特种氩弧焊机电源的实现

1 引 言
　　本文讨论的焊接电源是电弧焊机中的核心部分，是用来对焊接电弧提供电源的一种专用设备。现有的焊接电源存在引弧困难、电流控制精度低、电网电压波动大等问题。
　　众所周知，我国的工业电网采用三相四线制交流供电，频率为50Hz，相电压为220V，线电压为380V。而氩弧焊要求的电压一般大约为20V～40V，电流在几十至上千安。本文主要研究内容的难点是：对焊接电流能够精确控制，焊接时保持焊接电流平稳，电弧挺度好，要求焊接电弧可以在焊接电流为1A～100A时稳定燃烧；在焊接过程中，能一边焊接，一边记录焊接电流值、电压值；高频引弧时，屏蔽对计算机及外界的干扰。
2　硬件设计
2．1　系统体系结构
焊接电源系统的结构框图如图1所示。

　　图1中的引弧电源和焊接电源都是由主电源经过变压、整流、滤波后产生的直流电源。图中晶体管组由多个晶体管并联而成，并带有驱动电路。
　　焊接设备的各组成部分作用如下：引弧电源部分在焊接引弧时提供高压，方便了顺利地引弧，串联限流电阻R防止引弧电源在焊接回路中产生大电流，此外，二极管D防止引弧时电流反向流经焊接电流；焊接电源为焊接回路提供大电流；晶体管组部分用于控制焊接电流；继电器电路部分输出开关信号，如高频发生器的通短等；焊接电流采样电路部分对焊接电流进行采样，输出到反馈电路，进行电流控制。
　　焊接电压采样电路对电弧电压进行采样，然后将采样值直接输入到计算机进行数据处理。图1中的焊接电流取样元件与焊接电压取样元件均采用霍尔器件。这种器件采用霍尔原理进行工作，所检测的对象与得到的信号完全隔离。这样，可以避免焊接电路中的强干扰信号传递到控制系统。
　　图1中的控制电路是一个带有反馈的闭环控制系统。这个反馈系统的输入值由计算机的数据处理板的D／A给出。输入值与焊接电流取样值相减后放大，然后通过电阻电容组成的滞后网络，再行隔离、放大后输出给晶体管的基极，利用深度负反馈原理得到稳定的焊接电流。由自动控制原理可知，当系统的开环放大倍数足够大时，系统的输入与输出相等，故，焊接电流能以足够的精度跟踪计算机给出的焊接电流给定值。
　　图1中的继电器电路用于控制继电器开关动作、反馈电路、工业控制计算机，由于与本文无关，故免述。
2．2　高频引弧电源的实现
　　国内外在解决自动焊接设备的引弧问题上已经做过很多有益的工作，有以下四种方法较为典型：
　　第一种方法是采用高频引弧。引弧时，让钨极末端与焊接表面之间保持一定的小间隙，然后，接通高频振荡器脉冲引弧电路，使间隙击穿放电而引燃电弧。这种方法比较可靠，且可防止焊缝产生夹钨缺陷，只是必须对这一强干扰源进行隔离或屏蔽，以防止高频放电对控制系统或计算机系统造成干扰和破坏。
　　第二种方法不用高频，但仍采取非接触引弧的方法。具体的做法是，在引弧开始时，利用辅助热源先对钨极进行加热，提高钨极的热电子发射能力，这样，钨极在较低的空载电压下能引弧成功。这种引弧方法需要一套较为复杂的辅助机构，使焊枪的结构复杂，也使焊接设备复杂程度有所增加。
　　第三种方法为间接接触引弧方法，即，在工件与钨极之间插入一个辅助电极，使其间接接触短路，以达到接触引弧的目的。
　　第四种方法是高压脉冲引弧，在钨极与工件之间加一高压脉冲，使两极间气体介质电离而引弧。
　　本文选用一种新型的高频引弧器，不仅起弧容易，而且对外界干扰小。高频引弧电路原理图见图2。

　　图2中，T1称为中频升压变压器，L2与T2组成火花放电器，T2为高频耦合变压器。为了说明这种新型高频引弧器的工作原理，可将其分为两部分，以T1为界，其左半部为中频脉冲发生器，右半部分为高频脉冲发生器。
　　中频脉冲发生器的主要功能是将工频正弦电压变换成中频脉冲电压。整流桥输出的整流电压经过R1对电容C充电，当充电电压达到稳压管的击穿电压时，晶闸管Vt迅速导通，于是，已被充电的电容C将与中频生压变压器T1的原边电感L1发生电磁振荡。当流过Vt的正向振荡电流小于它的维持电流时，Vt关断。于是，在L1上形成一个完整的脉冲电压。这时，由于Vt关断，整流桥输出的整流电压再次通过R1对C充电，当充电电压再次达到稳压管的击穿电压时，Vt再次导通，于是，已再充电的C将再次与L1发生电磁振荡。同样，当流过Vt的正向振荡电流再次小于它的维持电流时，Vt再次关断。于是，在L1上又形成一个完整的脉冲电压。依此类推，这样的过程将不断地进行下去，于是，在L1上便得到了幅值为稳压管的击穿电压的中频脉冲电压，其频率和脉宽主要由稳压管的击穿电压、L1、C、R1等决定。
　　高频脉冲发生器的主要功能是在中频脉冲的作用下输出高频电压。由中频发生器产生的中频脉冲电压经中频升压变压器T1的升压，将通过高频耦合变压器T2的原边电感L2对电容Ck快速充电（因时间常数L2×C3很小），当充电电压达到火花放电器的放电电压（由火花放电器的电极材料和空气隙大小而定）时，便发生火花放电。火花放电器的空气隙接近电性短路状态。于是，已充电的Ck将通过火花间隙和L2发生能量交换，而在回路里形成高频的电磁振荡。再经T2耦合，即可输出高频高压，其频率主要由L2和Ck决定。
　　这种高频振荡器具有以下优点：中频升压器取代工频升压变压器，使其体积、重量、铜损、铁损均可显著下降，从而提高效率；电网电压波动对其影响小，引弧速度快，引弧可靠性高。
2．3　焊接电源的实现
　　由于弧焊电源的电气特性和结构不同于一般的电力电源，它的负载是电弧，弧焊电源必须适应电弧负载的特性，因此，弧焊电源需具备工艺适应性，应满足下列弧焊工艺对电源的要求：保证焊接规范；保证电弧稳定；具有足够宽的焊接规范调节范围。
　　本文采用模拟式晶体管脉冲弧焊电源。晶体管焊接电源是一种性能好、控制精度高、灵活性大的新型弧焊电源。在硅整流器的直流回路中串入大功率晶体管组，以便对电压、电流进行无级调节。
　　晶体管弧焊电源依靠大功率晶体管组、电子控制电路以及不同的闭环控制，可以获得需要的外特性、输出电压波形、输出电流波形。模拟式晶体管脉冲弧焊电源的电路原理图如图3所示。

　　模拟式晶体管脉冲弧焊电源主要由降压变压器T、整流器Z、晶体管组Trs、电容组C和电子控制电路等组成。单相或三相电压经降压和整流滤波后，借助大功率晶体管组Trs获得所需的外特性和电压、电流的无级调节，从而对电弧供电。电容组C除了滤波，更主要的作用是在脉冲电弧焊时保证三相电源负载均衡。
3　抗干扰及其可靠性的设计
　　在焊接操作过程中，会出现各种不同的严重干扰。为此，采用以下措施来提高本焊接电源系统的抗干扰性和可靠性：
　　（1）为了防止引弧电源的高频串入焊接电源损害其它电器和电子器件，接入高频旁路电容，可防止高频经箱体、地线击穿电子器件。另外，采用隔离变压器对高频振荡器供电，是防止干扰经电源串入控制电路的有效措施。
　　（2）采用屏蔽，对高频振荡器和电子器件加以屏蔽；同时，尽可能把高频火花放电间隙调节得小一些，以限制高频空间干扰强度。高频引弧器与焊接电路采用了并联的连接方法。
　　（3）由于焊接电流为一闭环控制系统，是一个离散系统，系统中既有开关量又有模拟量存在，在脉冲电流的前后沿的高次谐波具有较宽的频谱及射频干扰，再加上引弧时高频发生器产生的高频高压信号，对整个闭环系统无疑是一个强大的干扰。同时，因控制板上的IC基本上采用CMOS片，故，在线路中对高频的防护十分重要。采取的措施：在可能串入高频处，加抗干扰元件，如阻容吸收、光电隔离；控制线远离电抗器等漏磁较大的部件，而且不能与电流较大的电力线捆扎在一起；分流器的反馈信号线路等弱信号需绞和以减少差模干扰。
4　焊接试验及生产应用
　　焊接试验时，电弧的启动性能好，所要求的电弧可靠燃烧，在引弧处具有满意的焊缝成形和冶金质量，收弧时，电流按衰减方式下降，并在起弧和收弧处有一定的搭接。从而，在收弧处不易形成凹坑或缩孔，焊接的电流稳定，在焊接过程中不会发生抖动现象，因此，焊缝表面光滑，成形均匀。
　　本焊机经过大量的焊接试验和用户单位的验收，证明其技术指标均符合用户的要求。目前，该焊机已投入生产应用，取得了良好的经济效益。
5　结束语
　　本焊机的控制电路具有设计合理，结构简单，工作稳定可靠，成本低，抗干扰性能强等特点。
　　焊机在1A～100A稳定可靠地运行。在20Mpa氩气条件下，钨极与工件表面距离2mm时，引弧成功率极高；在1Mpa氩气条件下钨极与工件表面距离7mm时，引弧成功率也极高。实践证明：本设备可以满足焊接的严格要求，能焊接出质量合格，外观良好的焊件。