CN2384729Y - 短路回缩式软开关控制co2逆变弧焊机 - Google Patents

Abstract

短距回缩式软开关控制CO₂逆变弧焊机,包括输入整流滤波电路(1)、软开关控制IGBT逆变器(2)、IGBT驱动电路(3)和高频输出整流滤波电路(4),另外它还包括电压信号取样电路(5)、电流信号取样电路(6)、燃弧短路检测电路(7)、短路缩颈检测电路(8)、高效能短路回缩式电流波形控制电路(9)和全桥定脉宽移相软开关控制电路(10),它避免因“电爆炸”而引起的飞溅,提高了焊接质量,焊缝成形美观,提高了整机效率和整机可靠性,节约了电能,提高功率开关管的使用寿命。

Description

短路回缩式软开关控制CO2逆变弧焊机

本实用新型涉及一种CO₂逆变弧焊机。

目前，CO₂焊接方法是一种高效经济型的焊接工艺，但由于它存在飞溅大、焊缝成形差等问题，大大地限制了它的广泛应用，为了解决这些问题，人们研究出许多措施，例如，在CO₂气体中加入Ar气或采用药芯焊丝，但这些都失去了CO₂焊接工艺的经济意义；采用脉动送丝方法，但增加了设备的复杂性；采用调节焊接电源的输出电感，或多种电源外特性切换等方法，但改善的力度不够大；采用电流波形控制方法，但由于晶闸管焊接电源所用的功率器件晶闸管不能满足CO₂焊接工艺快速应变的要求，因此，效果也不够理想；如果采用IGBT硬开关逆变控制技术，使IGBT开通和关断损耗较大，降低了整机效率和整机可靠性，浪费了电能；CO₂焊接通常采用短路过渡方式进行焊接，但这种方法极易产生焊接飞溅，据大量研究结果表明，其产生焊接飞溅的原因主要是短路前期和短路后期因短路电流过大产生“电爆炸”现象，必须指出，过去也有人注意到短路前期“电爆炸”而产生飞溅的问题，提出短路前期减小焊接电流的措施也获得了减少部分焊接飞溅的效果，但大多研究者没有在短路后期当熔滴脱离焊丝过渡到熔池的瞬间采取减小焊接电流的措施，因而，在短路后期由于“电爆炸”而产生的焊接飞溅仍较为严重。经过大量CO₂短路过渡焊接过程研究，发现飞溅产生的主要原因是在短路前期和短路后期因“电爆炸”而产生的，焊缝成形差主要原因是燃弧期间能量不足而造成的。

本实用新型的目的是提供短路回缩式软开关控制CO₂逆变弧焊机，它就是在上述两个易产生“电爆炸”的阶段迅速将焊接电流减小并维持相应时间，来减少因“电爆炸”而产生的焊接飞溅，通过在燃弧期间增大电流并维持相应的时间来提供足够的能量改善焊缝成形质量。

本实用新型是通过如下技术方案来实现的：它是通过软开关控制IGBT逆变技术和高效能短路回缩式电流波形控制技术来实现的，它包括输入整流滤波电路、软开关控制IGBT逆变器、IGBT驱动电路和高频输出整流滤波电路，另外它还包括电压信号取样电路、电流信号取样电路、燃弧短路检测电路、短路缩颈检测电路、高效能短路回缩式电流波形控制电路和全桥定脉宽移相软开关控制电路，其中电压信号取样电路的输入端连接在高频输出整流滤波电路的输出端，电压信号取样电路的输出端连接在燃弧短路检测电路和短路缩颈检测电路的输入端，电流信号取样电路的输入端通过电流互感器T2与软开关控制IGBT逆变器的主变压器T1藕合，电流信号取样电路的输出端与短路缩颈检测电路的输入端连接，燃弧短路检测电路的输出端和短路缩颈检测电路的输出端连接在高效能短路回缩式电流波形控制电路的输入端，高效能短路回缩式电流波形控制电路的输出端连接在全桥定脉宽移相软开关控制电路的输入端，全桥定脉宽移相软开关控制电路的输出端连接在IGBT驱动电路的输入端。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：1、采用了新型的高效能短路回缩式电流波形控制电路和全桥定脉宽移相软开关控制电路将短路前期和短路后期的电流减小并维持一段时间，就会避免短路前期和短路后期因“电爆炸”而引起的焊接飞溅，提高了焊接质量；2、高效能短路回缩式电流波形控制电路和全桥定脉宽移相软开关控制电路在短路后期过后迅速提升电流并维持一段时间，使焊缝获得充分能量，确保焊缝成形美观；3、采用了软开关控制IGBT逆变器、全桥定脉宽移相软开关控制电路，使IGBT开通和关断损耗大大降低，提高了整机效率和整机可靠性，节约了电能，提高功率开关管的使用寿命。

下面结合附图对本实用新型作详细的说明：

图1是本实用新型的方框图；

图2是本实用新型软开关控制IGBT逆变器的电路图；

图3是燃弧短路检测电路、短路缩颈检测电路和高效能短路回缩式电流波形控制电路的连接电路图；

图4是短路缩颈检测电路的方框图；

图5是短路缩颈检测电路的电路图；

图6是本实用新型高效能短路回缩式电流波形控制的原理示意图；

图7是本实用新型全桥定脉宽移相软开关控制电路的电路图；

图8是本实用新型全桥定脉宽移相软开关控制电路工作的时序图。

如图1所示，本实用新型包括输入整流滤波电路(1)、软开关控制IGBT逆变器(2)、IGBT驱动电路(3)和高频输出整流滤波电路(4)，其特征在于它还包括电压信号取样电路(5)、电流信号取样电路(6)、燃弧短路检测电路(7)、短路缩颈检测电路(8)、高效能短路回缩式电流波形控制电路(9)和全桥定脉宽移相软开关控制电路(10)，其中电压信号取样电路(5)的输入端连接在高频输出整流滤波电路(4)的输出端，电压信号取样电路(5)的输出端连接在燃弧短路检测电路(7)和短路缩颈检测电路(8)的输入端，电流信号取样电路(6)的输入端通过电流互感器T2与软开关控制IGBT逆变器(2)的主变压器T1藕合，电流信号取样电路(6)的输出端与短路缩颈检测电路(8)的输入端连接，燃弧短路检测电路(7)的输出端和短路缩颈检测电路(8)的输出端连接在高效能短路回缩式电流波形控制电路(9)的输入端，高效能短路回缩式电流波形控制电路(9)的输出端连接在全桥定脉宽移相软开关控制电路(10)的输入端，全桥定脉宽移相软开关控制电路(10)的输出端连接在IGBT驱动电路(3)的输入端。

如图1所示，其中输入整流滤波电路(1)包括整流桥B1、电感L1和滤波电容C1，高频输出整流滤波电路(4)包括整流二极管D1、D2、电感L2和电容C2。

如图2所示，软开关控制IGBT逆变器(2)包括主变压器T1、功率开关管TP1、TP2、TP3、TP4、换流电感L3、换流电容C1、C2、C3、C4和续流二极管QD1、QD2、QD3、QD4；另外电压信号取样电路(5)是一个普通比例电路，电流信号取样电路(6)是一种精密整流电路，IGBT驱动电路(3)采用普通的IGBT逆变器驱动电路。

如图3所示，燃弧短路检测电路(7)包括比较器IC1-A、电阻R1、R2、R3和R4，其中IC1-A的型号为LM324，其中IC1-A的第2脚设置门槛电压为10V，第3脚的检测电压Vf与门槛电压电压进行比较，当Vf＜10V时为短路前期，当Vf＞15V时为燃弧前期开始；

如图4、图5所示，短路缩颈检测电路(8)主要包括模拟开关IC17-A、IC17-B、定时模块IC13、运算放大器IC14-A、IC14-B、IC15-A、IC15-B、与门IC16-A、比较器IC15-C、IC14-C，定时模块IC16-A的型号是555，运算放大器IC14-A、IC14-B、IC15-A、IC15-B的型号是LM347，其中模拟开关IC17-A、IC17-B和定时模块IC13和电容C30、C33完成采样和保持功能，运算放大器IC14-A、IC15-A实现采样信号放大的功能，运算放大器IC14-B、IC15-B实现对采样信号的微分，比较器IC15-C、IC14-C实现与设定的信号进行比较，然后通过与门IC16-A输出控制信号Vsso。

如图3所示，高效能短路回缩式电流波形控制电路(9)包括定时模块IC2-A、IC2-B、与门IC3-A、IC3-B、IC3-C、IC3-D、IC4-A、IC4-B、非门IC5-A、IC5-B、IC5-C、IC5-D、模拟开关IC6-A、IC6-B、IC6-C、IC6-D、IC6-E和放大器IC8-A、IC8-B、IC8-C，其中定时模块IC2-A、IC2-B的型号是4528，与门IC3-A、IC3-B、IC3-C、IC3-D、IC4-A、IC4-B的型号是4081，非门IC5-A、IC5-B、IC5-C、IC5-D、的型号是40106，模拟开关IC6-A、IC6-B、IC6-C、IC6-D、IC16-E的型号是4066，运算放大器IC7-A、IC7-B、IC7-C的型号是LM347。

如图7所示，全桥定脉宽移相软开关控制电路(10)包括脉冲调制集成块IC9和定时模块IC10-A、IC10-B、IC10-C、IC10-D、与门IC11-A、IC11-B、IC11-C、IC11-D以及触发器IC12-A、IC12-B，脉冲调制集成块IC9的型号是3525。

如图6所示，本实用新型将焊接过程的电流波形分为T1、T2、T3、T4和T5等5个时间段，图6中纵坐标表示焊接电流大小I，横坐标为时间T，T1时间段是指燃弧前期，T2时间段是指燃弧后期，T3时间段是指短路前期，T4时间段是指缩颈前期(t4时刻为缩颈开始的时刻)，T5时间段是指短路后期，本实用新型是通过如下的电路实现焊接电流波形按图6所示变化的：

1、短路前期检测：如图1、图3所示，燃弧短路检测电路(7)的测量的电弧电压Uf＜10V时，开始进入短路前期阶段，比较器IC1-A输出高电平，通过定时模块IC2-A定时0.3～0.8ms由与门IC3-A输出高电平控制模拟开关IC6-A的导通，并将短路前期设定值Vsg传送出去，使得电焊机立即将短路前期焊接电流减小为10～50A左右，这个时间段对应图6的T3时间段。

2、短路前期电流维持时间为0.3～0.8ms，过后定时模块IC2-A的第6脚输出低电平，模拟开关IC6-A开始截止，通过非门IC5-A、IC5-B、与门IC3-B、IC3-C使模拟开关IC6-B导通，给定值Vsh立即传送出去，使电焊机立即提升电流，给定值Vsh是一个随时间不断增大的值，Vsh通过由运算放大器IC7-D、电阻R14、R15、电容C3二极管D6构成的微分电路构成，这样一来使电焊机电流在短时间内输出一个很大的电流值，使“熔滴”快速形成小桥，并产生“缩颈”，这个过程对应图6的时间段T4。

3、熔滴小桥产生，如图4、图5所示，短路缩颈检测电路(8)当瞬时测量的电压值du/dt大于某一值M1，瞬时测量的电流值di/dt小于某一值M2时，认为缩颈时刻t4到来，并输出高电平信号Vsso；

4、“缩颈”出现，表明熔滴快要过渡并开始进入短路后期阶段，如图3所示，短路缩颈检测电路输出高电平Vsso，通过非门IC5-B和与门IC3-C使模拟开关IC6-B开始截止，通过与门IC3-D控制模拟开关IC6-C导通，短路后期设定值Vss传送出去，使得电焊机立即减小短路后期焊接电流至50～100A，并维持时间段T5。

5、待熔滴在小电流下平稳地过渡到熔池后，电弧电压迅速上升，当燃弧短路检测电路(7)的测量的电弧电压Uf＞15V时，如图3所示，比较器IC1-A输出低电平，电弧重新引燃，开始进入燃弧前期阶段，模拟开关IC6-C在与门IC3-D的作用下开始截止，通过非门IC5-C、与门IC4-A及定时模块IC2-B的延时及逻辑运算后控制模拟开关IC6-D的导通，燃弧前期给定Vsq传送出去，使到焊接电流立即提升，并维持时间段T1至1～2ms，使焊缝获得充分能量，确保焊缝成形美观。

(6)当定时模块IC2-B维持1～2ms后，定时模块IC2-B的第10脚输出低电平，通过与门IC4-A控制模拟开关IC6-D的截止，与此同时通过与门IC4-B、非门IC5-D的逻辑运算后控制模拟开关IC6-E的导通，燃弧后期给定Vrh传送出去，使焊接电流立即下降，焊接电压Uf也随之下降。

(7)当焊接电压Uf下降到某一值时，即Uf＜10V时，开始进入短路前期阶段熔滴再次短路，以后重复(1)～(6)过程；如图3、图4所示，对于一定功率的电焊机，假设其最大焊接电流为500A，则其功率给定值Vg为10V，Vsg约为1V，Vss约为2V，Vrq约为10V，Vrh约为6V，M1给定值为负4伏，M2给定值是负1伏。

如图7所示，全桥定脉宽移相软开关控制电路(10)包括脉冲调制集成块IC9和定时模块IC10-A、IC10-B、IC8-A、IC8-B、与门IC11-A、IC11-B、IC11-C、IC11-D以及触发器IC12-A、IC12-B，脉冲调制集成块IC9的型号是3525，从高效能短路回缩式电流波形控制电路(9)的输出电压连接在集成块IC9的第1脚和第9脚，集成块IC9的第14脚、第11脚是输出脚，分别输出两路相位不同的脉冲，定时模块IC10-A、IC10-B上升沿触发，定时模块IC8-A、IC8-B下降沿触发，并分别定时4微秒，再通过与门IC11-A、、IC11-B、IC11-C、IC11-D以及触发器IC12-A、IC12-B的处理，得到4组不同相位的定脉宽信号，其时序图如图8所示，A、B是集成块IC9的第14脚、第11脚发出的两路信号，这两路信号的脉冲宽度随高效能短路回缩式电流波形控制电路(9)的输出电压值V0的增大而增大，C、D、E、F是定时模块IC10-A、IC10-B、IC8-A、IC8-B的第6脚或第10脚输出的信号，Q1、Q2、Q3、Q4是信号C、D、E、F通过与门IC11-A、、IC11-B、IC11-C、IC11-D以及触发器IC12-A、IC12-B的处理后得到的信号，信号Q1、Q2、Q3、Q4通过IGBT驱动电路(3)输出到软开关IGBT逆变器(2)。

全桥定脉宽移相软开关控制电路(10)可使主功率器件IGBT零电压开通和关断，进而使整机效率可达89％以上。全桥定脉宽移相软开关控制电路，产生如图8所示信号Q1、Q2、Q3、Q4是送往软开关IGBT逆变器(2)，图中信号TP1、TP2为一组各轮流导通180°的IGBT，TP3、TP4为另一组各轮流导通180°的IGBT，当TP1导通180°期间，TP2截止；在关断TP1的同时，TP2触发导通，导通时间仍为半个周期，TP1便也截止半个周期。另外，TP3、TP4各自导通或截止时间不变，使TP1与TP41的导通时刻移相角α可以从0°移相到180°，TP3与TP2也一样可移相180°；这样，通过控制移相角α的大小即可调节输出电压或电流，其中移相角α的大小受高效能短路回缩式电流波形控制电路(9)输出电压V0的控制，从而实现动态调节电焊机的焊接电流的大小，另外由于信号Q1、Q2、Q3、Q4的脉宽已是一个定值，使得TP1、TP2、TP3、TP4处于最大导通状态下截止和导通，因此减小了IGBT的功耗，提高了整机的效率和整机的可靠性。

Claims (1)

1.短路回缩式软开关控制CO₂逆变弧焊机，包括输入整流滤波电路(1)、软开关控制IGBT逆变器(2)、IGBT驱动电路(3)和高频输出整流滤波电路(4)，其特征在于它还包括电压信号取样电路(5)、电流信号取样电路(6)、燃弧短路检测电路(7)、短路缩颈检测电路(8)、高效能短路回缩式电流波形控制电路(9)和全桥定脉宽移相软开关控制电路(10)，其中电压信号取样电路(5)的输入端连接在高频输出整流滤波电路(4)的输出端，电压信号取样电路(5)的输出端连接在燃弧短路检测电路(7)和短路缩颈检测电路(8)的输入端，电流信号取样电路(6)的输入端通过电流互感器T2与软开关控制IGBT逆变器(2)的主变压器T1藕合，电流信号取样电路(6)的输出端与短路缩颈检测电路(8)的输入端连接，燃弧短路检测电路(7)的输出端和短路缩颈检测电路(8)的输出端连接在高效能短路回缩式电流波形控制电路(9)的输入端，高效能短路回缩式电流波形控制电路(9)的输出端连接在全桥定脉宽移相软开关控制电路(10)的输入端，全桥定脉宽移相软开关控制电路(10)的输出端连接在IGBT驱动电路(3)的输入端。

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