特種氬弧焊機電源的實現

討論了一種用於氬弧焊機的電源系統。該系統解決了現有焊接電源存在的引弧困難、電流控制精度低等問題；電源隨工控機控制的給定焊接電流參數而變化，提高了設備的自動化程度，擴大了焊接參數的可調範圍，降低了焊接電流硬體的複雜程度。實踐證明，整個系統設計合理、操作方便，完全滿足焊接技術的要求。
關鍵詞：特種氬弧焊機，工控機，焊接電源

1 引 言
　　本文討論的焊接電源是電弧焊機中的核心部分，是用來對焊接電弧提供電源的一種專用設備。現有的焊接電源存在引弧困難、電流控制精度低、電網電壓波動大等問題。
　　眾所周知，我國的工業電網採用三相四線制交流供電，頻率為50Hz，相電壓為220V，線電壓為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。本文主要研究內容的難點是：對焊接電流能夠精確控制，焊接時保持焊接電流平穩，電弧挺度好，要求焊接電弧可以在焊接電流為1A～100A時穩定燃燒；在焊接過程中，能一邊焊接，一邊記錄焊接電流值、電壓值；高頻引弧時，屏蔽對計算機及外界的幹擾。
2　硬體設計
2．1　系統體系結構
焊接電源系統的結構框圖如圖1所示。

　　圖1中的引弧電源和焊接電源都是由主電源經過變壓、整流、濾波後產生的直流電源。圖中電晶體組由多個電晶體並聯而成，並帶有驅動電路。
　　焊接設備的各組成部分作用如下：引弧電源部分在焊接引弧時提供高壓，方便了順利地引弧，串聯限流電阻R防止引弧電源在焊接迴路中產生大電流，此外，二極體D防止引弧時電流反向流經焊接電流；焊接電源為焊接迴路提供大電流；電晶體組部分用於控制焊接電流；繼電器電路部分輸出開關信號，如高頻發生器的通短等；焊接電流採樣電路部分對焊接電流進行採樣，輸出到反饋電路，進行電流控制。
　　焊接電壓採樣電路對電弧電壓進行採樣，然後將採樣值直接輸入到計算機進行數據處理。圖1中的焊接電流取樣元件與焊接電壓取樣元件均採用霍爾器件。這種器件採用霍爾原理進行工作，所檢測的對象與得到的信號完全隔離。這樣，可以避免焊接電路中的強幹擾信號傳遞到控制系統。
　　圖1中的控制電路是一個帶有反饋的閉環控制系統。這個反饋系統的輸入值由計算機的數據處理板的D／A給出。輸入值與焊接電流取樣值相減後放大，然後通過電阻電容組成的滯後網絡，再行隔離、放大後輸出給電晶體的基極，利用深度負反饋原理得到穩定的焊接電流。由自動控制原理可知，當系統的開環放大倍數足夠大時，系統的輸入與輸出相等，故，焊接電流能以足夠的精度跟蹤計算機給出的焊接電流給定值。
　　圖1中的繼電器電路用於控制繼電器開關動作、反饋電路、工業控制計算機，由於與本文無關，故免述。
2．2　高頻引弧電源的實現
　　國內外在解決自動焊接設備的引弧問題上已經做過很多有益的工作，有以下四種方法較為典型：
　　第一種方法是採用高頻引弧。引弧時，讓鎢極末端與焊接表面之間保持一定的小間隙，然後，接通高頻振蕩器脈衝引弧電路，使間隙擊穿放電而引燃電弧。這種方法比較可靠，且可防止焊縫產生夾鎢缺陷，只是必須對這一強幹擾源進行隔離或屏蔽，以防止高頻放電對控制系統或計算機系統造成幹擾和破壞。
　　第二種方法不用高頻，但仍採取非接觸引弧的方法。具體的做法是，在引弧開始時，利用輔助熱源先對鎢極進行加熱，提高鎢極的熱電子發射能力，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複雜的輔助機構，使焊槍的結構複雜，也使焊接設備複雜程度有所增加。
　　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輔助電極，使其間接接觸短路，以達到接觸引弧的目的。
　　第四種方法是高壓脈衝引弧，在鎢極與工件之間加一高壓脈衝，使兩極間氣體介質電離而引弧。
　　本文選用一種新型的高頻引弧器，不僅起弧容易，而且對外界幹擾小。高頻引弧電路原理圖見圖2。

　　圖2中，T1稱為中頻升壓變壓器，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，其左半部為中頻脈衝發生器，右半部分為高頻脈衝發生器。
　　中頻脈衝發生器的主要功能是將工頻正弦電壓變換成中頻脈衝電壓。整流橋輸出的整流電壓經過R1對電容C充電，當充電電壓達到穩壓管的擊穿電壓時，晶閘管Vt迅速導通，於是，已被充電的電容C將與中頻生壓變壓器T1的原邊電感L1發生電磁振蕩。當流過Vt的正向振蕩電流小於它的維持電流時，Vt關斷。於是，在L1上形成一個完整的脈衝電壓。這時，由於Vt關斷，整流橋輸出的整流電壓再次通過R1對C充電，當充電電壓再次達到穩壓管的擊穿電壓時，Vt再次導通，於是，已再充電的C將再次與L1發生電磁振蕩。同樣，當流過Vt的正向振蕩電流再次小於它的維持電流時，Vt再次關斷。於是，在L1上又形成一個完整的脈衝電壓。依此類推，這樣的過程將不斷地進行下去，於是，在L1上便得到了幅值為穩壓管的擊穿電壓的中頻脈衝電壓，其頻率和脈寬主要由穩壓管的擊穿電壓、L1、C、R1等決定。
　　高頻脈衝發生器的主要功能是在中頻脈衝的作用下輸出高頻電壓。由中頻發生器產生的中頻脈衝電壓經中頻升壓變壓器T1的升壓，將通過高頻耦合變壓器T2的原邊電感L2對電容Ck快速充電（因時間常數L2×C3很小），當充電電壓達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，便發生火花放電。火花放電器的空氣隙接近電性短路狀態。於是，已充電的Ck將通過火花間隙和L2發生能量交換，而在迴路裡形成高頻的電磁振蕩。再經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點：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；電網電壓波動對其影響小，引弧速度快，引弧可靠性高。
2．3　焊接電源的實現
　　由於弧焊電源的電氣特性和結構不同於一般的電力電源，它的負載是電弧，弧焊電源必須適應電弧負載的特性，因此，弧焊電源需具備工藝適應性，應滿足下列弧焊工藝對電源的要求：保證焊接規範；保證電弧穩定；具有足夠寬的焊接規範調節範圍。
　　本文採用模擬式電晶體脈衝弧焊電源。電晶體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。在矽整流器的直流迴路中串入大功率電晶體組，以便對電壓、電流進行無級調節。
　　電晶體弧焊電源依靠大功率電晶體組、電子控制電路以及不同的閉環控制，可以獲得需要的外特性、輸出電壓波形、輸出電流波形。模擬式電晶體脈衝弧焊電源的電路原理圖如圖3所示。

　　模擬式電晶體脈衝弧焊電源主要由降壓變壓器T、整流器Z、電晶體組Trs、電容組C和電子控制電路等組成。單相或三相電壓經降壓和整流濾波後，藉助大功率電晶體組Trs獲得所需的外特性和電壓、電流的無級調節，從而對電弧供電。電容組C除了濾波，更主要的作用是在脈衝電弧焊時保證三相電源負載均衡。
3　抗幹擾及其可靠性的設計
　　在焊接操作過程中，會出現各種不同的嚴重幹擾。為此，採用以下措施來提高本焊接電源系統的抗幹擾性和可靠性：
　　（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，可防止高頻經箱體、地線擊穿電子器件。另外，採用隔離變壓器對高頻振蕩器供電，是防止幹擾經電源串入控制電路的有效措施。
　　（2）採用屏蔽，對高頻振蕩器和電子器件加以屏蔽；同時，儘可能把高頻火花放電間隙調節得小一些，以限制高頻空間幹擾強度。高頻引弧器與焊接電路採用了並聯的連接方法。
　　（3）由於焊接電流為一閉環控制系統，是一個離散系統，系統中既有開關量又有模擬量存在，在脈衝電流的前後沿的高次諧波具有較寬的頻譜及射頻幹擾，再加上引弧時高頻發生器產生的高頻高壓信號，對整個閉環系統無疑是一個強大的幹擾。同時，因控制板上的IC基本上採用CMOS片，故，在線路中對高頻的防護十分重要。採取的措施：在可能串入高頻處，加抗幹擾元件，如阻容吸收、光電隔離；控制線遠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綑紮在一起；分流器的反饋信號線路等弱信號需絞和以減少差模幹擾。
4　焊接試驗及生產應用
　　焊接試驗時，電弧的啟動性能好，所要求的電弧可靠燃燒，在引弧處具有滿意的焊縫成形和冶金質量，收弧時，電流按衰減方式下降，並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，焊接的電流穩定，在焊接過程中不會發生抖動現象，因此，焊縫表面光滑，成形均勻。
　　本焊機經過大量的焊接試驗和用戶單位的驗收，證明其技術指標均符合用戶的要求。目前，該焊機已投入生產應用，取得了良好的經濟效益。
5　結束語
　　本焊機的控制電路具有設計合理，結構簡單，工作穩定可靠，成本低，抗幹擾性能強等特點。
　　焊機在1A～100A穩定可靠地運行。在20Mpa氬氣條件下，鎢極與工件表面距離2mm時，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，引弧成功率也極高。實踐證明：本設備可以滿足焊接的嚴格要求，能焊接出質量合格，外觀良好的焊件。

1　中國機械工程學會焊接學會．焊接手冊第一卷，焊接方法及設備．北京：機械工業出版社，1992
2　鄭宜庭，黃石生．焊接電源．第3版．北京：機械工業出版社，1995