CN103100783A - 一种双弧复合焊接电源装置 - Google Patents

Abstract

一种双弧复合焊接电源装置，通过电流切换电路中功率开关器件的交替导通，电源从不同的输出端子输出电流，使焊接电弧在不同的电极之间燃烧;通过改变电流切换电路中双包电感的匝数比例，使切换的电流比例反比于匝数比例；通过双胞电感的磁场耦合作用，配合两只功率开关管的轮流导通关断，实现了电流输出回路的高速切换，非熔化极电弧可以高速的从钨极与焊丝和钨极与母材之间切换。相比于常规的双熔化极焊丝电弧焊接工艺，可以降低焊接热输入的最低临界值，相对于简单的非熔化极和熔化极的复合焊接，由于非熔化极电弧的切换时间比例可以自由调节，所以非熔化极电弧能量在熔化极焊丝和母材之间的分配比例可以自由调节，从而提高焊接工艺的适应范围。

Description

一种双弧复合焊接电源装置

技术领域

本发明属于一种电弧复合焊接设备，相比于常规的单丝焊接系统可以达到更高的焊接速度，相对于传统的双丝或多丝焊接系统具有更小的热输入，可以适用于薄板的焊接。该种焊接工艺由熔化极电弧作为主弧，非熔化极电弧作为辅助弧，辅助电弧在钨极与母材之间和钨极与焊丝之间交替导通。既可以调节焊接热输入的分配方式，又可以增加熔敷金属的数量，从而有效提高焊接效率。该技术属于热加工技术领域。

技术背景

常规的电弧焊接工艺可以分为熔化极电弧焊接工艺和非熔化极电弧焊接工艺。一般来说，熔化极焊接工艺具有较高的焊接效率，所以在工业生产中应用较广。熔化极电弧焊接工艺又可以分为单丝焊接工艺和双丝（或多丝）焊接工艺，一般多丝焊接工艺具有较高的焊接效率。在薄板焊接中提高效率的主要方式是提高焊接速度，高速焊接和常规速度焊接在焊接热输入的分配方式显著不同。在低速焊接时，一般采用较小的热输入和较低的焊接速度，而在高速焊接时需要较高的热输入和较高的焊接速度。如果把母材沿焊接方向分割成多组相互平行的切片，则低速焊接采用较小的能量用较长的时间加热每个单元（切片），而高速焊接则是用较高的能量采用较短的时间加热每个单元。双丝焊接工艺由热量分配沿焊接方向拉长，所以对每个单元的加热时间变长，其结果等效于低速焊接时的温度长分布，所以容易实现高速焊接工艺。此外，由于两个电弧之间的相互作用，提高了焊接热量的利用率，所以在相同热输入的条件下，可以获得更高的熔敷金属量，有利于避免咬边等焊接缺陷的产生。目前双丝高速焊接工艺相对于单丝焊接工艺可以提高焊接速度一倍以上，是目前主要的高速电弧焊接工艺。但是，由于熔化极焊接工艺中每根焊丝的熔化都有一个最小临界工作电流，双丝焊接工艺的最小总工作电流很难降低到200安培以下，所以难以满足一些薄板焊接接头的要求。如果简单采用单熔化极电弧配合非熔化极电弧焊接，可以改善温度场的分布，但是无法提高焊丝的熔敷速度，所以焊接速度的提高也很有限。

发明内容

本发明的目的在于，通过提供一种双弧复合焊接电源装置，降低最小工作电流，降低最小焊接热输入，从而应用于常规双丝焊接无法解决的超薄板高速焊接工艺问题。

本发明是采用以下技术手段实现的：

一种双电弧复合焊接装置，包括恒流输出电路，电流切换电路，以及恒压输出电路。恒压输出电路可以实现恒压输出，可以用于熔化极电弧焊接工艺。本发明以全桥电路构建恒流输出电路，作为最佳实施方式，也可以通过其它拓扑结构来实现恒流输出电路。恒流输出电路可以实现恒流输出特性，可以用于非熔化极焊接工艺。同样以全桥电路构建恒压输出电路，作为最佳实施方式，也可以通过其它拓扑结构来实现恒压输出电路。电流切换电路可以使恒流电路输出电流从不同的端子输出。当功率开关管（T5）导通、功率开关管（T6）关断时，电流从T5的E端流出，经过焊丝和电弧，从变压器（B1）的第四端流回，电弧建立于钨极和焊丝之间。当功率开关管（T6）导通、功率开关管（T5）关断时，电流从T6的E端流出，经过母材和电弧，从变压器（B1）的第四端流回，电弧建立于母材和钨极之间。

所述的恒流输出电路，三相交流电的U端、V端、W端分别与整流桥电路BR1的第一端、第二端、第三端连接，整流桥电路BR1的第四端、第五端之间并联有滤波电容C1。整流桥电路BR1的第四端连接至功率开关管T1的集电极C端、功率开关管T2的集电极C端，整流桥电路BR1的第五端连接至功率开关管T3的发射极E端、功率开关管T4的发射极E端；功率开关管T1的发射极E端、功率开关管T4的集电极C与变压器B1原边的第一端相连，功率开关管T2的发射极E端、功率开关管T3的集电极C端与变压器B1原边的第二端相连；变压器B1副边的第三端与二极管D1的A端、二极管D2的A端相连，变压器B1副边的第四端与母材相连，变压器副边的第五端与二极管D3的A端、二极管D4的A端相连。

所述的电流切换电路，二极管D1的K端、二极管D3的K端与双胞电感中的L1的第一端相连，双胞电感L1的第二端与功率开关管T5的集电极C端相连，该端作为电源的输出端，外部连接熔化极焊丝作为电极。二极管D2的K端、二极管D4的K端与双胞电感L2中的第一端相连，双胞电感L2中的第二端与功率开关管T6的集电极C端相连，该端作为电源的输出端，外部连接母材；电感L1，电感L2为绕在同一磁芯上的双包电感，电感L1的第一端与电感L2的第一端为同名端；

所述的恒压输出电路，可以实现恒压的输出特性，该电路为常规的平特性电弧焊接电路；整流桥电路BR2的第四端与功率开关管T7的集电极C端、功率开关管T8的集电极C端相连，整流桥电路BR2的第五端与功率开关管T9的发射极E端、功率开关管T10的发射极E端相连；功率开关管T7的发射极E端、功率开关管T10的集电极C端与变压器B2原边的第一端相连，功率开关管T8的发射极E端、功率开关管T9的集电极C端与变压器B2原边的第二端相连；变压器B2副边的第三端与二极管D5的A端相连，变压器B2副边的第四端与电流切换电路中的T6的发射极相连，该端子作为电源输出端，外部和母材相连，变压器B2副边的第五端与二极管D6的A端相连；二极管D5的K端、二极管D6的K端经电感L3与电流切换电路中的T5的发射极相连。该端子作为输出端在外部和焊丝相连。

前述的恒流输出电路输出电流为5—500A,输出电压为2V—100V。

前述的电流切换电路可以把恒流输出电路中的电流输出回路进行切换。

前述的恒压输出电路输出大小可调的电压Ua;当功率开关管T5导通、功率开关管T6关断时，双胞电感中的能量以流过电感L1的电流的形式表现出来，非熔化极电弧存在于钨极和焊丝之间；当功率开关管T6导通、功率开关管T5关断时，双胞电感中的能量以流过电感L2的电流的形式表现出来，非熔化极电弧存在于母材和钨极之间；通过控制功率开关管T5、功率开关管T6的相互切换实现非熔化极电弧在钨极与焊丝和钨极与母材之间的切换。恒压电路的输出电压为10V-45V。

本发明复合电弧焊接装置，与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

通过双胞电感的磁场耦合作用，配合两只功率开关管的轮流导通关断，实现了电流输出回路的高速切换，非熔化极电弧可以高速的从钨极与焊丝和钨极与母材之间切换。相比于常规的双熔化极焊丝电弧焊接工艺，可以降低焊接热输入的最低临界值，相对于简单的非熔化极和熔化极的复合焊接，由于非熔化极电弧的切换时间比例可以自由调节，所以非熔化极电弧能量在熔化极焊丝和母材之间的分配比例可以自由调节，从而提高焊接工艺的适应范围。由于采用功率开关管的导通与关断来实现非熔化极电弧的切换，可以使电弧切换最高频率大于20KHz，非熔化极电弧电流在5—500A，恒压电路的输出电压范围为0—45V。

附图说明

图1为主电路原理图；

图2为系统总体框图；

图3为电流切换电路工作过程图（一）；

图4为电流切换电路工作过程图（二）；

图5为电流切换电路工作过程图（三）；

图6为电流切换电路工作过程图（四）；

图7为焊丝和母材之间电弧电流及电压波形图；

图8为钨极和焊丝及母材之间的电弧电流波形图。

图1中BR1、BR2——整流桥电路，C1、C2——电容器，T1～T10——功率开关管，B1、B2——变压器，D1～D6——二极管,L1、L2、L3——电感器。

图2中LEM1、LEM2——电流采样器，LEM3——电压采样器，（一）——恒流输出电路的驱动电路，（二）——恒压输出电路驱动电路，（三）——电流切换驱动电路，（四）——恒流输出电路电流采样及滤波，（五）——恒压输出电路电流采样及滤波，（六）——电压采样及滤波，（七）——人机界面，（八）——DSP控制系统（数字信号处理控制系统），（九）——恒流输出电路。（十）——电流切换电路，（十一）——恒压输出电路。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明：

该系统由一个熔化极电弧作为主弧，非熔化极电弧作为辅助电弧，辅助电弧可以在母材和焊丝之间交替导通，当辅助电弧在钨极和母材之间存在时，可以实现类似双丝焊接的温度场，当辅助电弧在钨极和焊丝之间存在时，可以提高熔敷速度，由于钨极电弧可以在很低的电流下稳定工作，所以该种工艺相比于双熔化极焊接可以降低最小工作电流，降低最小焊接热输入，从而应用于常规双丝焊接无法解决的超薄板高速焊接工艺问题。

请参阅图1、图2所示，双弧复合焊接系统由恒流输出电路，恒压输出电路，电流切换电路组成。三相交流电由输入端子输入，经整流桥电路BR1整流与电容滤波后变为平直的直流电，得到的直流电经逆变电路转变为中频方波电压，经变压器降压后再由全桥整流电路获得直流电压。该直流电压分两个端子输出，分别接到双胞电感的两个同名端子上，然后分别经由两个IGBT模块输出至电源的两个输出端子。恒压输出电路的输出端也分别接到该两个输出端子。熔化极和母材之间的电弧是焊接主弧，是连续电弧，当T5、T6两个开关管交替导通工作时，非熔化极电弧分别存在于钨极与母材之间和钨极与焊丝之间。通过调节两个开关管的导通时间的比例，可以调节辅助电弧能量在母材和焊丝之间的分配。从而调节焊接温度场的分布，以利于提高焊接速度。

在本发明中，所述恒流输出电路由整流桥BR1，滤波电容C1，功率开关管T1-T4构成的全桥电路、变压器B1组成。其各端子之间的连接为：三相交流电的U端，V端，W端分别与整流桥BR1的第一端，第二端，第三端相连，整流桥BR1的第四端，第五端之间并联有滤波电容C1。整流桥的第四端连接至功率开关管T1的集电极C端、功率开关管T2的集电极C端，整流桥电路的第五端连接至功率开关管T3的发射极E端、功率开关管T4的发射极E端；功率开关管T1的发射极E端、功率开关管T4的集电极C端与变压器B1原边的第一端相连，功率开关管T2的发射极E端、功率开关管T3的集电极C端与变压器B1原边的第二端相连；变压器B1副边的第三端与二极管D1的A端、二极管D2的A端相连，变压器副边的第四端与电源输出端二相连，该端子外接钨极。变压器副边的第五端与二极管D3的A端、二极管D4的A端相连；二极管D1的K端、二极管D3的K端经双胞电感中的L1与功率开关管T5的集电极C端相连；二极管D2的K端、二极管D4的K端经双胞电感中的L2与功率开关管T6的集电极C端相连；功率开关管T5的发射极E端和电源输出端一相连，该端子外接钨极熔化极焊丝。功率开关管T6的发射极E端与电源输出端三相连，该端子外接焊接母材。

图3为功率开关管T5导通，T6关断时，当功率开关管T1、T3导通的情况下，变压器原副边电流的流动情况。电流由变压器B1的第三端流出，经过二极管D1，电感L1，功率开关管T5，焊丝，电弧，钨极，最终流回到变压器B1的第四端。电弧存在的位置在钨极和焊丝之间。

图4为功率开关管T5导通，T6关断时，当功率开关管T2、T4导通的情况下，变压器原副边电流的流动情况。电流由变压器B1的第五端流出，经过二极管D3，电感L1，功率开关T5，焊丝，电弧，钨极，最终流回到变压器B1的第四端。电弧存在的位置在钨极和焊丝之间。

图5为功率开关管T6导通，T5关断时，当功率开关管T1、T3导通的情况下，变压器原副边电流的流动情况。电流由变压器B1的第三端流出，经过二极管D2，电感L2，开关管T6，输出端子三，母材，电弧，钨极，输出端子二，最终回到变压器B1的四端。电弧存在的位置在母材和钨极之间。

图6为功率开关管T6导通，T5关断时，当功率开关管T2、T4导通的情况下，变压器原副边电流的流动情况。电流由变压器B1的第五端流出，经过二极管D4，电感L2，开关管T6，输出端子三，母材，电弧，钨极，输出端子二，最终回到变压器B1的四端。电弧存在的位置在母材和钨极之间。

由以上过程分析可知，当功率开关管T5导通，功率开关管T6关断时，无论变压器B1原边的工作状态如何，副边一侧电流均由电感L1经过功率开关管T5，从电源输出端一流出，经焊丝，电弧，钨极，流回电源输出端二，回到变压器四端。电弧存在于钨极和焊丝之间。当功率开关管T6导通，功率开关管T5关断时，无论变压器B1原边的工作状态如何，副边一侧电流均由电感L2经过功率开关管T6，由电源输出端三流出，经母材，电弧，钨极，流回电源输出端二，回到变压器四端。电弧存在于母材和钨极之间。

上述电感L1，电感L2为绕在同一磁芯上的双包电感，两个电感的匝数可以相同，也可以不同，其匝数比可以在1：10至10：1之间变化。当功率开关管T6关断，功率开关T5导通时，在此前一时刻，电流方向为：由电感L2经过功率开关管T6，由母材，电弧，钨极，输出端子二，最终返回到变压器。由于电感L1，电感L2为双包电感并且根据其特定的绕线方向，当功率开关管T6关断，功率开关管T5导通后，电感L2产生的磁场能完全耦合到电感L1上，所以在电感L1上瞬间感应出安匝数和开关切换之前L2上的安匝数相同的电流，其方向由电感L1流向功率开关管T5，该电流经电源输出端子一，焊丝，电弧，钨极，电源输出端子二，最后回到变压器端子四。同理当功率开关管T5关断，功率开关管T6导通时，使得电弧存在于母材和钨极之间。由于L1，L2的匝数比可以不同，所以开关切换前后两个电弧的电流也可以不同。其电流和匝数的乘积保持相同。

综上所述，电弧可以在母材和钨极之间切换，电流流向切换由功率开关管T5，功率开关管T6的导通与关断控制，切换前后其电流大小和两个电感的匝数成反比。

在本发明中，所述恒压发生电路由开关管T7～T10构成的全桥电路、变压器B2、二极管D5、二极管D6、电感L3组成。其各端子之间的连接为整流桥电路BR2的第四端与功率开关管T7的集电极C端、功率开关管T8的集电极C端相连，整流桥电路BR2的第五端与功率开关管T9的发射极E端、功率开关管T10的发射极E端相连；功率开关管T7的发射极E端、功率开关管T10的集电极C端与变压器B2原边的第一端相连，功率开关管T8的发射极E端、功率开关管T9的集电极C端与变压器B2原边的第二端相连；变压器B2副边的第三端与二极管D5的A端相连，变压器B2副边的第四端与电源输出端三相连。该端外接母材。变压器B2副边的五端与二极管D6的A端相连；二极管D5的K端、二极管D6的K端经电感L3与电源输出端一相连。该端子外部和焊丝相连。

恒压发生电路将三相交流电连接到整流模块BR2，然后经C2滤波，后将直流电经功率开关管T7～T10构成的逆变电路逆变为交流电，再经过二极管D5，二极管D6整流后，输出稳定的直流电，其方向为由电源输出端一经焊丝，电弧，母材，流回电源输出端三。

所述的恒流输出电路与恒压输出电路，采用PWM(pluse width modulation)控制技术。控制功率开关管T1～T4的导通与关断，调整占空比，即可控制恒流输出电路输出电流的大小。控制功率开关管T7～T10的导通与关断，调整占空比，即可调整恒压输出电路输出电压的大小。

图7为恒压输出电路输出的电流和电压波形图，图8为钨极和焊丝及母材之间的电弧电流波形图。

如图2所示为本发明的系统框图，恒流输出电路由整流桥BR1，电容器C1，功率开关管T1～T4，变压器B1组成。恒压输出电路由功率开关管T7～T10，变压器B2，二极管D5，二极管D6，电感L3组成。恒流输出电路的驱动电路一连接在DSP控制系统（数字信号处理控制系统）八与功率开关管T1～T4之间,恒压输出电路驱动电路二连接在DSP控制系统（数字信号处理控制系统）八与功率开关管T7～T10之间，电流切换驱动电路三连接在DSP控制系统（数字信号处理控制系统）八与功率开关管T5，功率开关管T6之间，恒流输出电路电流采样及滤波四连接在电流采样器LEM1与DSP控制系统（数字信号处理控制系统）八之间，恒压输出电路电流采样及滤波五连接在电流采样器LEM2与DSP控制系统（数字信号处理控制系统）八之间，电压采样及滤波电路六连接在电压采样器LEM3与DSP控制系统（数字信号处理控制系统）八之间。人机界面七与DSP控制系统（数字信号处理控制系统）八相连。在工作过程中，电流采样器LEM1，电流采样器LEM2分别对所在电路的电流进行采样，电压采样器LEM3将采样结果送给DSP控制系统（数字信号处理控制系统）八，DSP控制系统（数字信号处理控制系统）八将采样结果与人机界面七设定的参数进行比较运算，传递信号给恒压输出电路驱动电路二，恒流输出电路的驱动电路一，分别调节功率开关管T1～T4，功率开关管T7～T10的占空比，最终实现输出电流参数与人机界面七设定值相等，并且DSP控制系统（数字信号处理控制系统）八发送信号给电流切换驱动电路三，控制功率开关管T5，功率开关管T6的开通与关断，实现恒流输出电流在两个不同电极之间的切换，由于电流输出回路的切换是通过功率开关的开通与关断实现的，所以此种电路拓扑结构可以使非熔化极的电弧在钨极与母材和钨极与焊丝之间高速切换。

Claims (5)

1.一种双弧复合焊接电源装置，该装置包括恒流输出电路、恒压输出电路；其特征在于：还包括电流切换电路，通过电流切换电路中功率开关器件的交替导通，电源从不同的输出端子输出电流，使焊接电弧在不同的电极之间燃烧;通过改变电流切换电路中双包电感的匝数比例，使切换的电流比例反比于匝数比例；

所述的电流切换电路（10），连接在恒流输出电路（9）和恒压输出电路(11)之间；其变压器（B1）副边的第三端与二极管（D1）的A端、二极管（D2）的A端相连，变压器副边的第四端与电源第二输出端相连；变压器副边的第五端与二极管（D3）的A端、二极管（D4）的A端相连；二极管（D1）的K端、二极管（D3）的K端与双胞电感中的（L1）的第一端相连，双胞电感（L1）的第二端与功率开关管（T5）的集电极C端相连；二极管（D2）的K端、二极管（D4）的K端与双胞电感（L2）中的第一端相连，双胞电感（L2）中的第二端同功率开关管（T6）的集电极C端相连；功率开关管（T5）的发射极E端连接电源第一输出端，该端外接焊丝；功率开关管（T6）的发射极E与电源第三输出端相连，该端外接母材，电源第二输出端外接钨极；电感（L1），电感（L2）为绕在同一磁芯上的双胞电感，电感（L1）的第一端与电感（L2）的第一端为同名端；所述两个电感的匝数比可以是1：10至10：1之间的任意值。

2.根据权利要求1所述的一种双弧复合焊接电源装置，其特征在于：所述的恒流输出电路，三相交流电的U端、V端、W端分别与整流桥电路BR1的第一端、第二端、第三端连接，整流桥电路（BR1）的第四端、第五端之间并联有滤波电容（C1）；整流桥电路BR1的第四端连接至功率开关管（T1）的集电极C端、功率开关管（T2）的集电极C端，整流桥电路（BR1）的第五端连接至功率开关管（T3）的发射极E端、功率开关管（T4）的发射极E端；功率开关管（T1）的发射极E端、功率开关管（T4）的集电极C与变压器（B1）原边的第一端相连，功率开关管（T2）的发射极E端、功率开关管（T3）的集电极C端与变压器（B1）原边的第二端相连；变压器（B1）副边的第三端与二极管（D1）的A端、二极管（D2）的A端相连，变压器（B1）副边的第四端与母材相连，变压器副边的第五端与二极管（D3）的A端、二极管（D4）的A端相连；

恒流输出电路的驱动电路连接在数字信号处理控制系统与功率开关管（T1）、功率开关管（T2）功率开关管（T3）、功率开关管（T4）之间。

3.根据权利要求1所述的一种双弧复合焊接电源装置，其特征在于：所述的恒压输出电路由功率开关管（T7）（T8）（T9）（T10）以及变压器（B2）、二极管（D5）、二极管（D6）、电感（L3）组成；恒压输出电路的驱动电路连接在数字信号处理控制系统与功率开关管（T7）（T8）（T9）（T10）之间。

4.根据权利要求1所述的一种双弧复合焊接电源装置，其特征在于：所述的恒流输出电路输出电流为5—500A,输出电压为2V—100V。

5.根据权利要求1所述的一种双弧复合焊接电源装置，其特征在于：所述的恒压输出电路的输出电压为10V-45V。

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