一種新型WSE交流方波焊機維弧裝置的研制

鄧 想 公永建

（河南機電高等專科學校材料工程系，河南新鄉 453003）

眾所周知，鋁及其合金在電弧焊接中常采用交流電源。傳統的交流正弦波電源過零速度慢，滅弧頻率高，所以現在越來越多地被交流方波電源所取代。交流方波可以解決大電流（200 A以上）下過零滅弧的問題。但使用交流方波TIG焊以小電流焊接鋁合金時，由于鋁合金熔點和沸點低，發射電子能力弱，在當電極（鎢極）由負極性轉向正極性時，電弧復燃困難，仍需要增加維弧措施。文獻［1］提出了進行過零維弧的3種方法，即高壓脈沖穩弧、高頻穩弧和交流矩形波穩弧。從實際效果來看，第一種效果較好。文獻［2］披露了一種高壓脈沖穩弧方法，即通過檢測電弧負載的電壓變化判斷電流過零點，再疊加一個高壓脈沖，幫助復燃電弧。但在實際應用時存在對電弧情況誤判的現象，造成焊接電流不穩定，焊接質量不高。本文改進了這種裝置，將電壓檢測改為電流檢測，同時輔以數字化控制，提高了其可靠性。

1 方波焊機維弧裝置組成及工作原理

1．1 維弧裝置組成

方波焊機裝置組成如圖1所示，其中，T．H為方波焊機主變壓器，其原邊接入全橋逆變器，稱為一次逆變;D3～D6組成橋式整流電路。T．L1與T．L2為共模濾波電感，其主要作用為平滑焊接電流，使焊縫細膩。T1、T2為電子開關，本文選型為半橋式IGBT模塊，T1與T2組成二次逆變器，在方波發生器（未示出）的驅動下，輸出方波電流。D1、D2分別為T1、T2的體二極管，在其換流時相應導通，起續流作用，又稱為續流二極管。T．S為放電變壓器，本文未涉及。Z為感性電弧負載。Z的XS1端為焊接工件，XS2端為氬弧焊槍。當XS1端電壓為正，XS2端電壓為負時，稱之為正接性，反之則為反接性。

維弧裝置包括一個高電壓源Ust，快速功率開關器件Tst，本文選型為單管IGBT模塊。Tst的作用是，在電流過零瞬間，高電壓通過該開關疊加在電弧負載兩端。R1為維弧電阻，調節維弧電流。

1．2 維弧裝置驅動電路

如圖2，控制器選用單片機AT89C55，驅動光耦采用HCPL3120，為了防止驅動電路意外過壓和欠壓，采用ZD1和ZD2反向串聯的方式，ZD1和ZD2均為穩壓管。Rs為前級信號電阻，選擇合適的Rs值，使驅動光耦的輸入二極管在安全區間運行。Rg為門極驅動電阻，選擇合適的Rs值，使IGBT管Tst快速開通和關斷。

當控制器接到維弧中斷后，進行抗干擾檢測，確認信息后，通過I/O口發出驅動信號。為了提高可靠性，采用低電平驅動控制。光耦HCPL3120輸入電流達到10 mA后，其Out端連接VC，Tst的GE電壓達到閾值后，Tst導通，維弧電壓施加于XS1和XS3（圖1）兩端。維弧時間滿時，控制器發出高電平截止信號，光耦Out端連接VEE，提高關斷可靠性。

1．3 維弧裝置工作原理

（1）基本假定:假定電路中元器件均有理想特性;電路已處于穩態;圖3是維弧系統中維弧驅動Ust和焊接電流iw在維弧過程中的波形。為了簡單，設穩態下正向焊接電流和反向清理電流為恒值，且焊接電流的占空比恒定。圖中UT1和UT2分別為T1和T2開關管的驅動信號，見圖1，并規定UT1＞0時，T1管開通;UT1=0 時，T1 管關斷;UT2，Ust作用與UT1類同。

（2）電路初態（圖3中時區A）:在t0時刻，T1管開通，T2管關閉，電路進入正接性。電流迅速達到焊接電流并維持不變。維弧電路作用前，UT1=1，UT2=0，Ust=0。

（3）負正轉換期（圖3中時區B）:在t1時刻，設定電流減小至原電流的30%，施加維弧電流ist。維弧時間由控制器發出的驅動脈沖決定。分兩個階段進行:首先，維弧電流為正向，焊接電流為反向，疊加之后為正向，使得實際電流以更快的電流變化率換向，同時啟動精密電流采樣判斷電路。當焊接電流為零后，T2管開通，維弧電流保持為設定值。在t2時刻，電弧已經重新引燃，撤去維弧電流。

（4）正向電流期（圖3中時區C）:維弧電流結束后，焊接電流iw已經增長，其值增加到設定的焊接電流后，保持不變。

（5）正負轉換期（圖3中時區D）:在t3時刻，T1管開通，T2管關閉，此時的陰極為鎢極，發射電子能力比較強，電弧重燃容易［3］，沒有疊加維弧電流。為了防止電流過沖，設置了階梯電流，即首先電流上升至設定值的50%，即圖中的if，然后再上升至設定值。

在焊槍由負轉正之前，先給電弧施加一個比較大的電流脈沖，然后快速轉變極性。

2 試驗及分析

試驗設備采用某公司生產的WSE方波焊機進行了試驗，保護氣體為Ar氣。試件是板厚為0.5 mm。1 mm和1.5 mm的鋁合金，電極采用釷鎢極，直徑分別為:1.5 mm、2 mm、2.5 mm，端部打磨處理。

試驗結果及分析如下。

2．1 維弧電壓對焊接性能的影響

保持其他參數不變，通過取消和施加維弧電壓對比，考察維弧電壓對焊接性能的影響。試驗結果如圖4所示。其中，圖4a為沒有附加任何維弧措施的情況下得到的電流波形，焊接電流為100 A，從圖中可以看出，焊接過程出現斷弧現象。圖4b為施加維弧電壓后得到的電流波形，焊接參數同圖4a，從圖中可以看出，焊接過程平穩，未出現斷弧現象。因此，在小電流下，施加維弧電壓是有必要的。

2．2 維弧時間對焊接性能的影響

保持其他參數不變，通過改變維弧驅動的持續時間，考察維弧時間對焊接性能的影響。試驗結果如表1所示。從表中可以看出，隨著維弧時間的增加，焊接質量得到改善，當維弧時間超過150 μs時，焊接質量開始變差。因此，維弧時間設定為150 μs是合適的。

2．3 維弧電流對焊接性能的影響

保持其他參數不變，通過改變維弧電阻R1（如圖1）的阻值，考察維弧電流對焊接性能的影響。試驗結果如圖5所示。從圖中可以看出，需要的維弧電流隨焊接電流的增大而減小，當焊接電流大于140 A時，可以不施加維弧電流。另外還可以看出，在小電流焊接時，維弧電流的大小對焊接影響很大，變化較快，而隨著焊接電流的增大，這種影響逐漸減弱。

表1 維弧時間對焊接性能的影響

3 結語

針對交流方波焊機焊接電流的特點，設計了WSE方波焊機維弧裝置。該裝置基于維弧電流對交流方波焊機過零點的電流疊加，保持電弧穩定燃燒。試驗證明，在小電流情況下施加穩弧電壓是必要的，維弧時間150 μs為宜，所需維弧電流隨焊接電流的增大而逐步減小，在小電流焊接下，維弧電流對焊接質量影響顯著。經過試驗證明，該維弧裝置具有較高的適用性和可靠性。

［1］殷樹言．氣體保護焊工藝［M］．哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，1989．

［2］殷樹言，黃繼強，陳樹啟，等．方波交流GTAW電弧再引燃機理的研究［J］．機械工程學報，2002，38（3）:16－18．

［3］林渭勛．現代電力電子技術［M］．北京:機械工業出版社，2002．

［4］安藤弘平，長谷川光雄．焊接電弧現象（增補版）［M］．北京:機械工業出版社，1985．