CN1137962A - 变流电焊机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适应各种焊接材料进行立焊、仰焊、横焊等全位置焊接的变流电焊机，在其外控器工作电源的正极接有可编程振荡分频器CD4541B和开关编码电路CD4017BCN，后者输入端与前者输出端相连；其输出端接至二输入四与非门CD4011，CD4011四个输出端各接光电耦合器4N25；同时，引弧控制电路将分流器输入信号经内部电压跟随器CA3140和集成运算放大器LM324的先后处理，一并引入CD4011输入端，与编码脉冲序列波一起经光电隔离切换，共同控制焊机引弧延时后输出有规律的焊接电流波形，实现变流焊接。

Description

变流电焊机

本发明涉及焊接电源，是一种适应各种焊接材料进行立焊、仰焊、横焊等全位置焊接的变流电焊机。

普通的手弧焊用焊接电源，根据焊件厚度及焊条直径预先设定焊接电流，焊接过程中的焊接速度、电弧电压及相应的电流等焊接参数变化需靠人工控制，因此对焊工的工艺操作规程有严格的要求，焊工在焊接过程中要随时注意熔池形状，针对不同的焊接位置，通过不同运条方式来改变弧长，或拉长电弧，提高电弧电压，降低焊接电流，加速熔滴凝固；或缩短电弧，以集中电弧能量；甚至断弧，再起弧，来有节奏地人工控制焊接电流的变化，以获得均匀一致的焊缝。该方式既增加焊工操作难度，同时焊缝质量也因焊工操作熟练程度而异，特别是对于等离子涂层连续焊条(申请号95 1 04401.X)这种高能自熔药皮焊条来说，由于其在焊接时自动生成的药皮套筒可集中压缩电弧，因而能够产生高能量密度的等离子弧，利用普通焊机，靠人工观察和手工控制进行高能等离子弧焊已无法迅速跟踪熔池的变化。

对此本发明提供了一种变流电焊机，能够模仿手工电弧焊焊工的工艺操作要求，在焊接过程中自动跟踪熔池变化情况，随时调节焊机输出的焊接电流大小和变化的节拍时间，不但实现等离子弧焊，而且还适用于其他各种涂层焊条进行立焊、仰焊、横焊等全位置焊接。

本发明是这样实现的：

在可控硅直流焊机外控线接一外控器，该外控器控制电路工作电源的正极接有一个可编程振荡分频器CD4541B和一个CMOS脉冲计数分配器CD4017BCN，前者输出端与后者输入端相连，为后者提供连续的脉冲矩形波；在CD4017BCN的10位输出端依次串接一个开关，组成共10位编程开关组K₀～K₉，中间各通过一个隔离二极管，从而形成一个开关编码电路，通过编程开关任意开、闭组合，将CD4541B输入的一连串脉冲矩形波变为所需脉冲序列波输出；脉冲序列波经二输入四与非门CD4011处理，在其四个输出端被分为相反两组电平信号，当其中一组的两个输出端输出高电平时，另一组两个输出端必为低电平，反之亦热，以该两组信号来触发分别连接在上述四个输出端后的对应两组光电隔离切换回路上的光电耦合器4N25，每组切换回路上还有一个电流设定电位器与光电耦合器串联，两组回路上的电位器有相同的输出端，与电焊机外控线相连，当编程处理过的脉冲序列波表现为高电平时，CD4011的一组输出端便输出高电平，控制与之对应的一路光电隔离切换回路，使连接在这两个输出端后的两片4N25被触发，此回路中的电流设定电位器W₈上有电流通过，与其相反，另一组输出端因输出低电平，而无法触发连接其后的另两个4N25，则该回路上的电流设定电位器W₂无电流通过，所以自电位器上输出端送入电焊机控制其输出焊接电流的是由电位器W₈设定的信号，同理，当脉冲序列波由高电平转变为低电平，原先输出低电平信号的输出端变为输出高电平，所以进入电焊机的信号变为由电位器W₂控制；此外在CD4011的输入端还接入一个引弧控制电路，目的是在引弧时有足够的能量保证引弧成功，延时后再进入变流状态，该电路由一个电压跟随器CA3140和一个集成运算放大器LM324连接而成，引弧信号由分流器输入，通过CA3140进入LM324内部第一级放大器，将CA3140输入的小信号进行初级放大，并将该放大信号输入LM324内部一比较器的反向输入端，另外，LM324内部还有一个电压跟随器为该比较器的正向输入端提供一设定电压，电容C₇、电阻R₁₈一端也并联接在该比较器的反向输入端，另一端接地，用于对第一级放大器的输出信号进行延时处理，比较处理信号被输入后面的第二级放大器，经放大后也进入CD4011输入端。

电流设定电位器W₂、W₃阻值相等，导致两者控制焊机输出的电流变化范围相同。

整个控制电路的工作电源是由常规380V或220V市电经变压器降压、整流、滤波和稳压后来保证。

可编程振荡分频器CD4541B的接线脚1接有可调电位器W₁，用于改变脉冲矩形波的输出频率。

引弧控制电路上LM324内电压跟随器输出的设定电压可调，由调节端接入跟随器正向输入端的电位器KW₂控制。

引弧控制电路输入端并联反接两个二极管D₁₇、D₁₈，起限位保护作用。

引弧时，由分流器引入焊接信号至引弧控制电路输入端，经电压跟随器CA3140，进入集成运算放大器LM324内部先进行初级放大，然后输入至内部比较器的反向输入端，在此之前输入信号先对并接在该比较器反向输入端的电容C₇进行充电，充电过程初始，比较器正向输入端的设定电压比反向输入端的电压大，因此，比较器输出端输出高电平，经LM324内部第二级放大器再次放大后输出高电平至二输入四与非门CD4011输入端，该高电平信号略大于开关编码电路输出的脉冲序列波的高电平，因此输入CD4011的是该高电平信号，最终自外控器传递至电焊机的是由电位器W₃设定的焊接电流控制信号，该焊接电流应设置得足够大以确保获得充分的引弧能量从而保证引弧成功；随着电容器C₇电量逐渐充满至比较器反向输入端的电压大于正向输入端的设定电压时，比较器输出端即输出低电平，经第二级放大后进入CD4011的信号为低电平，当此信号低于开关编码电路输出的脉冲序列波形的低电平信号时，则随后输入CD4011的就是一连串脉冲序列波，致使焊机输出电流由电流设定电位器W₂、W₃交替控制，完成从引弧控制进入脉冲序列波控制，使电焊机输出周期性变化的焊接电流，实现变流焊接。

本发明的优点在于：

①利用变流技术，大大简化焊工操作工艺要求，提高焊接质量；

②采用开关编码电路与可编程振荡分频器组合，可控制焊机输出任意序列波形的低频焊接电流；

③引弧控制电路控制焊机输出引弧电流，以提供足够的能量确保引弧成功，经延时再进入变流焊接阶段。

下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步说明。

图1为最佳实施例外控器电路原理图；

图2为可编程振荡分频器CD4541B输出的连续脉冲矩形波；

图3为经开关编码电路编程后输出的脉冲序列波；

图4为电流设定电位器W₃输出峰值电流设定信号；

图5为电流设定电位器W₂输出基值电流设定信号；

图6为引弧开始输入二输入四与非门CD4011的信号；

图7为引弧开始焊机输出的焊接电流波形。

图1所示：

CD4541B：可编程振荡分频器

CD4017BCN：CMOS脉冲计数分配器

CD4011：二输入四与非门    ①～④：光电耦合器4N25

CA3140：电压跟随器        LM324：集成运算放大器

7812：稳压器              C₁～C₁₀：电容器

D₁～D₁₉：二极管         K₀～K₉：编程开关

R₁～R₁₈：电阻           W₁～W₃：电位器

KW₁～KW₄：电位器

普通380V或220V市电作为该控制器的输入电源，由变压器降压，二极管桥式电路整流，电容器滤波，最后经7812稳压，为电路中各集成元件提供12V的工作电压。

可编程振荡分频器CD4541B的接线脚8与CMOS脉冲计数分配器CD4017BCN接线脚14相连，将产生的一连串脉冲矩形波输入后面的开关编码电路，波形如图2所示，T₁为脉冲周期，CD4541B的线脚1、2、3分别接电位器W₁、电容C₄及电阻R₁，三元件另一端并联，该RC振荡回路可控制脉冲波输出频率f₁，f₁＝1/T₁，频率由电位器W₁来调节。

CD4017BCN的输出端Y₀～Y₉接10位编程开关K₀～K₉，中间通过隔离二极管D₀～D₉，三者组成一个开关编码电路，当振荡器输入一连串矩形脉冲时，在Y₀～Y₉会顺次出现高电平，合上编程开关，便输出高电平，否则即是低电平，所以经编程开关任意开、闭组合，就能得到不同的脉冲序列波，例如：合上K₀、K₁、K₅、K₆，打开其余开关，可输出如图3所示的波形，从图中可知，脉冲序列波周期T₂既与振荡分频器输出的脉冲矩形波周期T₁有关，又受编程开关开、闭组合的影响，改变这两个参数，可以获得所需的任意周期和时序的波形。

由开关编码电路输出的脉冲序列波形是最终控制焊机进行变流焊接的信号来源，本实施例利用二输入四与非门CD4011和光电耦合器4N25对该信号进行光电隔离切换处理：编程处理后的信号经CD4011，在其输出端4和10、3和11被分为相反两组电平信号，用来分别触发对应两组光电隔离切换电路；当脉冲序列波表现为高电平时，CD4011输出端4和10输出高电平，触发连接其后的光电耦合器4N25①和③，由于电流设定电位器W₃与耦合器①、③串联，所以有电流通过，与此同时，CD4011的另外两个输出端3和11输出与前者相反的低电平，因而无法触发与该两个输出端相连的光电耦合器4N25②和④，自然与该两耦合器串联的电流设定电位器W₂上没有电流，所以从23、24两端点输出至电焊机的是由W₃控制的焊接电流设定信号，见图4；反之，当脉冲序列波由高电平转为低电平时，输入电焊机的信号则变为由W₂来控制，如图5所示，上述两图，设定由W₃输出的峰值焊接电流设定信号U_max，由W₂输出基值焊接电流设定信号U_min。由于W₂、W₃可调，所以焊接电流的基值和峰值均可改变，而且由于两者阻值相等，可控制焊机输出变化幅度相等的焊接电流，因此也可由W₂控制输出峰值焊接电流，由W₃控制输出基值焊接电流。

为了在引弧初始阶段先保证引弧成功，再进入变流焊接，本实施例又在二输入四与非门CD4011的输入端A处接入一个引弧控制电路，控制信号由分流器输入，输入端并联反接两个二极管D₁₇、D₁₈，起限位保护作用；未施焊时，分流器无信号，引弧时，自分流器引入的信号先经电压跟随器CA3140进入集成运算放大器LM324内第一级放大器，被初级放大，输入LM324内部一比较器的反向输入端9，在此之前又设置了由电容C₇、电阻R₁₃组成的脉冲延时电路，使第一级放大器输出的信号在送至比较器反向输入端9之前，先对电容C₇进行充电，另外，输入比较器正向输入端10的是一设定电压，该电压由LM324内部的电压跟随器提供，并且通过调节与此跟随器正向输入端3相连的电位器KW₂即可改变电压设定值；刚引弧时，分流器输入的信号先对电容C₇进行充电，此时，比较器正向输入端10的设定电压大于其反向输入端9的电压，因此比较器输出高电平，经LM324内部第二级放大器再次放大输出高电平至CD4011输入端A，该高电平信号覆盖了开关编码电路输出的脉冲序列波，所以输入CD4011的是高电平，经光电隔离电路转换，输入电焊机的就是由W₃设定峰值焊接电流信号，从而保证引弧时能量充足，方便引弧；随着电容器C₇内电量逐渐充满至比较器反向输入端9的电压大于正向输入端10的设定电压时，输出端8输出低电平，经第二级放大后进入A端的为低电平，当此信号低于开关编码电路输出的脉冲序列波形的低电平信号时，则随后输入CD4011的就是一连串脉冲序列波。图6反映了自引弧开始起输入CD4011信号的变化情况，t₀为高电平引弧延时时间，脉冲序列波形仍以图3所示波形为基础；图7为焊机输出焊接电流的波形，I_max为峰值焊接电流，I_min基值焊接电流，在引弧延时时间t₀内，焊机输出峰值电流，延时结束，进入变流阶段。通过该外控器控制电焊机引弧成功后，进而交替输出大小变化的焊接电流，实现变流焊接。

Claims (6)

1、一种适应各种焊接材料进行立焊、仰焊、横焊等全位置焊接的变流电焊机，由可控硅直流焊机及其外控器组成，其特征是在外控器控制电路工作电源的正极接有一个可编程振荡分频器CD4541B和一个CMOS脉冲计数分配器CD4017BCN，前者输出端(8)与后者输入端(14)相连，为后者提供连续的脉冲矩形波；在CD4017BCN的10位输出端(Y₀～Y₉)顺序串接一个编程开关，组成共10位编程开关组K₀～K₉，中间各通过一个隔离二极管，形成一个开关编码电路，通过编程开关任意开、闭组合，将CD4541B输入的一连串脉冲矩形波变为所需脉冲序列波输出；该信号自二输入四与非门CD4011输入端(A)被输入内部进行缓冲处理，并在其四个输出端(4和10、3和11)被分为高、低电平两组信号，当其中一组的两个输出端输出高电平时，另一组的两个输出端必输出相反的低电平，反之，当原先输出高电平的输出端变为输出低电平时，对应另一组则相应变为输出高电平，以此来触发分别连接在上述四个输出端后对应两组光电隔离切换回路上的光电耦合器4N25，每组切换回路上均有一个电流设定电位器与光电耦合器串联，两组回路上的电位器有相同的输出端(23、24)，与焊机外控线相连，当编程处理过的脉冲序列信号表现为高电平时，在CD4011其中一组输出端(4和10)输出高电平，另一组(3和11)输出相反低电平，因而与高电平输出端(4和10)相连的两片4N25被触发，有电流通过与该两个光电耦合器串联的电流设定电位器W₃，将控制信号输入电焊机，反之，当脉冲序列信号由高电平转变为低电平，则被触发的是与原先低电平信号输出端(3和11)相连的两片4N25，控制信号由该回路上的电流设定电位器W₂输入电焊机；此外在CD4011的输入端(A)处还接入一个引弧控制电路，该电路有一个电压跟随器CA3140和一个集成运算放大器LM324，引弧信号由分流器输入，通过CA3140进入LM324，LM324内部的第一级放大器，将CA3140输入的小信号进行初级放大，并将该放大信号输入LM324内部一比较器的反向输入端，另外LM324内部还有一个电压跟随器输出一设定电压至该比较器的正向输入端，此外，电容C₇、电阻R₁₃也并联接在该比较器的反向输入端，用于对第一级放大器的输出信号进行延时处理，经比较的信号输入LM324内部第二级放大器，经放大进入CD4011输入端(A)。

2、根据权利要求1所述的变流电焊机，其特征在于电流设定电位器W₂、W₃阻值相等。

3、根据权利要求2所述的变流电焊机，其特征在于控制电路的工作电源是由常规380V或220V市电经变压器降压、整流、滤波和稳压后得到的。

4、根据权利要求3所述的变流电焊机，其特征在于可编程振荡分频器CD4541B的线脚1接有可调电位器W₁，可用于改变脉冲矩形波的输出频率。

5、根据权利要求4所述的变流电焊机，其特征在于引弧控制电路LM324内电压跟随器输出的设定电压由调节端接入其正向输入端的电位器KW₂调节。

6、根据权利要求5所述的变流电焊机，其特征在于引弧控制电路输入端并联反接两个二极管D₁₇、D₁₈，起限位保护作用。

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