特種氬弧焊機(jī)電源的實(shí)現(xiàn)

1 引 言
　　本文討論的焊接電源是電弧焊機(jī)中的核心部分，是用來(lái)對(duì)焊接電弧提供電源的一種專(zhuān)用設(shè)備?，F(xiàn)有的焊接電源存在引弧困難、電流控制精度低、電網(wǎng)電壓波動(dòng)大等問(wèn)題。
　　眾所周知，我國(guó)的工業(yè)電網(wǎng)采用三相四線(xiàn)制交流供電，頻率為50Hz，相電壓為220V，線(xiàn)電壓為380V。而氬弧焊要求的電壓一般大約為20V～40V，電流在幾十至上千安。本文主要研究?jī)?nèi)容的難點(diǎn)是：對(duì)焊接電流能夠精確控制，焊接時(shí)保持焊接電流平穩(wěn)，電弧挺度好，要求焊接電弧可以在焊接電流為1A～100A時(shí)穩(wěn)定燃燒；在焊接過(guò)程中，能一邊焊接，一邊記錄焊接電流值、電壓值；高頻引弧時(shí)，屏蔽對(duì)計(jì)算機(jī)及外界的干擾。
2　硬件設(shè)計(jì)
2．1　系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
焊接電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　圖1中的引弧電源和焊接電源都是由主電源經(jīng)過(guò)變壓、整流、濾波后產(chǎn)生的直流電源。圖中晶體管組由多個(gè)晶體管并聯(lián)而成，并帶有驅(qū)動(dòng)電路。
　　焊接設(shè)備的各組成部分作用如下：引弧電源部分在焊接引弧時(shí)提供高壓，方便了順利地引弧，串聯(lián)限流電阻R防止引弧電源在焊接回路中產(chǎn)生大電流，此外，二極管D防止引弧時(shí)電流反向流經(jīng)焊接電流；焊接電源為焊接回路提供大電流；晶體管組部分用于控制焊接電流；繼電器電路部分輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)，如高頻發(fā)生器的通短等；焊接電流采樣電路部分對(duì)焊接電流進(jìn)行采樣，輸出到反饋電路，進(jìn)行電流控制。
　　焊接電壓采樣電路對(duì)電弧電壓進(jìn)行采樣，然后將采樣值直接輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖1中的焊接電流取樣元件與焊接電壓取樣元件均采用霍爾器件。這種器件采用霍爾原理進(jìn)行工作，所檢測(cè)的對(duì)象與得到的信號(hào)完全隔離。這樣，可以避免焊接電路中的強(qiáng)干擾信號(hào)傳遞到控制系統(tǒng)。
　　圖1中的控制電路是一個(gè)帶有反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。這個(gè)反饋系統(tǒng)的輸入值由計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理板的D／A給出。輸入值與焊接電流取樣值相減后放大，然后通過(guò)電阻電容組成的滯后網(wǎng)絡(luò)，再行隔離、放大后輸出給晶體管的基極，利用深度負(fù)反饋原理得到穩(wěn)定的焊接電流。由自動(dòng)控制原理可知，當(dāng)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)足夠大時(shí)，系統(tǒng)的輸入與輸出相等，故，焊接電流能以足夠的精度跟蹤計(jì)算機(jī)給出的焊接電流給定值。
　　圖1中的繼電器電路用于控制繼電器開(kāi)關(guān)動(dòng)作、反饋電路、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，由于與本文無(wú)關(guān)，故免述。
2．2　高頻引弧電源的實(shí)現(xiàn)
　　國(guó)內(nèi)外在解決自動(dòng)焊接設(shè)備的引弧問(wèn)題上已經(jīng)做過(guò)很多有益的工作，有以下四種方法較為典型：
　　第一種方法是采用高頻引弧。引弧時(shí)，讓鎢極末端與焊接表面之間保持一定的小間隙，然后，接通高頻振蕩器脈沖引弧電路，使間隙擊穿放電而引燃電弧。這種方法比較可靠，且可防止焊縫產(chǎn)生夾鎢缺陷，只是必須對(duì)這一強(qiáng)干擾源進(jìn)行隔離或屏蔽，以防止高頻放電對(duì)控制系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)造成干擾和破壞。
　　第二種方法不用高頻，但仍采取非接觸引弧的方法。具體的做法是，在引弧開(kāi)始時(shí)，利用輔助熱源先對(duì)鎢極進(jìn)行加熱，提高鎢極的熱電子發(fā)射能力，這樣，鎢極在較低的空載電壓下能引弧成功。這種引弧方法需要一套較為復(fù)雜的輔助機(jī)構(gòu)，使焊槍的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也使焊接設(shè)備復(fù)雜程度有所增加。
　　第三種方法為間接接觸引弧方法，即，在工件與鎢極之間插入一個(gè)輔助電極，使其間接接觸短路，以達(dá)到接觸引弧的目的。
　　第四種方法是高壓脈沖引弧，在鎢極與工件之間加一高壓脈沖，使兩極間氣體介質(zhì)電離而引弧。
　　本文選用一種新型的高頻引弧器，不僅起弧容易，而且對(duì)外界干擾小。高頻引弧電路原理圖見(jiàn)圖2。

　　圖2中，T1稱(chēng)為中頻升壓變壓器，L2與T2組成火花放電器，T2為高頻耦合變壓器。為了說(shuō)明這種新型高頻引弧器的工作原理，可將其分為兩部分，以T1為界，其左半部為中頻脈沖發(fā)生器，右半部分為高頻脈沖發(fā)生器。
　　中頻脈沖發(fā)生器的主要功能是將工頻正弦電壓變換成中頻脈沖電壓。整流橋輸出的整流電壓經(jīng)過(guò)R1對(duì)電容C充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到穩(wěn)壓管的擊穿電壓時(shí)，晶閘管Vt迅速導(dǎo)通，于是，已被充電的電容C將與中頻生壓變壓器T1的原邊電感L1發(fā)生電磁振蕩。當(dāng)流過(guò)Vt的正向振蕩電流小于它的維持電流時(shí)，Vt關(guān)斷。于是，在L1上形成一個(gè)完整的脈沖電壓。這時(shí)，由于Vt關(guān)斷，整流橋輸出的整流電壓再次通過(guò)R1對(duì)C充電，當(dāng)充電電壓再次達(dá)到穩(wěn)壓管的擊穿電壓時(shí)，Vt再次導(dǎo)通，于是，已再充電的C將再次與L1發(fā)生電磁振蕩。同樣，當(dāng)流過(guò)Vt的正向振蕩電流再次小于它的維持電流時(shí)，Vt再次關(guān)斷。于是，在L1上又形成一個(gè)完整的脈沖電壓。依此類(lèi)推，這樣的過(guò)程將不斷地進(jìn)行下去，于是，在L1上便得到了幅值為穩(wěn)壓管的擊穿電壓的中頻脈沖電壓，其頻率和脈寬主要由穩(wěn)壓管的擊穿電壓、L1、C、R1等決定。
　　高頻脈沖發(fā)生器的主要功能是在中頻脈沖的作用下輸出高頻電壓。由中頻發(fā)生器產(chǎn)生的中頻脈沖電壓經(jīng)中頻升壓變壓器T1的升壓，將通過(guò)高頻耦合變壓器T2的原邊電感L2對(duì)電容Ck快速充電（因時(shí)間常數(shù)L2×C3很?。?dāng)充電電壓達(dá)到火花放電器的放電電壓（由火花放電器的電極材料和空氣隙大小而定）時(shí)，便發(fā)生火花放電。火花放電器的空氣隙接近電性短路狀態(tài)。于是，已充電的Ck將通過(guò)火花間隙和L2發(fā)生能量交換，而在回路里形成高頻的電磁振蕩。再經(jīng)T2耦合，即可輸出高頻高壓，其頻率主要由L2和Ck決定。
　　這種高頻振蕩器具有以下優(yōu)點(diǎn)：中頻升壓器取代工頻升壓變壓器，使其體積、重量、銅損、鐵損均可顯著下降，從而提高效率；電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)其影響小，引弧速度快，引弧可靠性高。
2．3　焊接電源的實(shí)現(xiàn)
　　由于弧焊電源的電氣特性和結(jié)構(gòu)不同于一般的電力電源，它的負(fù)載是電弧，弧焊電源必須適應(yīng)電弧負(fù)載的特性，因此，弧焊電源需具備工藝適應(yīng)性，應(yīng)滿(mǎn)足下列弧焊工藝對(duì)電源的要求：保證焊接規(guī)范；保證電弧穩(wěn)定；具有足夠?qū)挼暮附右?guī)范調(diào)節(jié)范圍。
　　本文采用模擬式晶體管脈沖弧焊電源。晶體管焊接電源是一種性能好、控制精度高、靈活性大的新型弧焊電源。在硅整流器的直流回路中串入大功率晶體管組，以便對(duì)電壓、電流進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。
　　晶體管弧焊電源依靠大功率晶體管組、電子控制電路以及不同的閉環(huán)控制，可以獲得需要的外特性、輸出電壓波形、輸出電流波形。模擬式晶體管脈沖弧焊電源的電路原理圖如圖3所示。

　　模擬式晶體管脈沖弧焊電源主要由降壓變壓器T、整流器Z、晶體管組Trs、電容組C和電子控制電路等組成。單相或三相電壓經(jīng)降壓和整流濾波后，借助大功率晶體管組Trs獲得所需的外特性和電壓、電流的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，從而對(duì)電弧供電。電容組C除了濾波，更主要的作用是在脈沖電弧焊時(shí)保證三相電源負(fù)載均衡。
3　抗干擾及其可靠性的設(shè)計(jì)
　　在焊接操作過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)各種不同的嚴(yán)重干擾。為此，采用以下措施來(lái)提高本焊接電源系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性：
　　（1）為了防止引弧電源的高頻串入焊接電源損害其它電器和電子器件，接入高頻旁路電容，可防止高頻經(jīng)箱體、地線(xiàn)擊穿電子器件。另外，采用隔離變壓器對(duì)高頻振蕩器供電，是防止干擾經(jīng)電源串入控制電路的有效措施。
　?。?）采用屏蔽，對(duì)高頻振蕩器和電子器件加以屏蔽；同時(shí)，盡可能把高頻火花放電間隙調(diào)節(jié)得小一些，以限制高頻空間干擾強(qiáng)度。高頻引弧器與焊接電路采用了并聯(lián)的連接方法。
　?。?）由于焊接電流為一閉環(huán)控制系統(tǒng)，是一個(gè)離散系統(tǒng)，系統(tǒng)中既有開(kāi)關(guān)量又有模擬量存在，在脈沖電流的前后沿的高次諧波具有較寬的頻譜及射頻干擾，再加上引弧時(shí)高頻發(fā)生器產(chǎn)生的高頻高壓信號(hào)，對(duì)整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)無(wú)疑是一個(gè)強(qiáng)大的干擾。同時(shí)，因控制板上的IC基本上采用CMOS片，故，在線(xiàn)路中對(duì)高頻的防護(hù)十分重要。采取的措施：在可能串入高頻處，加抗干擾元件，如阻容吸收、光電隔離；控制線(xiàn)遠(yuǎn)離電抗器等漏磁較大的部件，而且不能與電流較大的電力線(xiàn)捆扎在一起；分流器的反饋信號(hào)線(xiàn)路等弱信號(hào)需絞和以減少差模干擾。
4　焊接試驗(yàn)及生產(chǎn)應(yīng)用
　　焊接試驗(yàn)時(shí)，電弧的啟動(dòng)性能好，所要求的電弧可靠燃燒，在引弧處具有滿(mǎn)意的焊縫成形和冶金質(zhì)量，收弧時(shí)，電流按衰減方式下降，并在起弧和收弧處有一定的搭接。從而，在收弧處不易形成凹坑或縮孔，焊接的電流穩(wěn)定，在焊接過(guò)程中不會(huì)發(fā)生抖動(dòng)現(xiàn)象，因此，焊縫表面光滑，成形均勻。
　　本焊機(jī)經(jīng)過(guò)大量的焊接試驗(yàn)和用戶(hù)單位的驗(yàn)收，證明其技術(shù)指標(biāo)均符合用戶(hù)的要求。目前，該焊機(jī)已投入生產(chǎn)應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
5　結(jié)束語(yǔ)
　　本焊機(jī)的控制電路具有設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠，成本低，抗干擾性能強(qiáng)等特點(diǎn)。
　　焊機(jī)在1A～100A穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。在20Mpa氬氣條件下，鎢極與工件表面距離2mm時(shí)，引弧成功率極高；在1Mpa氬氣條件下鎢極與工件表面距離7mm時(shí)，引弧成功率也極高。實(shí)踐證明：本設(shè)備可以滿(mǎn)足焊接的嚴(yán)格要求，能焊接出質(zhì)量合格，外觀良好的焊件。