CN1031246C - 交流熔化极惰性气体保护焊焊接电弧控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种熔化极惰性气体保护焊焊接电弧控制装置，包括外特性控制电路、PWM脉宽调制集成电路、主变换器驱动电路、主变换器电路、逆变器、电机驱动及测速部分、逆变器换相时刻控制、翻转触发器和逆变器驱动等几个部分，本发明的控制系统可以提高交流MIG焊接电弧的稳定性，在不提高电源空载电压不加稳弧高压脉冲，不加稳弧剂的焊丝的情况下，用“双凹形电流波形”进行交流MIG焊接。达到稳定电弧、连续焊接并消除电弧磁偏吹的目的。
Description
本发明涉及一种在交流熔化极惰性气体保护焊中，对焊接电弧进行控制的装置，属焊接设备及工艺技术领域。
传统的MIG焊(熔化极惰性气体保护焊)所用的焊接电源都是直流焊接电源，接法为直流反接。直流MIG焊也和其它直流焊接方法一样存在有电弧磁偏吹问题，这种现象的存在势必会影响到焊接质量，如会出现电弧熄灭而造成焊接不连续，出现末焊透、末熔合等缺陷，深坡口打底焊时更为严重，无法实施焊接。采用弧长闭环控制的自动焊系统中，由于电弧偏吹使得弧压不能代表弧长而造成系统误动作，有时会造成系统进入短路引弧-断弧的恶性循环中去。多年的研究成果积累了许多种克服磁偏吹危害的方法，如工件剩磁的去除，工件磁场的均匀化，接地点的变化和焊接方向的改变等(Metal Construction，July，1984)这些方法或者需要附加的设备，或者需要额外的工作，都给焊接工作者带来不便，也不具有普遍适应性，如大型构件，复杂构件，现场安装等工作都无法胜任。交流焊接方法是一种能彻底解决电弧磁偏吹问题的适应性很强的方法。
传统概念的用工频正弦波作电源的交流焊接方法用在MIG焊时，需要使用在焊药中加了稳弧剂的药芯焊丝(Welding ResearchAbroad，No.8/9，1985)。也有人采用矩形波交流焊接电源进行光焊丝的MIG焊(神户制钢技报，VOl.39，No.4，1989)这种电源工作时会产生330-400伏的高压于换相时刻加到电弧两端以利于稳弧，这种高压设备一方面费用大，另一方面对人体不安全。
本发明的目的是研制一种交流MIG焊接电弧的控制装置，提高交流MIG焊接电弧的稳定性，在不提高电源空载电压、不加稳弧高压脉冲、也不使用加稳弧剂的焊丝的情况下，用“双凹形电流波形”进行交流MIG焊接，达到稳定电弧，连续焊接并消除磁偏吹的目的。
本发明的内容是：熔化极惰性气体保护焊焊接电弧控制装置，由以下各部分组成：
1、用于将来自电弧的焊接电流和焊接电压信号与给定值相比较，以实现系统闭环控制的外特性控制电路，由电压频率转换器VFC、二选一模拟电子开关SW1和SW2、反馈用运算放大器A1和A2、逻辑控制二极管D1和D2、信号合成运算放大器A3和A4、四选一模拟开关IC6以及光偶电路IC5组成。
2、用于根据外特性控制电路给出的电压值控制脉冲宽度的脉宽调制器PWM。
3、用于将来自脉宽调制器的信号进行功率放大的主变换驱动电路，由两极三极管BG2组成。
4、用于将整流器输出的较高直流电压变成焊接用较低直流电压的主变换器，由一组大功率三极管T1并联而成，以开关方式工作。
5、用于将直流电压变成交流电压的桥式逆变器，由四组大功率场效应管T2、T3、T4、T5并联而成的桥臂管组组成。
6、送丝电机的驱动及测速部分。
7、用于将外特性控制电路中的压频转换器VFC给出的信号，经光偶隔离触发单稳态，单稳态输出信号的下降沿控制逆变器换相的逆变器换相时刻控制部分，由单稳态电路IC1和单光偶隔离电路IC3组成。
8、用于接收单稳态输出的下降沿，使触发器IC2的输出端改变电位，再分解成二路信号的翻转触发器，由翻转触发器IC2及信号处理单元BG1组成。
9、用于驱动桥式逆变器的驱动电路，由四路光偶隔离器IC4及四路推挽式放大电路组成。
附图说明：
图1是本发明的逻辑方框图。
图2是本发明主电路原理图。
图3是控制电路原理图。
图4是由本发明的控制系统得出的控制波形图。
图5是系统输出外特性曲线。
图6是系统输出的电流波形。
下面结合附图，详细介绍本发明的内容。图1中，1是外特性控制电路，2是PWM脉宽调制集成电路，3是主变换器驱动电路，4是主变换器电路，5是逆变器，6是送丝电机的驱动及测速部分，7是逆变器换相时刻控制，8是翻转触发器，9是逆变器驱动电路。
交流焊接电流的输出经历了，如图2的过程。变压器输出的正弦交流电压经整流桥后变为直流电压，再经开关电源(由一组大功率三极管T1、滤波电感L、电容C1和续流二极管D7组成)变换成幅度较低的直流电压，最后经逆变器(由四组大功率场效应管T2、T3、T4、T5组成)变换成方波交流电压，给焊丝进行焊接。
用于交流MIG焊接的电流输出需进行特别的控制。参见图3，(图3中，Ug1--Ug8为8个电压给定值，G2--G5为逆变器四路驱动信号，I为电流信号，U为电压信号，Vf为送丝速度信号，B为驱动信号)，电压频率转换器VFC输出脉冲信号，高低两个电平通过开关SW1和SW2分别选通Ug1、Ug3和Ug2、Ug4，Ug1、Ug2经反馈用运算放大器A1与电流反馈信号I比较，控制电路I和Id，(参见图5，图5中，Ib为维孤电流，Ip为脉冲电流，Id为脉冲电流允许最大值，Ub为空载电压，Up为脉冲电压，1、2为两个工作点。)。Ug3和Ug4经反馈用运算放大器A2与反馈电压信号U比较控制电压Ub和Up。此两路信号经二极管D1、D2逻辑组合后，控制脉宽调制器PWM输出，此信号的脉冲频率固定为16KHZ，脉宽随PWM输入端电压值而变，最后经两级三极管BG2组成的功率放大电路驱动主开关管T1，从而实现输出电压、电流的闭环控制。
压频转换器VFC的输出信号在控制SW1和SW2的同时，又通过单光偶隔离电路IC3作光电隔离(参见图3和图4)。IC3输出信号恰与压频转换器VFC的信号相反，IC3信号的下降沿去触发单稳态电路IC1，此单稳态电路的输出脉冲宽度为tps2=tpr2，IC1信号的下降沿再去触发翻转触发器IC2，IC2的输出端Q经一级反向器BG1(图3)，Q信号及反向后的信号经四路光偶隔离和四路推挽驱动电路，形成两组栅极推动信号G2、G5和G3、G4，使大功率场效应管T2、T5和T3、T4交替导通。
翻转触发器IC2的Q端信号又同时通过光偶隔离IC5后，选通四选一模拟开关，当Q为低电平时，X=X0=Ug8，Y=Y0=Ug6，当Q为高电平时，X=X3=Ug7，Y=Y3=Ug5，x和y信号以不同比例与送丝速度信号Vf相加，运算放大器A3和A4的输出分别控制压频转换器VFC的频率及脉宽。
图6中，上图为直流侧电流波形I1，下图为交流侧电流波形I2，极性(1)表示焊丝接正，工件接负，即反接。极性(2)表示焊丝接负，工件接正，即正接。tpr1，tpr2分别为两种不同变化过程中极性(1)时间内的脉冲电流时间，tbr为极性(1)时间内的维孤电流时间。tps1，tps2分别为两种不同变化过程中极性(2)时间范围内的脉冲电流时间，tbs为极性(2)时间范围内的维弧电流时间。时间tpr2=tps2由单稳态电路IC1控制，tps1由Ug7控制，tpr1由Ug8控制，tbs由Ug5控制，tbr由Ug6控制。
由上述综合控制的结果，便得到了如图6的示意的双凹交流电流波形。这种“双凹形电流波形”的工作过程是这样的：(参见图2)逆变器中，T2、T5为一组，T3、T4为一组，每组桥臂管同时关闭和开通。当T2、T5管开通、T3、T4管关闭时，焊丝接负，工件接正，称为正极性(2)，当T3、T4管开通，T2、T5管关闭时，焊丝接正，工件接负，称为反极性(1)，正反极性交替工作即实现了交流MIG焊接。
设初始极性为极性(1)(参考图6)，电源外特性为(1)，电弧工作点为1(图5)焊接电流为Ib，过一段时间后，电源输出外特性(2)，电弧工作点为2，焊接电流变为Ip，持续时间tpr2后，电弧在极性(1)进入了强电弧状态，此时逆变器换向，极性变为极性(2)，电源输出外特性不变，焊接电流仍为Ip，使电弧能可靠迅速地再引燃，过时间tps1后，电源输出外特性(1)，焊接电流为Ib，持续时间tbs后，电源输出外特性(2)，焊接电源再次变为Ip，电弧在极性(2)再次进入强电弧状态，过时间tbs2后，逆变器换向，极性变为极性(1)，电源输出外特性仍保持不变，焊接电流为Ip，过时间tpr1后，进入了本段初始的循环。如此循环往复，便形成了图6所示的“双凹形电流波形”。其中时间tpr2=tps2约为1.5毫秒，tbs、tps1、tpr1、tbr随焊接送丝速度Vs而变。
得用本发明的控制系统，曾进行φ1.0焊丝的交流MIG焊，保护气体为Ar＋15％CO2，当平均电流为110A时，电弧仍很稳定，过渡为喷射和轴向小颗粒混合过渡，没有磁偏吹现象，tps2=1.5ms，tps1=tps1=2ms，tbr=15ms，tbs=13ms，Ip＝370A，Ib=40A。
Claims (1)
1、一种熔化极惰性气体保护焊焊接电弧控制装置，包括：
(1)用于根据外特性控制电路给出的电压值控制脉冲宽度的脉宽调制器PWM；
(2)用于将来自脉宽调制器的信号进行功率放大的主变换器驱动电路，由两级三极管BG2组成；
(3)用于将整流器输出的较高直流电压变成焊接用较低直流电压的主变换器，由一组大功率三极管T1并联而成，以开关方式工作；
(4)用于将直流电压变成交流电压的桥式逆变器，由四组大功率场效应管T2、T3、T4、T5并联而成的桥臂管组组成；
(5)送丝电机驱动及测速部分；
其特征在于该控制系统还包括：
(6)用于将来自电孤的焊接电流，焊接电压信号与给定值相比较，以实现系统闭环控制的外特性控制电路，由电压频率转换器VFC、二选一模拟电子开关SW1和SW2、反馈用运算放大器A1和A2、逻辑控制二极管D1和D2、信号合成运算放大器A3和A4四选一模拟开关IC6以及光偶电路IC5组成；
(7)用于将外特性控制电路中的压频转换器VFC给出的信号，经光偶隔离触发单稳态，单稳态输出信号的下降沿控制逆变器换相的逆变器换相时刻控制部分，由单稳态电路IC1和单光偶隔离电路IC3组成；
(8)用于接收单稳态输出信号的下降沿，使触发器IC2输出端改变电位，再分解成二路信号的翻转触发器，由翻转触发器IC2及信号处理单元BG1组成；
(9)桥式逆变器驱动电路，由四路光偶隔离器IC4及四路推挽式驱动放大电路组成。
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