CN86101100A - 恒功率微束等离子弧焊机 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种电弧焊机，用于微束等离子弧焊技术。现有的同类焊机从电源的概念分析都不是恒功率源。本发明采用了带有倒数器、放大倍数可调放大器的特殊串级调节系统，并且对系统的性能指标进行了校正，成为恒功率源。本发明还采用了电子开关电路，从而具有脉冲恒功率焊接功能。此外，它还有可以测量焊接功率的电子功率表。使用这种焊机可以获得外观质量更为优越的焊缝。

Description

本发明是一种电弧焊机。这种焊机适用于微束等离子弧焊领域。因此，本发明属于焊接设备技术范围。

国内外现有的微束等离子电弧焊机的外特性都是垂降、陡降或斜降外特性。例如瑞士的等离子弧焊-40型焊机（Piasmafix-40）国产的WLH-10型微束等离子焊机即属于陡降外特性。以WLH-10型焊机为例，它的电路设计思想在于一个焊接电流反馈控制系统，这个反馈控制系统以焊接电流为输出，然后将输出与系统的给定值相比较，比较后的信号经放大、校正后用于控制焊接电流。

上述各种外特性的焊机，作为电源都不是恒功率源。

由于微束等离子弧对焊缝的导热率近似为常数，所以采用前述非恒功率源焊机用于微束等离子弧焊时，如果电弧长度发生波动，则电弧的功率将产生波动，于是施加于焊缝的功率也将产生波动，焊缝的成形质量将受到破坏。如果采用恒功率源焊机，这个问题将被克服，亦即当弧长发生波动时，焊缝成形质量将不变。

本发明的目的就在于研制一种用于微束等离子弧焊的恒功率源焊机，并且要求它还能实施脉冲恒功率焊接。

简单地说，本发明的原理在于：在现有同类焊机所具有的焊接电流反馈控制系统的基础上，再增加一个焊接电压反馈控制迥路。这个迥路中，有一个倒数运算电路和一个放大倍数可以人为调节的放大器。焊接电压被取样后，通过求倒数的运算、放大，再被用作前述焊接电流反馈控制系统的给定值。基于这一特殊串级调节系统的焊机就是恒功率源焊机。如果在上述焊接电压反馈控制迥路中设置一个电子开关电路，使得这一迥路周期性地通断，就可以使焊机实施脉冲恒功率焊接。如果将焊接电流取样信号和焊接电压取样信号同时输入乘法器，乘法器的输出即可反映出焊接功率的大小。据此可以制成一个电子功率表。

图1是本发明焊机的示意图。

图2是这种焊机的原理分析框图。

图3是图2中的放大器与信号综合点、校正网络、隔离器的一个实施例。

图4是图2中的电子开关和校正网络的一个实施例。

现在分别参照图1、图2、图3、图4对本发明加以详细阐述。

在图1中，变压器1和整流器1的作用是将380伏的三相交流电压转变为数值适当的直流电压。BG₁是大功率晶体管，BG₂与BG₃组成BG₁的推动级，因此，可以将BG₁、BG₂、BG₃看成是一个大功率复合晶体管。R₁是焊接电流取样电阻，焊接电流通过R₁后转变为电压信号。1是工件。2是等离子焊矩的压缩喷嘴。3是钨丝。焊接电弧在钨丝和工件之间形成。这样，变压器1和整流器1所输出的直流电压经由BG₁、R₁、工件和钨丝之间的焊接电弧组成了焊接电流迥路。当BG₃的基极电位发生变化时，焊接电流随之发生变化。

变压器2和整流器2的作用是将380伏的三相交流电压转变为另一数值适当的直流电压。R₂是降压电阻。在钨丝和压缩喷嘴之间存在有一个小电流的电弧。这个小电流电弧的作用在于维持焊接电弧的稳定工作。这样，变压器2和整流器2所输出的直流电压经由R₂、钨丝和压缩喷嘴之间的小电流电弧形成迥路。

稳压电源的作用在于为焊机中的各种控制电路供电。

程序控制电路的主要作用在于控制焊机在焊接前先行导通保护气体和焊后滞后切断保护气体。

控制电路主要由下列部份组成：焊接电流反馈控制电路，反相、倒数、放大电路，电子开关和校正网络电路，电子功率表电路，方波信号源电路。

W是焊接电压取样电位器。

焊接电流I_W和焊接电压U_W被取样后即被接到图1中的控制电路，控制电路按照能够产生恒功率源效果的控制规律对BG₃的基极输出控制信号。

使焊机产生恒功率效果的原理，在于采用了一个特殊的串级调节系统。这个系统的原理框图如图2所示。

在图2中首先分析副迥路。注意到这里的反馈信号是I_W。由于焊接迥路中的焊接电流控制部件是大功率复合晶体管，具有比较优越的动态性能。此外，副迥路中的放大器具有较大的放大倍数，而且副迥路的性能指标经过图2中的校正网络的校正。所以图2中的信号I_W可以近似地认为跟踪副迥路的输入信号I_r。实际上，如果使副迥路输入与主迥路脱离，亦即使副迥路独立作为一个闭环控制系统工作，那么副迥路就成为一个焊接电流反馈控制系统。这样的焊机的外特性即为陡降或垂降外特性。

其次分析主迥路。对于图2中所示的倒数器，如果不计动态过程，可以认为输出是输入的倒数。倒数器的具体电路是运算放大器组成的对数除法器电路。由于焊接电压取样信号为负电位，所以须通过反相器将信号反相后信号方可进入倒数器。为了使焊机能够具有实施脉冲焊接的功能，设置了图2中所示的电子开关和校正网络环节。

设反相器，电子开关和校正网络环节的传递函数都近似为-1，放大倍数可调放大器的传递函数近似为-K，则如图2所示，反相器的输入信号为U_W，电子开关和校正网络环节的输出信号为- (K)/(U_w) 。进而考虑到电子开关和校正网络环节的输出信号即为副迥路的输入信号I_r。所以有：

- (K)/(U_w) =I_r

又如前所述，I_W可以近似地认为跟踪I_r，所以如果不考虑误差，则有：

I_W＝I_r

综上两式有：

- (K)/(U_w) =I_w

所以：

I_W·U_W＝-K

由于K为放大倍数可调放大器的放大倍数值，可以人为地调节，所以整个电源的输出功率P＝I_W·U_W可以人为地给定。又由于系统被设计成反馈系统，所以系统具有抗干扰功能。

在实际焊接过程中，当电弧长度发生波动时，焊接电压U_W和焊接电流I_W都改变其值，但是电弧功率亦即电源输出的功率I_W·U_W＝-K，功率是不变的，始终被放大倍数可调放大器的放大倍数所决定，恒功率源因此而得到实现。

显然，图2所示的系统是非线性系统，并且微束等离子弧是非线性负载。因此必须考虑系统的校正问题。图2中副迥路的校正网络环节和主迥路的电子开关和校正网络环节的校正网络部份就是为此目的而设置的。图3和图4中的部份电路是其实施例。

在图3中，A点接焊接电流取样信号;B点接副迥路输入信号;C点接图2中BG₃的基极。JC₁与R₁、R₂、R₃、R₄组成了减法一放大电路，这相当于图2中的信号综合点和放大器环节。JC₂和R₆组成了电压跟随器电路，这相当于图2中的隔离器环节。C₂、W₁、C₃、R₅、C₄组成了一个无源校正网络，这相当于图2中的校正网络环节。这里一组可供选择的数据是：

W₁＝1MΩ C₂＝4.7PF C₃＝510PF

R₅＝30KΩ C₄＝220PF

JC₂的输出信号经由W₂、C₆并联的电路接往图2的BG₃的基极，这里W₂、C₆也应看成是系统校正元件，可以选择W₂＝1KΩ，C₆＝0.01μF。

JC₂和R₆组成的电压跟随器电路的作用在于使得C₂、W₁、C₃、R₅、C₄组成的无源校正网络与JC₂后面的电路之间只存在信号的传递关系。

C₂、W₁、C₃、R₅、C₄组成的无源校正网络是一个具有三个极点三个零点的无源校正网络。由于C₂的数值较小，所以又可以将此近似看成一个具有两个极点两个零点的无源校正网络。W₁、C₃、R₅、C₄对于系统的稳定是必不可少的;C₂对于系统动态性能指标的改善是有益的。图3中C₆、W₂对于系统性能指标的改善也是有益的。

在图4中，A点为信号输入端。D点为信号输出端。B点接一固定负电位。C点接-12V的固定电位或频率、占空比可以人为调节的方波信号，这个方波信号的低电位为-12V，高电位为+12V。可以通过一个手动开关改变C点的接法。这个电路相当于图2中的电子开关和校正网络环节。A点输入的信号来自于放大倍数可调放大器的输出。D点的输出信号即作为图2中的副迥路的输入信号。

在图4中，JC₂是反相器。BG₁和BG₂被设计成总是工作于截止或者饱和状态。JC₁及R₁、R₂、R₅、R₆、C₁、C₂组成了有源校正网络，这里可以选择R₅＝10KΩ，C₂＝510PF、C₁不大于30PF、R₁、R₂均为4.7KΩ。

图4电路的功能在于在主迥路中设置了一个有源校正网络，这对于系统获得合适的性能指标是必需的。此外，它使得本发明的焊机除了可以实施恒功率焊接外，还能实施脉冲恒功率焊接。

当实施恒功率焊接时，C点接-12V的固定电位。这时BG₁截止，BG₂饱和。于是只有A点的输入信号可以进入JC₁等元件组成的有源校正网络。从而图2中的主迥路正常工作，焊机实施恒功率焊接。

当实施脉冲恒功率焊接时，C点接前述方波信号。图4中的BG₁和BG₂在这个方波信号的控制下交替地处于截止与饱和状态。当BG₁截止，BG₂饱和时，图2所示主迥路正常工作，焊机实施恒功率焊接。当BG₁饱和、BG₂截止时，A点的输入信号不能进入JC₁等元件组成的有源校正网络，于是图2中的主迥路与副迥路的联系被切断，恒功率焊接过程停止。但是，此时B点的固定负电位信号通过R₃、R₄进入JC₁后作为图2中的副迥路的给定值，使焊机产生一个恒定的焊接电流。这个恒定的焊接电流使得焊接电弧的燃烧不至于中断。当BG₁与BG₂交替地处于截止与饱和状态时，焊接过程便交替地处于恒功率焊接与恒功率焊接中止状态。于是就实现了脉冲恒功率焊接。

由于控制BG₁与BG₂截止或饱和的方波信号的频率和占空比是可以人为调节的，所以脉冲恒功率焊接的频率和占空比是可以被人为地给定的。

为了反映焊接功率的大小，本发明还设计有电子功率表。一般功率表仅适用于测量小电流高电压的功率。不能用于测量焊接功率，因为焊接电流较大。本发明的电子功率表由一个由运算放大器组成的对数型乘法器和一只普通的电压表组合而成。设乘法器的两个输入信号为U₁与U₂，输出信号为U₀，则有U₀＝U₁·U₂。将焊接电流取样信号与焊接电压取样信号分别接入U₁与U₂，则乘法器的输出信号的值即为焊接功率。用电压表将此输出信号的数值测出，并将电压表的刻度重新标定，即可反映出焊接功率的大小。

下面进一步公开本发明的实施例中的几点内容。

由于实际上没有功率大到符合焊机要求的大功率晶体管，所以图1中的BG₁可以采用多只大功率晶体管并联组成。图2中的放大倍数可调放大器和反相器都是由运算放大器组成的常用电路。图2中主迥路中各环节所使用的运算放大器的型号可采用F007，副迥路中各环节所使用的运算放大器的型号可采用FC92。FC92是高速型运算放大器。采用FC92的理由是：如果把图2中的副迥路与主迥路脱离，从而副迥路作为一个焊接电流反馈控制系统独立工作，那么采用FC92可以提高这个系统的动态性能指标。图1中的变压器1和整流器1部份输出的直流空载电压是65V。并且在其直流输出的两端并接440μF的电容器。这个电容器的作用并非是滤波而是对整个焊机的调整十分有利。图1中的程序控制电路和本说明书中未加说明的问题均为本专业的普通人员所熟知。

至此，已经说明了一种用于微束等离子弧焊技术的恒功率源焊机。通过实施例的焊机的试验，表明它的实际焊接效果完全和本发明的目的一致。

Claims (2)

1、一种用于微束等离子弧焊技术的电弧焊机，包括一个焊接电流反馈控制系统，其特征在于a、焊接电压反馈控制迥路中采用了能够进行倒数运算的倒数器和放大倍数可调的放大器；b、焊接电压反馈控制迥路中采用了电子开关电路；c、系统校正采用了元件特定组合的校正网络。

2、根据权利要求1所述的电弧焊机，其特征在于它具有一个由乘法器和普通电压表组合而成的用于测量焊接功率的电子功率表。

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