CN103817399B - 多脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源，属于再生制造领域中的精密修复和表面强化技术。该电源主要由高压脉冲电路、低压稳弧电路、负压脉冲电路构成。在沉积过程中，本装置可输出高压脉冲用于击穿放电回路，同时输出低压脉冲用于稳弧，即形成一段时间的微电弧，有利于电极材料向工件的过渡，提高了电源的沉积堆焊效率。本装置还能输出负压脉冲，形成的电火花可将工件上沉积的高点去除掉，有利于沉积层均匀致密的增长。本电源通过高低压脉冲输出既可以提高沉积效率，也可通过负脉冲将沉积层上的较高的沉积点去除掉，有利于沉积层的均匀的增长，提高沉积的致密性。

Description

多脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源

技术领域

本发明涉及电火花沉积堆焊技术，属于再生制造领域中的精密修复和表面强化领域，特别是一种多脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源。

背景技术

电火花沉积堆焊技术的工作原理是：当电极与工件接触时，电路处于短路状态下，电源输出放电脉冲，在电极和工件接触点的小区域范围内产生极大的电流密度而使接触点处的电极和工件材料瞬间熔化及气化，引发火花放电，电极熔化的材料部分过渡到工件表面，若电极继续接近工件，伴随机械力挤压工件，使电极熔融材料牢固的粘结在工件材料表面，使合金层致密性得到提高。由于电火花沉积堆焊的放电过程在瞬间完成，工件不会产生热扩散和热变形，具有热输入量小、工件基体不发热等优点，所以广泛应用在模具、电机主轴等设备的缺陷和小面积破损的精密修复中，还可应用到零件的表面强化和改性处理中。

传统的电火花沉积堆焊电源只有一个正向脉冲输出，由于电极与工件接触情况的不同，形成电火花的大小不同，即产生微电弧的电流和时间等随机性较强，沉积点位置和过渡的质量不能保证，无法确保沉积效率和质量。电火花沉积堆焊过程中容易产生熔融物的飞溅或高点，影响加工表面的致密性，需要手工锉平或超声波压实，然后重新沉积，加工效率低。

如中国专利201110098113.6公开的一种电容充放电脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源，采用交流调压、整流滤波、电容充电、电容放电的电路结构，通过微处理器控制电路中的开关管，在运动电极与工件之间产生一个正向脉冲输出。

中国专利201310292053.0公开了一种电火花堆焊电路，由一个正向脉冲电路和一个负向脉冲电路构成。具体的脉冲电路是与201110098113.6不同的电路形式。该电火花堆焊电路能够减少熔融物的飞溅和高点产生，但沉积效果仍较差。而且电路控制性能和调节性较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种多脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源，用以解决现有堆焊电源沉积效率和质量不能保证的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

多脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源，包括第一正压脉冲电路，还包括第二正压脉冲电路和负压脉冲电路，所述第一正压脉冲电路、第二正压脉冲电路和负压脉冲电路的输出端并联，用于连接运动电极和工件。

所述第一正压脉冲电路输出电压低于所述第二正压脉冲电路。

所述第一正压脉冲电路、第二正压脉冲电路和负压脉冲电路均包括依次连接的对应交流调压单元、整流滤波单元、充电单元、固定放电电容和放电单元。

所述充电单元中串设有用于充电控制的充电控制开关管，放电单元中串设有用于放电控制的放电控制开关管；充电控制开关管和放电控制开关管受控连接于控制中心。

所述充电控制开关管采用MOSFET。

所述放电控制开关管采用IGBT。

所述控制中心由CPU和FPGA组成。

所述第一正压脉冲电路的固定放电电容两端还并联有至少一组可调放电电容，所述可调放电电容由放电电容组和对应的控制开关串联构成。

所述第一正压脉冲电路和负压脉冲电路共用一个滤波整流单元(D1)。

本发明提供了一种堆焊电源，采用至少两个正压脉冲电路和至少一个负压脉冲电路，通过控制正压脉冲和负压脉冲按照设定的时序出现，能够在使不同的脉冲相互配合在沉积过程中发挥相应的作用。

进一步的，本电源通过高低压脉冲输出既可以提高沉积效率，也可通过负脉冲将沉积层上的较高的沉积点去除掉，有利于沉积层的均匀的增长，提高沉积的致密性。具体来说，第一正压脉冲电路为低压脉冲电路，产生低压稳弧脉冲，第二正压脉冲电路为高压脉冲电路，产生高压起弧脉冲。高压脉冲电路的放电电容电压较高，电容量较小，可在运动电极与工件之间产生短时的高压正脉冲，有利于击穿其接触点而产生电火花，提高产生电火花的效率。低压脉冲电路的放电电容电压较低，电容量较大，可在运动电极与工件之间产生相对较长的低压正脉冲。低压正脉冲与高压正脉冲同时输出，当高压正脉冲击穿接触点产生微弧等离子体，低压正脉冲可维持微电弧，延长微电弧离子过渡的时间，有利于电极材料向工件的沉积。负压脉冲电路的放电电容较低，电容量较小，可在运动电极与工件之间产生短时的负脉冲，此时不是向工件沉积材料，而是去除工件上的材料。

进一步的，第一正压脉冲电路、第二正压脉冲电路和负压脉冲电路的电路构成基本相同，便于控制。基于这种电路形式，采用电容充放电和开关管控制，控制中心可控制正脉冲的放电时间和频率，也控制负脉冲的放电时间和频率，正脉冲和负脉冲不同时出现，交错产生。每100个脉冲中负脉冲所占的比率可以任意调整。各放电脉冲的电压都能进行无级调整，负脉冲所占的比率能进行无级调整，放电频率也可进行无级调整，可满足不同工艺条件的需要。

进一步的，通过设置多组可调放电电容，从而可以对放电电容的容量进行有级的调整。

附图说明

图1是本发明实施例的系统示意图；

图2是本发明实施例的主电路图；

图3a、3b、3c、3d是本发明实施例的工作波形图；

图4是本发明实施例的功能框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明的多脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源，包括第一正压脉冲电路，还包括第二正压脉冲电路和负压脉冲电路，所述第一正压脉冲电路、第二正压脉冲电路和负压脉冲电路的输出端并联，用于连接运动电极和工件。

本发明采用至少两个正压脉冲电路和至少一个负压脉冲电路，具体的脉冲电路的电路拓扑可以采用多种实施方式，如中国专利201110098113.6或者中国专利201310292053.0公开的电路形式。

以下实施例主要基于中国专利201110098113.6的电路拓扑形式。

如图1是一种多脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源，可输出高压起弧脉冲、低压稳弧脉冲和负压脉冲。在沉积过程中，输出的高压脉冲用于击穿放电回路，同时输出低压脉冲用于稳弧，即形成一段时间的微电弧，有利于电极材料向工件的过渡，提高电源的沉积堆焊效率。输出的负压脉冲所形成的电火花可将工件上沉积的高点去除掉，有利于沉积层均匀致密的增长。各放电脉冲的电压都能进行无级调整，负脉冲所占的比率能进行无级调整，放电频率也可进行无级调整，可满足不同工艺条件的需要。用以解决现有电源沉积效率低、沉积质量不致密、放电参数无法进行精确控制等问题。

多脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源包括高压脉冲电路、低压稳弧电路和负压脉冲电路，这三个电路的输出都连接到运动电极和工件上。每个电路中都包含交流调压单元，整流滤波单元，充电单元，放电电容、放电单元，以及控制中心和各种驱动电路，充电电压比较电路等。

在每路脉冲输出电路中，交流电压经过整流滤波电路后转变为直流电，其输出经过充电控制开关管对放电电容进行充电；充电电压与设定值比较后经过电压比较电路传送到控制中心，通过驱动电路来控制充电控制开关管的通断，从而实现放电电容电压的无级调整。当放电电容电压达到设定值后，控制中心通过驱动电路控制放电控制开关管导通，将放电电容中的电量通过运动电极释放的到工件上。控制中心控制充电控制开关管和放电控制开关管交替导通，且不会同时导通，保证了电容的充电过程和放电过程完全独立。

本实施例的电路形式与中国专利201110098113.6公开的内容基本相同(文字介绍、模块命名稍有不同)。本实施例中，充电控制开关管采用MOSFET；放电控制开关管采用IGBT，作为其他实施方式，也可以采用其他类型的开关管。

本实施例中，外部交流输入(220V)连接变压器T1，外部输入的220V交流电经过变压器T1调整为两个110V的输出，分别经过整流桥D1和D2对其整流，再对电解电容CE1、CE2和CE3进行充电，CE1、CE2和CE3的参数均是10000uF/450V，主要作用是储能和滤波。其中电阻R11、R21、R31是在电源刚上电时防止充电电流过大而加入的，当CE充满电后，由控制电路控制继电器KA1工作，其触点使R11、R21、R31短路，即正常工作时R11、R21、R31是被短路的。R13、R23、R33是阻值较大的电阻，当电源断电后，三个电解电容CE上的电荷通过它们可以释放掉。

在低压稳弧电路中，CE1上的直流电可经过充电电路中的MOSFET1、电感L11、电阻R12对放电电容C11、C12等进行充电。MOSFET1采用IXFK73N30，由微控制器(C8051F020)给出控制指令，由FPGA(EP1K100)产生控制脉冲，经过高速光耦(采用HCNW4502)的隔离和驱动电路(采用芯片MIC4422)的驱动来控制MOSFET1的导通和关断。放电电容由五组电容并联组成，第一组是C11、C12并联(即所述固定放电电容组)，第二组是C13(可调放电电容组)，第三组是C14、C15并联(可调放电电容组)，第四组是C16、C17、C18、C19并联(可调放电电容组)，第五组是C110、C111、C112、C113、C114并联(可调放电电容组)，每个电容的参数是20uF/630V。第二组至第五组分别由固态继电器KS1～KS4控制是否接入到放电电路中，从而可以对放电电容的容量进行有级的调整，即可分为40uF、60uF、80uF、100uF、120uF、140uF、160uF、180uF、200uF、220uF、240uF、260uF、280uF十三档。电容在充放电时产生的反向电动势可通过快速二极管D11、D12进行消除。当FPGA对MOSFET1输出的控制脉冲为高电平时使MOSFET1导通，放电电容开始充电，当MOSFET1关断时或放电电容电压达到最大充电电压时充电过程结束。电阻R14和电位器W4串联后并联在放电电容C11的两端，由电位器的中间输出端可检测放电电容的电压值，经隔离调理电路后将电压信号传送到电压比较器1的负输入端；低压稳弧放电电容的放电电压由电位器W1来设定，其中间抽头的输出连接到电压比较器的负输入端。随着放电电容电压的增大，导致电压比较器1的负输入端电压大于正输入端电压(设定值)时，电压比较器1输出低电平，传送到FPGA电路，使FPGA输出的MOSFET1控制脉冲为低电平，从而关断MOSFET1，即对放电电容进行充电达到设定值后停止充电。调整电位器W1的位置就可以调整充电电压的设定值，从而实现充电电压10V～155V的无级调整。放电电容上的电能经过IGBT1的控制，通过二极管D13、运动电极与工件接触时进行电火花放电。由微控制器(C8051F020)给出控制指令，由FPGA(EP1K100)产生控制脉冲，经高速光耦(采用HCNW4502)的隔离和IGBT1的驱动电路来控制其导通。当放电电容上的电能放完后，IGBT1的控制脉冲变为负脉冲，使其可靠关断。

高压脉冲电路和低压稳弧电路工作原理基本相同，不同的是放电电容只有一个电容C21；其由MOSFET2进行充电，由W2来调整充电电压，由IGBT2进行放电。

负压脉冲电路与低压稳弧电路的工作原理基本相同，两者的整流滤波单元共用，即D1，两者共同组成了一个逆变半桥电路；其由MOSFET3对电容C31进行反向充电，由W3来调整充电电压，由IGBT3进行反向放电，即在运动电极与工件之间产生一个负脉冲。二极管D13、D23、D33分别是防止各电路的反向电流，起到保护电路的作用。

运动电极可用电动工具带动电极进行旋转运动，也可采用电磁摆动机构进行横向摆动运动，还可手工操作电极进行运动。

与中国专利201110098113.6公开的内容不同，控制中心由CPU和FPGA组成，作为其他实施方式，控制中心也可以采用单处理器或其他处理器的组合形式。CPU主要实现程序运行、人机交互(显示器输出、按键输入)、参数设置、数据运算、通讯等功能，采用了美国Cygnal公司生产的CYGNALF020单片机。CPU通过数据总线、地址总线、控制总线、通用I/O端口与FPGA相连，可控制FPGA的工作，并且相互之间进行数据交换。对三个MOSFET管和三个IGBT管的控制脉冲波形不但要有较高的速度，而且相互之间的逻辑关系非常重要，所以采用FPGA来实现各控制脉冲的输出，不但可简化外部数字逻辑电路，还可扩展输入输出和总线接口等功能。CPU还包括输入连接8路开关量输入电路、输出连接液晶显示电路、通讯连接RS485接口电路、电源电路和复位电路等。启动、停止、参数选择、增加、减小、确定等按键可经光耦隔离后输入到CPU，电源的工作参数和状态等可通过液晶显示器进行显示。FPGA输出的开关量输出经光耦隔离后通过三极管进行驱动，可控制继电器KA、固态继电器KS1～KS4、运动电极的工作。RS485接口电路主要用于和上位机的数据通信。

下面以电源的工作波形图(图3a、3b、3c、3d)为例来详细说明本发明电火花沉积堆焊电源的工作原理。

高压脉冲电路的工作波形图如图3a所示，MOSFET2的控制脉冲波形为正时使其导通，为0时使其关闭；IGBT2的控制脉冲波形为正时使其导通，为负时使其可靠关闭。MOSFET2的控制脉冲波形和IGBT2的控制脉冲波形的频率相同(此频率可由用户进行设定)，其周期T＝t1+t2+t3+t4，其中t1是控制MOSFET2导通的正脉冲时间，也就是其导通对电容C21进行充电的时间；t2是控制IGBT2导通的正脉冲时间，也就是其导通进行高压脉冲放电的时间；t3是MOSFET2的控制脉冲的下降沿到IGBT2的控制脉冲的上升沿的时间，也就是MOSFET2关断到IGBT2导通的间隔时间，它可保证MOSFET2和IGBT2不会同时导通；t4是IGBT2的控制脉冲的下降沿到MOSFET2的控制脉冲的上升沿的时间，也就是IGBT2关断到MOSFET2导通的间隔时间，它可保证MOSFET2和IGBT2不会同时导通；由于电火花放电时间约为3～5us，所以t2为固定的5us，t4也固定为5us。t1和t3是随设定的频率和充电电压而变化的，在某一频率下，当设定充电电压最大时，t1达到最大值，t3达到最小值5us，当设定充电电压最小时，t1达到最小值，t3达到最大值。电源产生电火花的频率的调节范围是10～1000Hz，电容充电电压的调节范围是10V～155V。

在控制中心的控制下，在t1时间范围内，MOSFET2导通，开始对电容C21进行充电，充电电压比较电路将电压值与设定值进行比较，当其电压达到设定电压时，电压比较器2输出改变，通过控制中心控制，将MOSFET2的控制脉冲变为低电平，从而关断MOSFET2，停止对电容C21进行充电。经过t3时间间隔后，IGBT2在t2时间内导通，当电极与工件接触时，电容上的电能迅速通过接触点释放，产生电火花；t2时间结束后，IGBT2控制脉冲波形变为负值，从而关断IGBT2。经过t4时间间隔后，MOSFET2重新导通，开始进行下一个充放电过程，如此周而复始的循环就会不断产生高压脉冲放电。

负压脉冲电路的工作波形图(如图3b所示)和低压稳弧电路的工作波形图(如图3c所示)与高压脉冲电路的工作波形图类似，工作原理也类似。不同是负压脉冲电路产生的是负脉冲输出，而低压稳弧电路输出的正脉冲电压要低一些。

当三个脉冲放电电路联合工作时，整个电源的多脉冲放电波形的工作原理如图3d所示。IGBT2和IGBT1的控制脉冲完全相同，在控制脉冲的控制下，它们同时导通，由于高压脉冲电路中的C21上的电压较高，所以其上的电量先开始通过IGBT2和D23进行放电，当电压低于低压稳弧电路中的C11上的电压时，C11上的电量开始通过IGBT1和D13进行放电，当控制脉冲变为负值时，IGBT1和IGBT2停止放电，从而在电极和工件之间产生一个带高压脉冲和低压稳弧的脉冲波形。在控制脉冲的控制下，IGBT3导通时使C31上的电量释放，在电极和工件之间产生一个负压脉冲。

正、负脉冲的放电频率相同，可由用户进行设定。在工作整个过程中，正脉冲数/负脉冲数的比值可由用户根据实际工艺需要进行设定，正压脉冲数/负压脉冲数＝{1,2,3，……，100，0,1/100，……，1/3,1/2}。图3d中的正压脉冲数/负压脉冲数＝3。

以上给出一种具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的电路结构并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.多脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源，包括第一正压脉冲电路，其特征在于，还包括第二正压脉冲电路和负压脉冲电路，所述第一正压脉冲电路、第二正压脉冲电路和负压脉冲电路的输出端并联，用于连接运动电极和工件；所述第一正压脉冲电路输出电压低于所述第二正压脉冲电路；所述第一正压脉冲电路、第二正压脉冲电路和负压脉冲电路均包括依次连接的对应交流调压单元、整流滤波单元、充电单元、固定放电电容和放电单元；所述充电单元中串设有用于充电控制的充电控制开关管，放电单元中串设有用于放电控制的放电控制开关管；充电控制开关管和放电控制开关管受控连接于控制中心；

第一正压脉冲电路的放电控制开关管（IGBT1）、第二正压脉冲电路的放电控制开关管（IGBT2）的控制脉冲完全相同，它们同时导通，第二正压脉冲电路的固定放电电容（C21）电压高于第一正压脉冲电路的固定放电电容（C11）的电压，第二正压脉冲电路首先开始放电，直到第二正压脉冲电路的固定放电电容（C21）电压低于第一正压脉冲电路的固定放电电容（C11）的电压，第一正压脉冲电路首先开始放电，当控制脉冲变为负值时，第一正压脉冲电路的放电控制开关管（IGBT1）和第二正压脉冲电路的放电控制开关管（IGBT2）停止放电，从而产生一个带高压脉冲和低压稳弧的脉冲波形。

2.根据权利要求1所述的多脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源，其特征在于，所述充电控制开关管采用MOSFET。

3.根据权利要求1所述的多脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源，其特征在于，所述放电控制开关管采用IGBT。

4.根据权利要求1所述的多脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源，其特征在于，所述控制中心由CPU和FPGA组成。

5.根据权利要求1所述的多脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源，其特征在于，所述第一正压脉冲电路的固定放电电容两端还并联有至少一组可调放电电容，所述可调放电电容由放电电容组和对应的控制开关串联构成。

6.根据权利要求5所述的多脉冲数字控制型电火花沉积堆焊电源，其特征在于，所述第一正压脉冲电路和负压脉冲电路共用一个滤波整流单元（D1）。