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淺談電弧焊機(jī)的焊接電源設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2012-12-12 責(zé)任編輯:Lynnjiao

【導(dǎo)讀】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。

本文討論的焊接電源是電弧焊機(jī)中的核心部分,是用來對(duì)焊接電弧提供電源的一種專用設(shè)備。現(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)大等問題。

硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

焊接電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖
圖1:焊接電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

圖1中的引弧電源和焊接電源都是由主電源經(jīng)過變壓、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),由于與本文無關(guān),故免述。

高頻引弧電源的實(shí)現(xiàn)

國內(nèi)外在解決自動(dòng)焊接設(shè)備的引弧問題上已經(jīng)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圖2。

高頻引弧電路原理圖
圖2 :高頻引弧電路原理圖

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。依此類推,這樣的過程將不斷地進(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很小),當(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?;鸹ǚ烹娖鞯目諝庀督咏娦远搪窢顟B(tài)。于是,已充電的Ck將通過火花間隙和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。

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的電路原理圖
圖3:模擬式晶體管脈沖弧焊電源的電路原理圖

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。

抗干擾及其可靠性的設(shè)計(jì)

在焊接操作過程中,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。

(2)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。

(3)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捆扎在一起;分流器的反饋信號(hào)線路等弱信號(hào)需絞和以減少差模干擾。

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)過大量的焊接試驗(yàn)和用戶單位的驗(yàn)收,證明其技術(shù)指標(biāo)均符合用戶的要求。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。

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。

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