一種新型WSE交流方波焊機(jī)維弧裝置的研制

鄧 想 公永建

（河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校材料工程系，河南新鄉(xiāng) 453003）

眾所周知，鋁及其合金在電弧焊接中常采用交流電源。傳統(tǒng)的交流正弦波電源過零速度慢，滅弧頻率高，所以現(xiàn)在越來越多地被交流方波電源所取代。交流方波可以解決大電流（200 A以上）下過零滅弧的問題。但使用交流方波TIG焊以小電流焊接鋁合金時(shí)，由于鋁合金熔點(diǎn)和沸點(diǎn)低，發(fā)射電子能力弱，在當(dāng)電極（鎢極）由負(fù)極性轉(zhuǎn)向正極性時(shí)，電弧復(fù)燃困難，仍需要增加維弧措施。文獻(xiàn)［1］提出了進(jìn)行過零維弧的3種方法，即高壓脈沖穩(wěn)弧、高頻穩(wěn)弧和交流矩形波穩(wěn)弧。從實(shí)際效果來看，第一種效果較好。文獻(xiàn)［2］披露了一種高壓脈沖穩(wěn)弧方法，即通過檢測(cè)電弧負(fù)載的電壓變化判斷電流過零點(diǎn)，再疊加一個(gè)高壓脈沖，幫助復(fù)燃電弧。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在對(duì)電弧情況誤判的現(xiàn)象，造成焊接電流不穩(wěn)定，焊接質(zhì)量不高。本文改進(jìn)了這種裝置，將電壓檢測(cè)改為電流檢測(cè)，同時(shí)輔以數(shù)字化控制，提高了其可靠性。

1 方波焊機(jī)維弧裝置組成及工作原理

1．1 維弧裝置組成

方波焊機(jī)裝置組成如圖1所示，其中，T．H為方波焊機(jī)主變壓器，其原邊接入全橋逆變器，稱為一次逆變;D3～D6組成橋式整流電路。T．L1與T．L2為共模濾波電感，其主要作用為平滑焊接電流，使焊縫細(xì)膩。T1、T2為電子開關(guān)，本文選型為半橋式IGBT模塊，T1與T2組成二次逆變器，在方波發(fā)生器（未示出）的驅(qū)動(dòng)下，輸出方波電流。D1、D2分別為T1、T2的體二極管，在其換流時(shí)相應(yīng)導(dǎo)通，起續(xù)流作用，又稱為續(xù)流二極管。T．S為放電變壓器，本文未涉及。Z為感性電弧負(fù)載。Z的XS1端為焊接工件，XS2端為氬弧焊槍。當(dāng)XS1端電壓為正，XS2端電壓為負(fù)時(shí)，稱之為正接性，反之則為反接性。

維弧裝置包括一個(gè)高電壓源Ust，快速功率開關(guān)器件Tst，本文選型為單管IGBT模塊。Tst的作用是，在電流過零瞬間，高電壓通過該開關(guān)疊加在電弧負(fù)載兩端。R1為維弧電阻，調(diào)節(jié)維弧電流。

1．2 維弧裝置驅(qū)動(dòng)電路

如圖2，控制器選用單片機(jī)AT89C55，驅(qū)動(dòng)光耦采用HCPL3120，為了防止驅(qū)動(dòng)電路意外過壓和欠壓，采用ZD1和ZD2反向串聯(lián)的方式，ZD1和ZD2均為穩(wěn)壓管。Rs為前級(jí)信號(hào)電阻，選擇合適的Rs值，使驅(qū)動(dòng)光耦的輸入二極管在安全區(qū)間運(yùn)行。Rg為門極驅(qū)動(dòng)電阻，選擇合適的Rs值，使IGBT管Tst快速開通和關(guān)斷。

當(dāng)控制器接到維弧中斷后，進(jìn)行抗干擾檢測(cè)，確認(rèn)信息后，通過I/O口發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。為了提高可靠性，采用低電平驅(qū)動(dòng)控制。光耦HCPL3120輸入電流達(dá)到10 mA后，其Out端連接VC，Tst的GE電壓達(dá)到閾值后，Tst導(dǎo)通，維弧電壓施加于XS1和XS3（圖1）兩端。維弧時(shí)間滿時(shí)，控制器發(fā)出高電平截止信號(hào)，光耦Out端連接VEE，提高關(guān)斷可靠性。

1．3 維弧裝置工作原理

（1）基本假定:假定電路中元器件均有理想特性;電路已處于穩(wěn)態(tài);圖3是維弧系統(tǒng)中維弧驅(qū)動(dòng)Ust和焊接電流iw在維弧過程中的波形。為了簡單，設(shè)穩(wěn)態(tài)下正向焊接電流和反向清理電流為恒值，且焊接電流的占空比恒定。圖中UT1和UT2分別為T1和T2開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，見圖1，并規(guī)定UT1＞0時(shí)，T1管開通;UT1=0 時(shí)，T1 管關(guān)斷;UT2，Ust作用與UT1類同。

（2）電路初態(tài)（圖3中時(shí)區(qū)A）:在t0時(shí)刻，T1管開通，T2管關(guān)閉，電路進(jìn)入正接性。電流迅速達(dá)到焊接電流并維持不變。維弧電路作用前，UT1=1，UT2=0，Ust=0。

（3）負(fù)正轉(zhuǎn)換期（圖3中時(shí)區(qū)B）:在t1時(shí)刻，設(shè)定電流減小至原電流的30%，施加維弧電流ist。維弧時(shí)間由控制器發(fā)出的驅(qū)動(dòng)脈沖決定。分兩個(gè)階段進(jìn)行:首先，維弧電流為正向，焊接電流為反向，疊加之后為正向，使得實(shí)際電流以更快的電流變化率換向，同時(shí)啟動(dòng)精密電流采樣判斷電路。當(dāng)焊接電流為零后，T2管開通，維弧電流保持為設(shè)定值。在t2時(shí)刻，電弧已經(jīng)重新引燃，撤去維弧電流。

（4）正向電流期（圖3中時(shí)區(qū)C）:維弧電流結(jié)束后，焊接電流iw已經(jīng)增長，其值增加到設(shè)定的焊接電流后，保持不變。

（5）正負(fù)轉(zhuǎn)換期（圖3中時(shí)區(qū)D）:在t3時(shí)刻，T1管開通，T2管關(guān)閉，此時(shí)的陰極為鎢極，發(fā)射電子能力比較強(qiáng)，電弧重燃容易［3］，沒有疊加維弧電流。為了防止電流過沖，設(shè)置了階梯電流，即首先電流上升至設(shè)定值的50%，即圖中的if，然后再上升至設(shè)定值。

在焊槍由負(fù)轉(zhuǎn)正之前，先給電弧施加一個(gè)比較大的電流脈沖，然后快速轉(zhuǎn)變極性。

2 試驗(yàn)及分析

試驗(yàn)設(shè)備采用某公司生產(chǎn)的WSE方波焊機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，保護(hù)氣體為Ar氣。試件是板厚為0.5 mm。1 mm和1.5 mm的鋁合金，電極采用釷鎢極，直徑分別為:1.5 mm、2 mm、2.5 mm，端部打磨處理。

試驗(yàn)結(jié)果及分析如下。

2．1 維弧電壓對(duì)焊接性能的影響

保持其他參數(shù)不變，通過取消和施加維弧電壓對(duì)比，考察維弧電壓對(duì)焊接性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。其中，圖4a為沒有附加任何維弧措施的情況下得到的電流波形，焊接電流為100 A，從圖中可以看出，焊接過程出現(xiàn)斷弧現(xiàn)象。圖4b為施加維弧電壓后得到的電流波形，焊接參數(shù)同圖4a，從圖中可以看出，焊接過程平穩(wěn)，未出現(xiàn)斷弧現(xiàn)象。因此，在小電流下，施加維弧電壓是有必要的。

2．2 維弧時(shí)間對(duì)焊接性能的影響

保持其他參數(shù)不變，通過改變維弧驅(qū)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間，考察維弧時(shí)間對(duì)焊接性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，隨著維弧時(shí)間的增加，焊接質(zhì)量得到改善，當(dāng)維弧時(shí)間超過150 μs時(shí)，焊接質(zhì)量開始變差。因此，維弧時(shí)間設(shè)定為150 μs是合適的。

2．3 維弧電流對(duì)焊接性能的影響

保持其他參數(shù)不變，通過改變維弧電阻R1（如圖1）的阻值，考察維弧電流對(duì)焊接性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，需要的維弧電流隨焊接電流的增大而減小，當(dāng)焊接電流大于140 A時(shí)，可以不施加維弧電流。另外還可以看出，在小電流焊接時(shí)，維弧電流的大小對(duì)焊接影響很大，變化較快，而隨著焊接電流的增大，這種影響逐漸減弱。

表1 維弧時(shí)間對(duì)焊接性能的影響

3 結(jié)語

針對(duì)交流方波焊機(jī)焊接電流的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了WSE方波焊機(jī)維弧裝置。該裝置基于維弧電流對(duì)交流方波焊機(jī)過零點(diǎn)的電流疊加，保持電弧穩(wěn)定燃燒。試驗(yàn)證明，在小電流情況下施加穩(wěn)弧電壓是必要的，維弧時(shí)間150 μs為宜，所需維弧電流隨焊接電流的增大而逐步減小，在小電流焊接下，維弧電流對(duì)焊接質(zhì)量影響顯著。經(jīng)過試驗(yàn)證明，該維弧裝置具有較高的適用性和可靠性。

［1］殷樹言．氣體保護(hù)焊工藝［M］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1989．

［2］殷樹言，黃繼強(qiáng)，陳樹啟，等．方波交流GTAW電弧再引燃機(jī)理的研究［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002，38（3）:16－18．

［3］林渭勛．現(xiàn)代電力電子技術(shù)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002．

［4］安藤弘平，長谷川光雄．焊接電弧現(xiàn)象（增補(bǔ)版）［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1985．