高頻脈沖TIG焊電源

馬 淼，黃鵬飛，盧振洋

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

高頻脈沖TIG焊電源

馬 淼，黃鵬飛，盧振洋

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

采用兩套斬波電路輸出端并聯(lián)的方式，設(shè)計(jì)了一臺(tái)高頻直流脈沖TIG焊電源。該電源可以輸出不同頻率、不同占空比、具有陡峭上升沿和下降沿的脈沖電流，并且基值電流和峰值電流可以獨(dú)立調(diào)節(jié)。對(duì)比了常規(guī)直流TIG焊和高頻直流脈沖TIG焊電弧的挺直度，結(jié)果表明，在電流平均值相同的情況下，無(wú)論在高速焊接還是V型坡口焊接中，高頻電弧都具有良好的挺直度，焊接工藝性能明顯優(yōu)于普通直流TIG焊。

高頻脈沖；TIG焊；電弧挺直度

0 前言

TIG焊是一種優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能的焊接方法，幾乎可以焊接所有金屬，在航空、石油、化工和機(jī)械制造等部門(mén)被廣泛應(yīng)用[1]。但是在小電流直流TIG焊中，存在電弧挺度和指向性不好的問(wèn)題，這在V型坡口焊接時(shí)表現(xiàn)得尤為明顯。為了提高電弧的剛直性，趙家瑞教授首先采用了高頻脈沖TIG焊接工藝，在平均電流相同的情況下，高頻脈沖電弧比連續(xù)直流電弧的電磁收縮效應(yīng)增強(qiáng)，熔透性增加，電弧挺直度和能量密度有效提高，電弧特性得到很大改善[2]。但是，當(dāng)時(shí)受功率器件所限，該種工藝未能得到有效的推廣。為實(shí)現(xiàn)高頻脈沖電流的輸出，國(guó)內(nèi)外科研工作者做了大量研究。北京工業(yè)大學(xué)馬琳采用BUCK電路作為主電路，盡量減小回路的雜散電感，采用傳統(tǒng)的PWM控制方式輸出脈沖電流，最終獲得沖上升時(shí)間為300 μs，下降時(shí)間為400 μs的脈沖電流。該結(jié)果幾乎是傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源動(dòng)態(tài)相應(yīng)性能的極限，但是對(duì)提高脈沖電流的頻率作用有限[3]。張廣軍教授突破傳統(tǒng)方式，采用兩套直流電源，分別控制脈沖電流的基值和峰峰值。利用兩只IGBT交替導(dǎo)通的形式，實(shí)現(xiàn)高頻脈沖電流的輸出。該種電路可以獲得很高的脈沖電流上升速度和下降速度，但是電路控制部分相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜[4]。齊鉑金教授采用快恢復(fù)二極管取代其中的一只IGBT，對(duì)該電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，也取得了較好的結(jié)果[5]。但是由于脈沖電流的下降過(guò)程受限于由回路雜散電感所決定的時(shí)間常數(shù)，所以對(duì)電路空間結(jié)構(gòu)有較高的要求。

在此采用兩套斬波電路實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖基值電流和峰峰值電流的控制，避免了逆變電路存在的變壓器偏磁問(wèn)題，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。由于開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通和關(guān)斷的占空比可以任意調(diào)節(jié)，所以具有更高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。從并聯(lián)電源的工作原理入手，結(jié)合具體的工藝試驗(yàn)，分析了高頻脈沖電流對(duì)電弧挺直度的影響。

1 電源平臺(tái)

1.1 主電路工作原理

為了實(shí)現(xiàn)高頻脈沖電流的輸出，設(shè)計(jì)的焊接電源分為主電路和控制電路兩部分，電源的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電源主電路結(jié)構(gòu)

該電源由三相整流濾波電路、脈沖基值電流主電路、脈沖峰峰值電流主電路和脈沖電流切換電路等幾部分組成。脈沖基值主電路由IGBT開(kāi)關(guān)管IGBT1，續(xù)流二極管VD1和電感L1組成，其功能是產(chǎn)生脈沖電流的基值。脈沖峰峰值主電路由IGBT開(kāi)關(guān)管IGBT2，續(xù)流二極管VD2和電感L2組成，其功能是產(chǎn)生脈沖電流的峰峰值。脈沖電流切換電路由IGBT開(kāi)關(guān)管IGBT3、二極管VD3和尖峰電壓吸收保護(hù)電路組成，其功能是實(shí)現(xiàn)脈沖電流基值電流與峰值電流之間的切換。

當(dāng)開(kāi)關(guān)管IGBT3導(dǎo)通時(shí)，脈沖基值電流主電路輸出的恒流值流經(jīng)負(fù)載，脈沖峰峰值電流主電路的電流經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管IGBT3自身形成一個(gè)回路，電源輸出脈沖電流的基值。當(dāng)開(kāi)關(guān)管IGBT3關(guān)斷時(shí)，脈沖峰峰值電流主電路的恒流值通過(guò)二極管VD3與脈沖基值電流主電路的電流值疊加，電源輸出脈沖電流的峰值，電源輸出端脈沖電流的理想波形如圖2所示。

圖2 輸出端脈沖電流理想波形

由于脈沖電流的基值與峰值之間的切換不是通過(guò)調(diào)整占空比實(shí)現(xiàn)的，而是通過(guò)IGBT3的導(dǎo)通和關(guān)斷實(shí)現(xiàn)的，可以使脈沖基值電流和峰值電流相互切換時(shí)具有很陡的上升沿和下降沿，為高頻脈沖電流的輸出提供了必要準(zhǔn)備。

1.2 控制電路

控制電路采用dsPIC30F2020和dsPIC30F6011A兩款芯片。芯片dsPIC30F2020先通過(guò)AD采樣端口采集脈沖基值電流和脈沖峰峰值電流，與脈沖基值電流給定值和脈沖峰峰值電流給定值進(jìn)行比較，進(jìn)行PI運(yùn)算，將計(jì)算結(jié)果值以PWM形式輸出，最終實(shí)現(xiàn)兩套電路的恒流輸出。焊接電源實(shí)時(shí)檢測(cè)焊接過(guò)程中的電流信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到電流超過(guò)了限定值，脈沖基值電路限流保護(hù)電路和脈沖峰峰值電路限流保護(hù)電路起作用，拉低占空比，禁止對(duì)電源電流的輸出，以防對(duì)器件造成破壞，其控制框圖如圖3所示。

芯片dsPIC30F6011A與人機(jī)交互面板相連，可以實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)，也可以向dsPIC30F2020發(fā)送脈沖電流基值和峰峰值的給定值，實(shí)現(xiàn)焊接電源的恒流輸出，并且可以輸出PWM信號(hào)控制IGBT開(kāi)關(guān)管IGBT3的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)脈沖電流基值和峰值的快速切換。

通過(guò)整機(jī)調(diào)試，該電源能夠?qū)崿F(xiàn)以下指標(biāo)，脈沖基值電流0～200 A可調(diào)，脈沖峰值電流0～200 A可調(diào)，高頻脈沖頻率為1～20 kHz，高頻脈沖占空比0～ 100%。

1.3 開(kāi)關(guān)管吸收電路設(shè)計(jì)

功率開(kāi)關(guān)器件在工作過(guò)程中會(huì)承受電壓尖峰，如果尖峰電壓過(guò)高，可能會(huì)損壞開(kāi)關(guān)管。為此設(shè)計(jì)了RCD吸收電路，可以降低開(kāi)關(guān)管上的電壓尖峰。當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，通過(guò)二極管對(duì)電容C充電；當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電容C吸收的能量，通過(guò)電阻R釋放。由于電容可以吸收線路前端電感的能量，在一定范圍內(nèi)，吸收電容的電容值取值越大，開(kāi)關(guān)管的電壓尖峰也就越小。對(duì)于吸收電阻的阻值，根據(jù)公式進(jìn)行選取?；芈范O管選擇RHRG75120快恢復(fù)二極管，其耐壓值1 200 V，平均電流75 A，反向恢復(fù)時(shí)間100 ns，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖3 恒流控制框圖

2 實(shí)驗(yàn)方案

電弧挺直度是反映高頻脈沖電流電磁收縮效應(yīng)的一個(gè)重要指標(biāo)，電弧挺直度越好，可以有效抑制焊接過(guò)程中的磁偏吹現(xiàn)象。采用所設(shè)計(jì)的高頻脈沖TIG焊電源，脈沖占空比為50%，焊接試件采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，試件尺寸規(guī)格80 mm×40 mm，采用機(jī)械方法去除其表面鐵銹，氬氣流量為15 L/min，鎢極直徑為φ3.2 mm。為了測(cè)定電弧的挺直度，采用高速焊接及V型坡口焊接兩種方式，觀察電弧的挺直度，采用的焊接電流設(shè)置如下。

電流極性選擇直流正接，焊接電流平均值為100 A，焊接速度為1 m/min，對(duì)比連續(xù)直流TIG焊和高頻脈沖TIG焊的電弧挺直度，高頻脈沖TIG焊的脈沖占空比為50%，脈沖頻率為10 kHz。

電流極性選擇直流正接，焊接電流平均值為100 A，焊接采用V型坡口定點(diǎn)焊接，對(duì)比連續(xù)直流TIG焊和高頻脈沖TIG焊的電弧挺直度，高頻脈沖TIG焊的脈沖占空比為50%，脈沖頻率為10 kHz。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 焊接電流分析

當(dāng)脈沖頻率為10 kHz，基值電流為50 A，峰值電流為150 A，其他工藝參數(shù)如上所述，采用安捷倫示波器MSO-X 3024A采集焊接時(shí)的電流波形，圖4為脈沖電流為10 kHz時(shí)的電流波形，圖5為其展開(kāi)的電流波形。

圖4 脈沖頻率為10 kHz時(shí)電流波形

圖5 脈沖頻率為10 kHz時(shí)電流展開(kāi)波形

由圖4和圖5可知，脈沖電流從基值躍變到峰值時(shí)，電流變化率很快，可以達(dá)到30 A/μs，但是脈沖電流從峰值躍變到基值時(shí)，電流變化率比較慢。輸出脈沖電流的變化率與電容C2上的電壓值和輸出回路電纜線的等效電感有關(guān)。當(dāng)IGBT3關(guān)斷時(shí)，VD5導(dǎo)通，C2上的電壓加到輸出端，根據(jù)公式U=Ldi/dt，由于C2上的電壓值很高，所以輸出端的電流可以在很短的時(shí)間內(nèi)從基值躍變到峰值。在輸出電纜線等效電感相同的情況下，C2上的電壓不同電流的變化率也不同，如圖6、圖7所示。

當(dāng)脈沖電流從峰值躍變到基值時(shí)，此時(shí)IGBT3導(dǎo)通，由于輸出回路電纜線等效電感的影響，所以輸出脈沖電流峰值不能很快下降到基值，這樣就會(huì)導(dǎo)致下降沿的時(shí)間比較長(zhǎng)，輸出回路電纜線的等效電感越小，輸出脈沖電流的變化率越大。

圖6 C2兩端電壓值小輸出脈沖電流上升沿的變化

圖7 C2兩端電壓值大輸出脈沖電流上升沿的變化

3.2 開(kāi)關(guān)管IGBT3的電壓尖峰的分析

由于輸出電纜線等效電感的影響，當(dāng)開(kāi)關(guān)管IGBT3關(guān)斷時(shí)，會(huì)在其兩端產(chǎn)生電壓尖峰，輸出電纜線越長(zhǎng)，電壓尖峰值越高，由于開(kāi)關(guān)管的耐壓值是有限的，電壓尖峰過(guò)高可能會(huì)損壞開(kāi)關(guān)管。

為了降低IGBT3上尖峰電壓的值，可以采取兩種方式，一是降低輸出電纜線的長(zhǎng)度，輸出電纜線越短，其等效電感越小，可以降低IGBT3上的尖峰電壓。二是在脈沖電流切換電路中設(shè)計(jì)了尖峰電壓吸收電路，可以有效吸收電壓尖峰的值，并且把開(kāi)關(guān)管IGBT3上的電壓鉗位在一個(gè)安全范圍內(nèi)，降低電壓尖峰的值，保證開(kāi)關(guān)管正常工作。

3.3 電弧挺直度分析

高速焊接時(shí)，電弧形態(tài)如圖8所示，V型坡口焊接時(shí)，電弧形態(tài)如圖9所示。

圖8 高速焊接電弧形態(tài)

圖9 V型坡口電弧形態(tài)

由圖8可知，在高速焊接過(guò)程中，高頻脈沖電弧仍然具有良好的挺直度，與普通直流TIG焊相比，焊接速度高于普通直流TIG焊。由圖9可知，在V型坡口定點(diǎn)焊接中，高頻脈沖電弧的指向性好，挺直度高，電弧不會(huì)隨意地左右偏移。對(duì)于直流TIG焊來(lái)說(shuō)，電弧會(huì)出現(xiàn)明顯的偏移。對(duì)于T型接頭和角接接頭的焊接，高頻脈沖電弧的焊接效果要高于直流TIG焊。

這是由于脈沖電流躍變時(shí)，電弧的截面不能同步躍變，電弧形態(tài)受到拘束。隨著脈沖頻率的增加，電弧自磁壓縮力增大。根據(jù)電磁學(xué)理論，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，脈沖電流躍變中會(huì)產(chǎn)生自磁壓縮附加壓力，隨著脈沖頻率的增加，自磁壓縮附加壓力增大，可以提高電弧的挺直度[2]。

4 結(jié)論

（1）所研究的高頻脈沖TIG焊電源可實(shí)現(xiàn)脈沖基值電流、峰峰值電流、脈沖電流頻率和占空比相互獨(dú)立調(diào)節(jié)，脈沖電流上升沿電流變化率大于等于30A/μs。

（2）在高速焊接和V型坡口焊接時(shí)，高頻脈沖TIG焊電弧仍然具有良好的挺直度，可以提高焊接效率和焊接質(zhì)量。

[1]殷樹(shù)言.氣體保護(hù)焊工藝基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2]趙家瑞.電流脈沖頻率對(duì)TIG焊電弧影響機(jī)理的研究[J].電焊機(jī)，1993，23（2）：16-18.

[3]馬琳.基于BUCK電路的弧焊電源功率平臺(tái)研究[D].北京工業(yè)大學(xué)，2010.

[4]Zhang Guangjun，Geng Zheng，Wu Lin，et al.Development of high frequency pulse power source using two powers for TIG welding[J].China Welding，1999，8（2）：116-120.

[5]齊鉑金，許海鷹，黃松濤，等.超音頻脈沖TIG焊電源拓?fù)浼半娀∵m用性[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，35（1）：61-64.

High frequency pulse tungsten inert gas welding power source

MA Miao，HUANG Pengfei，LU Zhenyang
（College of Mechanical Engineering&Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

A high frequency pulse TIG welding power is designed using two sets of chopper circuit outputs in parallel manner.The different frequency and duty ratio，with steep rising and falling edge of the pulse current can be realized，and the base current and peak current can be regulated respectively.Comparing the arc stiffness in the conventional TIG welding with high frequency pulse TIG welding，the results show that both in high speed welding or v-shaped groove welding，the good arc stiffness can be obtained in high frequency arc welding，when average current is in the same value，and the welding performance is obviously better than that in ordinary direct current TIG welding.

high frequency pulse；tungsten inert gas welding；arc stiffness

TG434

：A

：1001-2303（2015）10-0034-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.07

2015-05-05；

：2015-06-26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51075011）

馬 淼（1989-），男，河北徐水人，在讀碩士，主要從事新型焊接設(shè)備的研究工作。