CN1051491C

CN1051491C - 熔化极初期高压脉冲接触引弧控制法及其控制电路

Info

Publication number: CN1051491C
Application number: CN97108551A
Authority: CN
Inventors: 张贵峰; 王士元; 肖克民
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 1997-12-12
Filing date: 1997-12-12
Publication date: 2000-04-19
Anticipated expiration: 2017-12-12
Also published as: CN1184014A

Abstract

一种熔化极初期高压脉冲引弧控制法，即在熔化极接触引弧时，自焊条或焊丝经与工件短路后提升脱离开工件瞬间起，通过控制电路迅速提高焊机输出至其可能的最大值，待电弧引燃后或该引弧高压脉冲持续某一较短时间后立即切断此高压引弧脉冲，焊机输出转由操作者设定的规范控制，控制电路由引弧状态实时检测电路、引弧脉冲发生电路、引弧脉冲切断电路及在引弧脉冲发生电路与原焊机规范控制电路间进行选择切换的电路组成，具有既能提高引弧可靠性，又不增加短路电流、能耗低、飞溅小、提高场强效果均一等优点。

Description

熔化极初期高压脉冲接触引弧控制法及其控制电路

本发明涉及一种提高弧焊电源引弧可靠性的方法及其控制电路，特别涉及一种熔化极初期高压脉冲接触引弧控制法及其控制电路。

熔化级电弧焊均采用接触引弧的方法，现行的改进熔化极接触引弧的方法有如下两种，它们均已在电焊机生产中获得了广泛的应用。

1并联高压引弧法：

该方法主要是在主电路采取措施，通过提高空载电压来改善引弧性能的。其主要缺点有：因主变压器多用一套三相整流绕组及一套三相桥式不可控整流电路而导致成本高；正常施焊过程中前述辅助电路经一电阻亦参与了对电弧的供电，该电阻必将耗能。(文献1：“弧焊电源”，郑宜庭等编，机械工业出版社，102页，1996年10月。)

2热起动引弧法：

该方法主要是在控制电路采取措施，增加瞬态短路电流来改善引弧性能的。即在接触引弧时，自焊条与工件短路瞬间起，利用一微分控制电路，短时间内增大焊机输出电流来改善热发射的条件，从而改善引弧性能的。其主要缺点有：因焊条与工件间接触电阻有一定随机性，使得瞬间短路电流值相差较大，影响了该方法效果的均一性；采用增大瞬间短路电流的方法，增大了产生飞溅的倾向性，薄件施焊时有烧穿工件的危险，同时，焊机一次侧供电电流增加，耗电能随之增加，半导体整流器件有因过流而烧坏的危险。(文献2：“弧焊电源”，郑宜庭等编，机械工业出版社，137页，1996年10月。)

本发明的目的在于试图从电弧引燃的基本机理出发，提出一种既能改善引弧性能，又能克服上述现有引弧控制方法难以避免的成本高、能耗大、均一性及工艺性能差的缺点，同时具有广泛适用性的引弧控制方法，并设法用电路实现之。

本发明基于充分利用场发射与场电离的引弧机理，通过控制电路在最为合适的时刻，将电弧引燃动态过程中的电场强度尽可能提高至最大值这一基本思想，提出了一种“熔化极初期高压脉冲接触引弧控制法”，并设计了相应的控制电路，改善了弧焊电源的引弧性能(特别是在小规范情况下的引弧性能)。本发明提出的引弧控制方法的具体内容是：在熔化极接触引弧时，仅仅自焊条或焊丝经与工件短路后回抽脱离开工件瞬间起，通过控制电路迅速提高焊机输出，在其输出端获得幅值为其可能的最大值的高压引弧脉冲，经检测电弧电流或该引弧高压脉冲的持续时间，待电弧引燃后或该引弧高压脉冲持续某一较短时间后立即切断此高压引弧脉冲，焊机输出转由操作者设定的规范控制。其最优越之处在于：(1)选取了合理的时刻即仅仅自焊条或焊丝经与工件短路后回抽脱离开工件的瞬间起，施加高压引弧脉冲，该脉冲的幅值为焊机可能输出电压的最大值，故将大于设定规范下的空载电压值，从而加强了引弧时的电场强度，提高了引弧可靠性，充分发挥了焊机的潜能；(2)在正常施焊时对操作者设定的焊接规范无任何影响；(3)与现有的“并联高压脉冲引弧法”相比，它是在控制电路采取措施，主电路无须做任何改动，故具有制作简单、成本低、无附加能耗的优点；与现有的“热启动引弧法”相比具有因不增加短路电流而带来的能耗低、飞溅倾向减小、无烧穿薄件危险、受焊接区接触电阻的影响小而提高场强的效果均一等优点；(4)由于因熔滴短路过渡引起的电弧再引燃过程与接触引弧过程相似，都经历了先短路、后建立电弧的过程，故同样具有提高由于熔滴短路过渡引起的电弧再引燃可靠性的优点。

当焊接规范设定为小规范时，或因空载电压较低(例如ZX5)，或因稳态短路电流低，或因两者都低导致引弧困难。采用本发明可使引弧瞬间的空载电压即焊条经与工件短路回抽脱离开工件瞬间所加的高压脉冲的幅值，将远大于设定规范下的空载电压值，可提高引弧瞬间的电场强度，用较强的场发射来弥补热发射的不足，故能显著改善小规范时的引弧性能。同理，本发明同样也有利于提高大规范时的引弧性能。

图1为本发明的控制电路框图一熔化极初期高压脉冲接触引弧控制电路框图，它是依据前述该发明的技术路线设计的。该框图共由六部分组成：1为原焊机焊接规范控制系统输出电路，其输出电压的大小对应于一定的相位(当主电路采用可控硅时)或频率(当主电路采用MOS、IGBT等可关断器件时)的大小；2为在焊条回抽开始建立电弧瞬间(或熔滴短路过渡结束要再引燃电弧瞬间)使焊机输出电压达最大值的给定引弧脉冲发生电路；3为在上述1与2间进行选择切换的电路；4为原焊机系统的触发或驱动电路；5为引弧状态(或再引燃状态)的实时检测电路；6为前述给定引弧脉冲的切断电路。其中，1、4部分为原焊机已有电路；2、3、5、6部分是在本发明中需另行设计的电路。由引弧状态实时检测电路5输出的信号送至给定引弧脉冲发生电路2，给定引弧脉冲发生电路2的输出和原焊接规范控制系统电路1的输出经选择切换电路3输出至触发或驱动电路4，给定引弧脉冲切断电路6的输出信号输出至给定引弧脉冲发生电路2。依此框图，根据具体焊机的不同情况，可具体设计出很多种控制电路，难以穷尽，在此有代表性地举两例，分别见图2与图3所示。其中图2为ZX5弧焊电源用熔化极初期高压脉冲接触引弧控制电路，其适应面窄，但元件少，电路简单；图3为通用熔化极初期高压脉冲接触引弧控制电路，其适应面宽，可根据具体弧焊电源的需要灵活调整接线或电源极性，但元件数目较多，略显复杂，成本亦较高。

图2中，点划线上部为ZX5弧焊电源原有触发脉冲产生电路，点划线下部为本发明所设计的熔化极初期高压脉冲接触引弧控制电路。参照框图1作如下简要说明：其选择切换电路由位于图2右下角处的二极管VD₄和二极管VD₅构成的共阳极电路组成，该共阳极M端经一电阻接至原焊机的145号端；引弧状态实时检测电路由电弧电压阀值鉴别稳压管VW₁、光耦IC₁、三极管反相器VT₁及由耦合电容C₃、二极管VD₂、电阻R₇构成的微分电路这四部分和辅助的保护二极管VD₁、滤波电容C₂、抗干扰稳压管VW₂组成，其输出由VT₁的集电极经耦合电容C₃接至集成电路555的6脚。由于末级采用了微分式输出电路，使得该引弧状态检测电路仅在焊条经与工件短路后，回抽脱离开工件瞬间(或短路过渡结束后电弧再引燃瞬间)，输出一正向窄脉冲(由-15V上跳至接近0V)，在持续的短路状态、持续的燃弧状态、持续的空载状态均输出(-15V)。IC₁、C₁、C₂、VW₂均为提高电路的抗干扰能力而设置，瞬间短路时C₁尚可经R₁和焊接区的等效电阻快速放电，使检测电路响应的实时性得以提高；引弧给定脉冲发生电路由具有比较记忆功能的555集成电路构成，在焊条回抽瞬间(或电弧再引燃瞬间)由555的3脚输出(-15V)的脉冲信号；脉冲切断电路由运放F构成，其输出通过二极管VD₃加至555的2脚，A端接原焊机控制电路板上运放F₁的输出(此部分电路因原焊机控制电路不同而异，以能保证555所需匹配的电压极性和幅值为原则)；B、C端接原焊机主电路输出端；D端接原焊机控制电路输出端，对于ZX5而言其值始终为一绝对值小于15V的负电平。

图2所示ZX5弧焊电源用熔化极初期高压脉冲接触引弧控制电路的工作原理简介如下：在此，555受原焊机控制系统电路的限制，采用了0～-15V供电。在电路刚合闸瞬间，555的2脚因电容C₄的电压不能突变而为(-15V)，必使3脚输出为高电平，即为0V。其后，由555的3脚经R₁₂对C₄充电。引弧时在焊条或焊丝与工件短路期间，焊机输出电压一般低于15V，稳压管VW₁将截止，光耦器件IC₁也将截至，三极管VT₁导通，C₃经VT₁和VD₂快速放电，555的6脚将为(-15V)，555的3脚保持0V不变，焊机输出短路电流由操作者设定的规范控制，高压脉冲引弧控制电路对此间的短路电流无影响。当焊条或焊丝回抽脱离开工件瞬间，光耦器件IC₁导通，三极管VT₁截至，经电容C₃耦合输出一峰值大于(-5V)的正向脉冲，加至555的6脚，则3脚输出翻转为(-15V)，移相电压将自动由操作者设定的规范切换至(-15V)，焊机输出将增至其最大值，即将高压脉冲施加于电弧空间。其后，0～-15V电源经R₆、C₃、R₇对C₃充电，随充电过程的进行，555的6脚其电平逐渐降低，至C₃充电结束时，又恢复为(-15V)。待电弧电流增至适当值时，555的2脚将低于(-10V)，使555的3脚恢复为0V，移相电压随之切换至操作者的设定值，高压脉冲取消，其后，电弧将在操作者设定的规范下燃烧。若引弧失败，则电容C₄经3脚放电，直至C₄电压低于(-10V)，使3脚自动恢复为0V，为再次引弧作准备，避免了再次引弧时短路电流的不适当的增大。

图3与图2基本原理相同，但电路设计较为灵活，主要体现在以下几方面：(1)、电源极性可灵活选择；(2)、加于555的触发脉冲极性可灵活选择；(3)、高压脉冲的切断方式可按电弧电流大小或高压脉冲宽度选择；(4)、可用两片555或一片556芯片。对图3简要说明如下：VT₂为一反相器，在焊条回抽瞬间(或短路过渡后电弧再引燃瞬间)由其集电极输出一下跳脉冲经微分电容C₄至1#555的2脚；1#555为一单稳延时电路，用以预调引弧给定脉冲的宽度；2#555为引弧给定脉冲发生电路，其2脚亦接于VT₂的集电极，由3脚输出一上跳脉冲；由于555仅有强迫复位功能而无强迫置位功能，故设计了两级反相器VT₃、VT₄，以便可调整引弧给定脉冲的极性；运放F为电弧电流放大器，其输出端所接的两条支路也是为了调整F输出的电压极性而设置的，以满足原焊机与2#555间电压匹配的要求。当根据电弧电流大小决定引弧脉冲的持续时间时：选择开关K₃拨至上端，即将2#555的4脚与电源+端接通；选择开关K₄拨至上端，即将2#555的6脚与运放F的输出端接通。当根据单稳延时决定引弧脉冲的持续时间时：K₃拨至下端，即将2#555的4脚与1#555的3脚接通；K₄拨至下端，即将2#555的6脚通过电阻R₁₂接地。对焊机的触发或驱动电路而言，当其控制电压越大焊机输出规范越大时，双刀双掷开关K₅拨至下端，即VD₆与VD₈构成共阴极输出电路，由VD₆阴极可获得高电压脉冲输出，此时VD₈阳极N端接至原焊机规范控制电路输出端；反之，则将K₅拨至上端，即VD₅与VD₇构成共阳极输出电路，由VD₅的阳极可获得低电压脉冲输出，此时VD₇的阴极D端接至原焊机规范控制电路输出端。

按上述介绍的控制电路，以ZX5--400弧焊电源为样机进行试验。采用光线示波器测试以下三个参数：焊机输出电压U_F、输出电流I_F、555的3脚输出电压U_N。测试条件：将焊机面板上电流给定值电位器置于小规范30～40A范围；引弧电流旋钮及推力电流旋钮也均旋至最小值处。仅模仿引弧过程：先将焊条与工件短路，然后回抽。图4为熔化极初期高压脉冲接触引弧试验测试波形图。图中：7为瞬态短路电流波形；8为电弧电流波形；9为焊机主电路输出端所获得的引弧高压脉冲波形；10为设定规范下的空载电压波形；11为短路电压波形；12为焊条回抽瞬间555的3脚电平的波形。

由图4可观察到：在回抽瞬间，U_N由0V下跳至-15V；I_F由瞬时短路电流峰值I_SD降至I_F，且I_F呈动态增加趋势；U_F由短路时的0V跃至最大值，持续一较短时间后才回落至操作者设定规范下的空载电压值。可见，U_F自回抽瞬间起，其前一段输出电压的平均值高于后一段操作者所设定的空载电压值，实现了熔化极引弧初期的回抽高压脉冲引弧。实际操作也证明了引弧可靠性得以提高。

该发明可广泛应用于ZX5系列弧焊电源及以MOS、IGBT、功率晶体管为逆变元件的ZX7系列、ZP7系列弧焊电源。

Claims

1、熔化极初期高压脉冲引弧控制法，其特征在于，在熔化极接触引弧时，仅仅自焊条或焊丝经与工件短路后回抽脱离开工件瞬间起，通过控制电路迅速提高焊机输出，在其输出端获得幅值为其可能的最大值的高压引弧脉冲，经检测电弧电流或该引弧高压脉冲的持续时间，待电弧引燃后或该引弧高压脉冲持续某一较短时间后立即切断此高压引弧脉冲，焊机输出转由操作者设定的规范控制。

2、熔化极初期高压脉冲引弧控制电路，包括焊接规范控制系统输出电路1和触发或驱动电路4，本发明的特征是，还包括了一引弧状态实时检测电路5，由引弧状态实时检测电路5输出的信号送至给定引弧脉冲发生电路2，给定引弧脉冲发生电路2的输出和原焊接规范控制系统电路1的输出经选择切换电路3输出至触发或驱动电路4，给定引弧脉冲切断电路6的输出信号输出至给定引弧脉冲发生电路2。

3、根据权利要求2所述的可用于ZX5弧焊电源的控制电路，其特征在于，所说的选择切换电路3由二极管VD₄和二极管VD₅构成的共阳极电路组成，二极管VD₄和二极管VD₅的阴极分别接于集成电路555的3脚和原焊机焊接规范控制电路输出端，共阳极M端经一电阻接至原焊机的移相电压输入端(145)，所说的给定引弧脉冲发生电路2由集成电路555构成，所说的引弧状态实时检测电路5由电弧电压阀值鉴别稳压管VW₁、光耦IC₁、反相器VT₁及由C₃、VD₂、R₇构成的微分电路这四部分和辅助的保护二极管VD₁、滤波电容C₂、抗干扰稳压管VW₂组成，其输出由VT₁的集电极经微分电容C₃接至555的6脚，所说的给定引弧脉冲切断电路6由运放F构成，其输出经二极管VD₃加至集成电路555的2脚，A端接原焊机控制电路板上F₁的输出，B、C端接原焊机主电路的输出端，D端接原焊机规范控制电路的输出端。

4、根据权利要求2所述的通用控制电路，其特征在于，所说的选择切换电路3由开关K₅及可分别接成共阴极形式的二极管VD₆、VD₈或共阳极形式的二极管VD₅、VD₇组成，D或N端接原焊机规范控制电路的输出端，所说的给定引弧脉冲发生电路2由集成电路555和三极管反相器VT₃或集成电路555和三极管反相器VT₄构成，所说的引弧状态实时检测电路5由电弧电压阀值鉴别稳压管VW₁、光耦IC₁、三极管反相器VT₁、由C₃、VD₂、R₇构成的微分电路和三极管反相器VT₂这五部分和辅助的保护二极管VD₁、滤波电容C₂、抗干扰稳压管VW₂组成，其输出由VT₂的集电极输出两路，一路直接接至用作给定引弧脉冲发生电路2#555的2脚，另一路经微分电容C₄接至用作单稳延时电路1#555的2脚，所说的给定引弧脉冲切断电路6由集成电路555构成的单稳延时电路或运放F构成，前者的输出经选择开关K₃接至给定引弧脉冲发生电路2#555集成电路的4脚，与此同时，用选择开关K₄将2#555的6脚通过电阻R₁₂接地，后者的输出经选择开关K₄接至给定引弧脉冲发生电路2#555的6脚，与此同时用K₃将2#555的4脚与电源(+)端接通，A端接原焊机控制电路板上电弧电流放大电路的输出端，B、C端接原焊机主电路的输出端。