，软件设定了电压门限，当偏差过大时电流下降到维弧电流，当接近短路时则进行短路控制。

图4 弧长模糊控制原理

3．2短路过渡的过程控制

短路过渡的控制可分为两个层次，一是仅对短路过程本身的控制，二是通过短路频率控制保证稳定性。这里首先讨论短路过程控制。

短路过渡是短路和燃弧的交替过程。短路期间实际上是控制电流上升，燃弧期间才是控制弧长，即电弧电压控制。与传统控制方法相比，这是分时控制。短路期间的电流控制原理可根据电弧物理状态而进行，但实际上由于逆变器短路时间常数（L/Rsc）大，因此尚难得到理想效果。为了简化设计，采用了短路后电流不变，延时（1ms）后控制电流上升率。在燃弧期间，通过电弧电压反馈和模糊控制，调整电流来控制弧长，方案与上相同。

但是，由于焊接过程的随机性，仅对短路过程本身控制还不够。在给定的弧压控制下，扰动将引起短路频率变化。因此，还需引入短路过渡的频率控制。

3．3短路过渡的频率控制

以短路频率给定为目标，实际短路频率偏差E，偏差变化率EC，用单片机实现模糊控制器，控制量为燃弧电压给定值△U。然后，在上述弧压控制过程中，实现逆变器的电流调整。这是一种间接控制。考虑这一控制的低频特点，约0.25s进行一次修正，计算量较少。为了便于灵活调整，未采用固定的模糊控制表，而是采用了具有修正因子的控制器。

△Ug=αEi＋(1－α)ECi

其中0

这种方法不仅简单灵活，而且有明显的物理意义。它模仿了人工操作手动控制的思维特点，修正因子的大小表示对偏差和偏差变化率所加的权重。同时，反映了人工思维过程的连续性和瞬时单值性特点，而且可避免控制规则可能的不平滑性。修正因子的大小可通过多次试验和离线调整选择。

　　考虑到电弧过程的影响因素复杂和时变特点，上述完全根据试验建立的模糊控制系统应该引入一定的适应能力。当误差较大时，系统控制量应加大比例成分、减少微分分量以提高响应速度，即应取较大的α。否则相反。根据这一想法，在对修正因子有一定约束的条件下，采用线性插值的方法，调整控制因子。

α=[(αH－αL)Ei/m]＋αL

αH、αL分别为α的最大和最小取值，m为量化等级数。

可看出，该方法避免了复杂的计算过程，只需经过简单的比较及加减法即可，便于单片机实现。在上述公式中，通过实时修正控制因子，达到自学习目的。

3．4双旋钮自适应调节方式

在焊机面板上，设定两个电位器。一个为名义平均电流，设定送丝速度。另一个为名义平均电压，设置电弧状态，当自由过渡时是弧长（弧压），当短路过渡时是频率。其大小决定自由过渡或短路过渡焊接模式，从而选取不同的控制参数和策略方法。查表确定焊接电流初值，通过智能控制，调整焊接电流，实现对电弧和熔滴过渡的控制。

与普通CO2的一元化控制不同，该系统可由操作者选择，实现了电弧状态可控，而不是局限于某一状态，同时又实现了智能化的自适应控制。可称之为“双旋钮自适应调节”。

4试验结果

采用这种自行研制的IGBT逆变电源进行了CO2气体保护焊接，焊丝为直径0.8mm的H08Mn2Si覆铜焊丝，分别采用了200A拉丝焊枪和S86A推丝式送丝机进行焊接试验。

模糊控制的自由过渡，提高了弧长稳定性，同时电弧柔顺，焊接过程几乎无飞溅，成型良好。在平焊位置，具有最好效果。智能模糊控制的短路过渡，飞溅较自由过渡略有增加，但过程稳定。可控短路频率约80Hz。在较低频率，半自动焊能获得最佳效果，可以获得细密的焊缝而无粗大波纹。高频时焊缝熔深小、堆高大、需相应提高焊接速度。

如图6所示，为恒流CO2逆变电源的短路过渡电流波形，其中（a）、（b）分别为智能模糊控制前后的波形。

图5短路频率模糊控制

(a)

(b)
图6CO2逆变电源焊接电流波形

5结论

在分析了CO2焊接过程控制特点的基础上，设计了恒流型IGBT逆变电源，并进而提出了弧长和短路频率智能模糊控制方案。试验表明，采用该技术，有助于克服CO2焊接存在的飞溅大、成型差和参数调节问题，可以更好地实现电弧状态的控制。