CN106270939B - 一种双弧tig焊接电源装置 - Google Patents

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Abstract

一种双弧复合焊接电源装置，属于热加工技术领域。该装置包括第一恒流输出电路，第二恒流输出电路，第三恒流输出电路和缓冲网络；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；通过三只功率开关管的轮流导通关断，配合RCD缓冲网络的作用，从而实现了电流输出回路的高速切换，第一钨极与母板之间的电弧和第二钨极与母板之间的电弧可以高速的切换。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。相对于单弧，可以调节能量分布方式。相对于DC双TIG，可以在相同热输入下增加电弧的挺直度。

Description

一种双弧TIG焊接电源装置
技术领域
本发明属于一种双弧TIG焊接电源装置，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，且母材受热区域更集中，可以适用于薄板的焊接。该种焊接工艺采用非熔化极电弧，两条电弧在两个不同钨极与母材之间交替导通。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。
背景技术
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。在TIG焊中，惰性气体有较好的保护作用，它本身既不与金属发生任何化学反应，也不溶解于高温液体金属中，使得焊接过程熔池的冶金反应简单，容易控制，TIG焊接电流在10-500A范围内电弧都很稳定，且不存在熔滴过渡问题，无飞溅，焊缝美观。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。目前双弧高速焊接工艺相对于单弧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，在直流TIG焊多电极焊接时，由于相近的电极通以同方向的电流，电极间的电弧相互作用极易造成磁偏吹，使得焊接过程中电弧出现摆动而不稳定，应用困难。而且常规的恒流或低频脉冲焊接工艺电弧挺度不够，在高速移动时电弧会出现拖拽和跳跃现象，容易产生焊接缺陷。如果简单采用双非熔化极大间距电弧焊接，可以改善焊接速度，但是整体热输入较高,无法应用于薄板的焊接。
发明内容
本发明的目的在于，通过提供一种双弧复合焊接工艺方法，实现焊缝区域受热高度集中及高速焊接的目的，从而应用于常规双弧焊接无法解决的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：
一种双弧TIG焊接电源装置，其特征在于：该装置包括第一恒流输出电路(10)，第二恒流输出电路(13)，第三恒流输出电路(12)和缓冲网络；还包括电流切换电路(11)；
该电流切换电路包括：第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、二极管D1；第一开关管Q1集电极与二极管D1的A端、第二恒流输出电路的阳极相连，第一开关管Q1发射极与第二开关管Q2的发射极、第三开关管Q3的发射极相连，第二开关管Q2的集电极与第一钨极、第一恒流输出电路的阴极相连，第三开关管Q3的集电极与第二钨极、第三恒流输出电路的阴极相连；母材与第三恒流输出电路的阳极、第一恒流输出电路的阳极、二极管D1的K端相连。
当电流切换电路(11)中第一开关管Q1、第三开关管Q3关断，第二开关管Q2导通时，第二恒流输出电路输出的电流叠加在第一钨极上，第一恒流和第二恒流同时流过第一钨极，第一钨极流过脉冲峰值电流，第三恒流流过第二钨极，第二钨极流过脉冲基值电流。
当电流切换电路(11)中第一开关管Q1、第二开关管Q2关断，第三开关管Q3导通时，第二恒流输出电路输出的电流叠加在第二钨极上，第二恒流和第三恒流同时流过第二钨极，第二钨极流过脉冲峰值电流，第一恒流流过第一钨极，第一钨极流过脉冲基值电流。
当电流切换电路(11)中第二开关管Q2、第三开关管Q3关断，第一开关管Q1导通时，第二恒流输出电路输出的电流通过第一开关管Q1直接流回第二恒流输出电路；第一恒流流过第一钨极，第一钨极流过脉冲基值电流；第三恒流流过第二钨极，第二钨极流过脉冲基值电流。
进一步，所述的第三恒流输出电路输出电流为5—400A。
本发明由两组相同硬件能产生高频高沿脉冲电流的电源组成，且该双电弧复合焊接工艺方法，包括第一、第二、第三恒流输出电路。第一、第三恒流输出电路是基值恒流输出电路，可以实现恒流输出，可以用于非熔化极电弧焊接工艺，实现引弧，不断弧。本发明以全桥电路构建第二恒流输出电路，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基值恒流输出电路，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。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。
三个开关管通过驱动电路交替工作，使电源的阴阳极输出端输出高频高沿脉冲电流。
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。
本发明为复合电弧焊接装置，与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：
通过三只开关管的轮流导通关断，配合RCD缓冲网络的作用，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两组钨极到母材之间切换。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，相对于简单的双非熔化极的复合焊接，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两组钨极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。
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为工作时电流波形图。
图1中Q1、Q2、Q3为开关管，D1为二极管，虚线框中的为RCD缓冲网络。
图2中LEM1、LEM2、LEM4——电流采样器，LEM3、LEM6——电压采样器，(1)第一恒流输出电路的驱动电路，(2)第一恒流输出电路电流采样及滤波，(3)电压采样及滤波，(4)第二恒流输出电路电流采样及滤波，(5)电流切换驱动电路，(6)第二恒流输出电路的驱动电路，(7)第三恒流输出电路的驱动电路，(8)第三恒流输出电路电流采样及滤波，(9)电压采样及滤波，(10)第一恒流输出电路，(11)电流切换电路，(12)第二恒流输出电路，(13)第三恒流输出电路(14)人机界面，(15)DSP控制系统(数字信号处理控制系统)。
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：
该系统由两个交替导通的非熔化极大电流脉冲电弧作为主弧，两个非熔化极恒流小电流电弧作为辅助电弧，主电弧可以在母材和两个钨极之间交替导通，当辅助电弧在钨极和母材之间存在时，可以实现引弧，不断弧。当主弧在钨极和母材之间存在时，可以提高熔敷速度，实现高速焊接。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第一、第二、第三恒流输出电路，电流切换电路组成。非熔化极和母材之间的脉冲电弧是焊接主弧，是非连续电弧，当Q1、Q2、Q3三个开关管交替导通工作时，非熔化极电弧分别存在于母材与两个钨极之间。通过调节三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非熔化极之间的分配。从而调节引弧时间，以利于提高焊接速度。
图3为开关管Q2导通、Q1关断、Q3关断时主电路幅值电流的流动情况。电流由第二恒流输出电路的阳极流出，经过二极管D1，母材，电弧，第一钨极，Q2最终流回到第二恒流输出电路的阴极。脉冲主电弧存在的位置在第一钨极和母材之间。
图4为开关管Q3导通、Q1关断、Q2关断时主电路幅值电流的流动情况。电流由第二恒流输出电路的阳极流出，经过二极管D1，母材，电弧，第二钨极，Q3最终流回到第二恒流输出电路的阴极。脉冲主电弧存在的位置在第二钨极和母材之间。
图5为开关管Q1导通、Q2关断、Q3关断时主电路电流流动情况。电流由第二恒流输出电路的阳极流出，经Q1流回第二恒流输出电路的阴极。辅助电弧存在的位置在两组钨极和母材之间。
综上所述，主电弧的存在可以通过Q1、Q2、Q3的导通关断来控制，当Q1导通，Q2、Q3关断时主电弧不存在，当Q2或者Q3有一个导通、Q1关断时主电弧存在。
图6为电流波形图。从图6可以看出第一钨极电流波形和第二钨极电流波形是交替的，两级幅值不会同时存在，但是可以同时不存在。
如图2所示为本发明的系统框图，第一恒流输出电路的驱动电路(1)连接在DSP控制系统(数字信号处理控制系统)(15)与第一恒流输出电路之间,第二恒流输出电路驱动电路(6)连接在DSP控制系统(数字信号处理控制系统)(15)与第二恒流输出电路之间，电流切换驱动电路(5)连接在DSP控制系统(数字信号处理控制系统)(15)与开关管Q1、Q2、Q3之间，第一恒流输出电路电流采样及滤波(2)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)(15)之间，第二恒流输出电路电流采样及滤波(4)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)(15)之间，第一恒流输出电路电压采样及滤波电路(3)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)(15)之间。人机界面(14)与DSP控制系统(数字信号处理控制系统)(15)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)(15)，DSP控制系统(数字信号处理控制系统)(15)将采样结果与人机界面(14)设定的参数进行比较运算，传递信号给第一恒流输出电路驱动电路(1)，第二恒流输出电路的驱动电路(6)，调节第二恒流输出电路中开关管的占空比，最终实现输出电流参数与人机界面(14)设定值相等，并且DSP控制系统(数字信号处理控制系统)(15)发送信号给电流切换驱动电路(5)，控制开关管Q1，开关管Q2，开关管Q3的开通与关断，实现脉冲输出电流在两个不同钨极之间的切换，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，所以第一钨极与母板之间的电弧和第二钨极与母板之间的电弧可以高速的切换。

Claims (5)

1.一种双弧TIG焊接电源装置，其特征在于：该装置包括第一恒流输出电路(10)，第二恒流输出电路(13)，第三恒流输出电路(12)和缓冲网络；还包括电流切换电路(11)；
该电流切换电路包括：第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、二极管D1；第一开关管Q1集电极与二极管D1的A端、第二恒流输出电路的阳极相连，第一开关管Q1发射极与第二开关管Q2的发射极、第三开关管Q3的发射极相连，第二开关管Q2的集电极与第一钨极、第一恒流输出电路的阴极相连，第三开关管Q3的集电极与第二钨极、第三恒流输出电路的阴极相连；母材与第三恒流输出电路的阳极、第一恒流输出电路的阳极、二极管D1的K端相连。
2.根据权利要求1所述的一种双弧TIG焊接电源装置，其特征在于：当电流切换电路(11)中第一开关管Q1、第三开关管Q3关断，第二开关管Q2导通时，第二恒流输出电路输出的电流叠加在第一钨极上，第一恒流和第二恒流同时流过第一钨极，第一钨极流过脉冲峰值电流，第三恒流流过第二钨极，第二钨极流过脉冲基值电流。
3.根据权利要求1所述的一种双弧TIG焊接电源装置，其特征在于：当电流切换电路(11)中第一开关管Q1、第二开关管Q2关断，第三开关管Q3导通时，第二恒流输出电路输出的电流叠加在第二钨极上，第二恒流和第三恒流同时流过第二钨极，第二钨极流过脉冲峰值电流，第一恒流流过第一钨极，第一钨极流过脉冲基值电流。
4.根据权利要求1所述的一种双弧TIG焊接电源装置，其特征在于：当电流切换电路(11)中第二开关管Q2、第三开关管Q3关断，第一开关管Q1导通时，第二恒流输出电路输出的电流通过第一开关管Q1直接流回第二恒流输出电路；第一恒流流过第一钨极，第一钨极流过脉冲基值电流；第三恒流流过第二钨极，第二钨极流过脉冲基值电流。
5.根据权利要求1所述的一种双弧TIG焊接电源装置，其特征在于：所述的第三恒流输出电路输出电流为5—400A。
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