缝焊机焊接热量控制系统的研究

商建波　王永彬

【摘要】通过太阳能热水器内水箱制作过程中不锈钢薄板缝焊工艺的研究，设计了一种专用缝焊机控制系统，以单片机AT89C2051作为焊接能量的控制核心，采用交流电周期作为基准时间，控制可控硅电路的导通和截止时间，精确控制焊接热量。以数码管显示导通和截止时间参数，具有掉电记忆功能。该系统用于太阳能热水器水箱内胆不锈钢薄板缝焊机。

【关键词】太阳能热水器水箱焊接；焊接热量控制；周波控制；单片机

O 引言

随着人民生活水平的提高,太阳能热水器开始普及推广，年产销已经达到1000万台以上,在太阳能热水器的生产制造过程中,提高生产效率改进产品质量已经成为重要的问题。太阳能保温水箱内胆一般采用厚度0.31-0.5mm的SU-304不锈钢薄板制成,成型办法为电阻焊(缝焊)焊接成型或者咬口压制成型，少数企业采用TIG钨极气体保护焊和0.5-1.0mm厚度板材。根据钢材厚度,咬口压制适应于0.3-0.5mm厚度材料,TIG钨极气体保护焊适应于0.5-1.0mm厚度材料,电阻焊(缝焊)适应于0.2-1.0mm厚度材料。由于缝焊技术效率高、焊接发热量低、热影响区小，在焊材厚度为0.31-0.5mm时，缝焊具有明显优势。

现有的缝焊机都是通用设备,由阻焊变压器和电控系统构成,采用调节可控硅导通角控制平均焊接电流,间接控制焊接能量而焊接能量、焊核大小、熔深和焊核间隔、冷却时间等决定了焊接强度、热熔区结晶状态和裂纹倾向等质量因素基于上述情况,设计了一种单片机控制的周波控制器,它能设置可控硅电路的导通时间和截止时间,实现周波控制,达到最佳焊接质量。本设计可以置于原有的可控硅控制器前级，实现焊接周期时间的调节和焊接热量的再分配。在实际制作中，把周波控制和可控硅导通角控制制作在一块电路上。简化连线，增加了可靠性和通用性。

1 工作原理

整机由工频阻焊变压器、可控硅模块和电流调节控制三部分组成电路设计电路包括：电源部分、单片机及数显部分、可控硅触发控制三部分。

图1　整机电路图

1.1 电源电路

电源部分提供电路供电和交流同步信号。采用变压器降压和稳压电路。

1.2 单片机部分

图2　主程序流程图

单片机单片机采用AT89C2051．AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压高性能CMOS8位单片机，指令系统与MCS-51兼容，成本低，编程容易。在电子类产品中有广泛的应用。

按键及显示电路键盘采用独立式按键，4个按键占用单片机P1.4-P1.7四个I／O口。数码管显示采用三线制(TXD、RXD、GND)驱动，单片机通过串1：3方式0发送显示数据到串行移位寄存器74HC164，由74HC164转换成七段码点亮LED数码管。
存储读写电路为了使设置的工况参数参数掉电不丢失，不必每次都开机都重新设置，系统必须具有参数记忆保存功能采用铁电非易失性存储芯FM24C04，该芯片允许100万次擦写，可靠性高，数据可保持100年。

基准时间和同步电路基准时间决定了主电流回路的导通和截止时间，可控硅导通角控制部分需要和交流电同步，设计中用50Hz交流电半波(1Oms)作为基准时间。

使能控制设置直通功能。单刀开关s5闭合时，不调节周波比，不影响后级导通角调节：s5开路时，按周波比控制后级。

1.3 可控硅触发调节部分

可控硅触发调节采用了TCA785集成电路，通过调节电位器中点电位改变触发角度。当控制端TcA785-6脚低电位时无输出，可控硅不导通。

TCA785是德国西门子(Siemens)公司于1988年前后开发的第三代晶闸管单片移相触发集成电路，其引脚排列与TCA780、TCA780D和国产的KJ785完全相同，可以互换。主要特点是过零点检测准确，移相范围宽和较大的负载驱动能力(电流250mA)。由于性能指标好，通用性强，在变流行业中已广泛应用。

本部分属于通用电路，详细情况请参阅相关资料。

2 热量控制器软件设计

2.1 主程序设计

程序上电复位后进行输入输出口初始化操作，单片机内部寄存器的初始化，设置串口方式0，外中断0设置为下降沿触发，读取存储器中的预置参数，进入主循环，进行按键识别、状态检测、数码管显示刷新、外中断服务处理等操作。如下面图2所示。

2.2 按键和显示子程序

接口程序主要负责按键以及数码管显示按键采用软件滤波处理。数码管由串1:1驱动。串口工作在方式0。每当参数改变时．启动串口发送．并采用查询方式等待一个字节发送结束．每一次刷新连续送出四个字节，由4片级联的74HC164将串行数据转换为并行4位BCD码同时输出，以驱动4个共阳极数码管刷新显示。

2.3 参数设置存储读写子程序

存储读写子程序负责上电时读取上次掉电前设置的原始参数，当按键操作设置新的导通截止时间时，将新参数写入到存储器。

2.4 控制脉冲计数子程序(外中断0服务子程序)

10MS基准时间脉冲输入到单片机的外中断0端，每个时间脉冲的下降沿触发中断。在中断服务子程序中，进行脉冲数累加，当累加到设置的导通脉冲个数时。输出变为低电平导通状态。此时清零计数器．重新累加脉冲个数，当再累加到设置的截止时间所代表的脉冲个数时，输出变为高电平截止状态，此时再清零计数器，开始一个新的循环。

3 试验结果

本控制器在立项前充分考虑了系统的功能参数要求、使用环境、使用的便利性，有针对性地进行各子系统的细化设计，从输入输出隔离、电源滤波、单片机软件指令冗余等方面充分考虑了一系列抗干扰措施。因此样机制成后进行现场试验，各项功能指标均达到了预期要求，控制时间准确无误，脉冲输出精度较高，显示清晰稳定，参数记忆功能完善可靠，能根据焊接工艺要求设置焊接参数，实现了数字化、自动化焊接热量控制，获得了满意的使用效果。

4 结束语

本项目设计结合实际需求，考虑了各种实际情况，在电路上采用了一些措施，操作简单直观，现场使用方便。同时考虑了使用环境可能的干扰，对输入输出都做了隔离处理，为了防止干扰引起的显示紊乱，采用了动态刷新技术。对参数设置实行有效性判断，对超限数据进行处理，防止了可能引起的控制紊乱。通过高亮数码管直观显示各项参数，实现了数字化调节控制。

通过对焊接热量控制器的试制和研究，证明了通过准确控制焊接热量可以提高焊接产品质量，能有效提高太阳能热水器水箱的成品率。