TIG焊機中引弧、穩弧脈沖裝置的原理與故障排除

聶 琴

（鶴壁高級技工學校，河南鶴壁 458030）

使用高熔點的鎢棒作焊槍的電極，利用氬氣作為保護氣體的氣體保護焊，稱為鎢極氬弧焊，即TIG焊。TIG焊配用的焊機有交流、直流和脈沖直流3種類型，其共同之處是:使用非接觸式引弧，即在引弧時，起動裝在焊機內的高頻高壓引弧脈沖振蕩器，使之在焊槍鎢極與焊件之間產生幾千伏高壓的高頻放電火花，火花引燃焊接電弧;其區別之處是:交流TIG電源內部配有穩弧脈沖振蕩器，以保證交流TIG焊的穩定。在對TIG焊接電源維修中發現，以TIG焊引弧和穩弧裝置的故障維修居多，又以分析其電路原理最難。以下就這方面談談自己的一些感悟。

1 直流TIG焊機中引弧脈沖裝置的原理和故障排除

1．1 引弧脈沖的產生機理

1．2 引弧脈沖裝置的具體應用

在圖2中，線框中的電路部分制作在一塊印制線路板上，主要用于氬氣的自動供給;線圈YV是供氣繼電器線圈，受繼電器KM4的常開觸點KM4－1控制。分析圖2得知，引弧脈沖振蕩器要工作，必須使繼電器KM5的線圈得電，KM5的常開觸點閉合，促使升壓變壓器TB的初級得電。由電路可知，繼電器KM5的線圈得電，又需常開觸點KM1－2、KM3－1閉合。引弧脈沖振蕩器的具體工作過程是:合上電源開關QK，110 V交流電經熔斷器FU，保護開關SS或氣冷、水冷選擇開關SA1（用氣冷時，閉合開關SA1;用水冷時，斷開開關SA1，水壓正常后，水壓會使保護開關SS閉合），向后級供電:經電阻R1限流，工作指示燈HL1點亮，指示電焊機可以啟動工作了;使控制變壓器T1初級得電，變壓后，經整流器（VD1～VD4）整流，輸出直流電壓UCD，向多個控制電路供電;還做好了向高頻高壓引弧脈沖振蕩電路供電的準備。具體控制過程如下:

（1）如果進行“短焊”，就將短、長焊選擇開關SA2置于短焊檔，開關SA2呈斷開狀態。開始焊接時，按下焊接手把上的微動開關SM，繼電器KM1線圈得電（正極端C→KM1線圈→常閉觸點KM2－4→微動開關SM→常閉觸點KM2－3→負極端 D），繼電器KM1吸合，其常開觸點 KM1－1、K KM1－2、KM1－3和 KM1－4隨之閉合:KM1－3閉合，使 VT1和 VT2導通，進而接通繼電器 KM4，繼電器 KM4接通后，其常開觸點 KM4－1和 KM4－2閉合，KM4－1閉合導致電磁氣閥線圈YV通電，開始供氬氣，此時指示燈HL2點亮;KM1－4閉合，促使控制焊接電源的主接觸器吸合，直流焊接電源正常工作，但電弧未引燃，A、B兩端電壓較高，接觸器KM3吸合（電弧未引燃時，焊接電源輸出端的電壓高，引燃后，其電壓降低，這是由焊接電源的下降外特性決定的。正極A→KM3線圈→R9→KM3－3→UAB→負極 B），進而繼電器 KM5得電工作，接通了高頻振蕩器，使焊件與電極之間的空氣擊穿，引燃電弧。電弧引燃后，焊接電源輸出端的電壓（即電弧兩端的電弧電壓）降低，繼電器KM3因電弧電壓降低而釋放，KM3的常開觸點恢復開路，繼電器KM5的線圈失電，KM5的常開觸點也恢復開路，TB也就失電，使高頻引弧振蕩器停止工作，標志著正常焊接開始了。焊接將近結束時，松開手把上的微動開關SM，KM1釋放，整流弧焊機的輸出電壓逐步衰減，直至電弧熄滅。此時，KM4由于電容C8的放電而仍然吸合，繼續提供氬氣保護，直至KM4釋放，氣閥關閉，氬氣供給停止。

（2）如果進行的是“長焊”，將開關SA2置于長焊檔，開關SA2閉合。按下焊把上的微動開關SM，繼電器KM1吸合，電流路經為:正極端C→KM1線圈→常閉觸點KM2－4→微動開關SM→常閉觸點KM2－3→負極端D，隨之KM1－1閉合。松開微動開關SM的瞬間，繼電器KM2吸合，電流路徑為:正極端C→KM1線圈→觸點 KM1－1→KM2線圈→負極端 D，此時，KM1線圈與KM2線圈串聯且均吸合，常開觸點 KM2－2和 KM2－5閉合，常閉觸點 KM2－3和 KM2－4斷開。電焊機進入長弧工作狀態。當熄弧時，再次按下焊接手把上的微動開關SM，微動開關SM將KM1的線圈短路，使KM1的線圈失電，控制焊機主接觸器的常開觸點KM1－4恢復開路，焊機也失去供電，電弧熄滅。

1．3 故障診斷實例

例1:我市通用機械廠一臺NSA4－300型手工直流TIG焊機，出廠日期為2007年6月，最近突然出現引弧時只聽到控制箱中的高頻“嗤嗤”火花放電響聲，可是在焊槍鎢極與焊件之間沒有火花，不能引弧。

故障分析:從上述焊機故障現象來看，焊機的高頻振蕩電路本身沒有故障，因為在機殼外部能聽到火花放電的“嗤嗤”聲，說明L－C振蕩電路已經正常地振蕩起來，并且很強烈。那么，致使焊槍的鎢極與焊件之間沒有火花的原因可能在以下2個方面（圖2）:

（1）高頻振蕩器中耦合變壓器T2的磁路或二次繞組有故障，沒能將高頻振蕩信號感應到振蕩器的輸出端上來。一般在焊機的負極輸出端串聯高頻引弧耦合變壓器，與并聯相比，提高了高頻火花的強度，但是，串聯接法要求耦合變壓器T2的二次繞組須用與焊接電路同樣粗的電纜線來繞之，T2的體積也要大許多。鑒于以上實際情況，故障點具體可能為:①可能是耦合變壓器的磁力（鐵氧體磁環）開裂（占結的半圓磁環可能因為粘接劑老化失效而開裂，也有可能受力作用產生脆裂），使T2的高頻磁通很弱;②可能是T2的二次繞組線圈兩端的接頭有開焊、虛焊或螺釘松脫掉頭現象。

（2）高頻信號傳輸電路的故障。這部分出故障，常見的有以下4個方面:①耦合電容C5、C6失效，致使高頻電路斷路;②耦合電容器與焊接電路連接不良，如斷頭、虛焊、螺釘松脫及接頭氧化電阻增大等，都會使電路不通或電阻增大，從而對高頻信號的傳輸產生影響;③高頻電流分流也可能產生對信號傳輸影響。高頻信號在傳輸過程中，電路與其他導線或金屬纏繞靠近，使高頻電流形成分路傳導或感應而泄露，這樣引弧的高頻火化極度減弱，甚至不能夠引弧;④高頻電路過長即焊接電纜及地線過長時對信號電壓的影響。如果焊接電纜及地線過長，高頻振蕩器輸出端至焊接電路的連接導線也過長，這樣構成的高頻信號傳輸總電路的電阻必然很大，導致高頻振蕩器的輸出信號電壓UG衰減嚴重。

故障排除方法:根據以上故障分析，檢查了磁環和耦合變壓器的二次側導線接頭，完整良好，無開裂和松動現象，焊接電纜和搭鐵線長度與故障出現前一樣，沒有加長，也沒有與其他金屬物纏繞，仔細檢查耦合電容器C5、C6的焊點和周圍導線接頭，均沒發現異常。試探著更換耦合電容器C5、C6，焊機恢復正常。

2 交流TIG焊機中，引弧、穩弧脈沖裝置的原理和故障診斷

2．1 交流TIG焊機維修基礎

與直流TIG焊機相比有兩大特點:（1）工頻交流電流每秒鐘按正弦曲線規律變化50次、經過零點100次（圖3），所以電弧在每一個周期里（尤其在負半波）都要重新引燃，致使電弧燃燒時不穩定。為了保證焊接電弧的穩定，在交流TIG焊機中都設置了引弧和穩弧的脈沖電路;（2）在使用交流TIG焊機焊接鋁、鎂及其合金時，使用如圖3所示的電源波形供電:在正半波時鎢極為負，由于鎢的熔點、沸點高，導熱性能差，所以鎢極溫度極高而尺寸又小，電子發射容易，其結果電弧的電壓低、電流大、導電時間長;在負半波時工件為負，工件熔點及沸點都低，同時尺寸大、散熱又快、電子發射困難，所以電弧電壓高、電流小、導電時間短。由于正負半波焊機電流不對稱，在交流TIG焊接回路中存在一個由于工件流向鎢極直流分流I，這種現象叫“電弧整流作用”。鎢極與工件的熔點、沸點、導熱性能差別越大，這種整流作用就越強，直流分量I也就越大。

因為交流TIG焊機多用于鋁、鎂及其合金的的焊接，簡單介紹這方面的一點常識:鋁、鎂及其合金的焊接表面有一層致密的高熔點氧化膜，妨礙焊接正常進行。可是，當工件為負極時，被電弧分解形成質量很大的氬正離子，以高速向陰極運動并撞擊陰極，可以破碎陰極上的氧化膜，使之被清除，形成表面美觀、成型良好的焊縫。氬離子對陰極工件的這個作用叫陰極破碎作用。

前述的直流分量I是因負半波焊接電流小及導電時間短而產生的，它會削弱陰極破碎作用，從而導致鋁、鎂及其合金的焊接困難。直流分流I形成的直流磁通會使焊機變壓器鐵芯易磁飽和，致使工作條件變壞，焊接電流畸變而影響電弧穩定，還會使變壓器繞組加速發熱而溫升增大。因此，為了保證鋁、鎂及其合金工件的焊接質量，改善焊機工作條件，在交流TIG焊機中都設有消除直流分量的裝置。常用的方法是在焊接回路中串聯電容，利用電容的隔直通交的特性，清除直流分量I。一般每安培焊接電流應串聯300～400 μF的電容量。

在排除交流TIG焊機故障的思路背后，一定要有以上對交流TIG焊機的深刻認識，有了此認識，面對故障現象以及看原理圖和測量時就能做到重點突出、思路清晰、少走彎路。

圖3顯示:焊件電壓相對焊槍鎢極高，電壓為正，此時的半周為正極性半周;反之為負。理論上講，焊接電源提供的為正弦交流電u源，但實際的焊接電壓的波形是由u正和u負組成的，上下不對稱，左右也不對稱，從而造成焊接電流i（i負所示波形）正多負少。U引1、U引2均為穩弧所用，正極性半周時的穩弧脈沖U引1由正向焊接電壓提供，負極性半周時的穩弧脈沖U引2由穩弧脈沖裝置提供。在圖3中沒有顯示出引弧脈沖的波形，引弧脈沖的波形見圖4。

2．2 交流TIG焊機引弧、穩弧脈沖裝置的工作機理

2．2．1 交流TIG焊機引弧裝置的工作機理

由圖5可見，電路中升壓變壓器T1可輸出800 V的高壓，經整流橋整理，給電容C1充電，C1充滿最高可達1 120 V，C1上存儲的電能就是高壓脈沖的能源。當需要引弧脈沖時，就使晶閘管VR觸發導通。C1上的高壓將通過VR向脈沖變壓器T2的一次線圈放電，形成脈沖。再由T2經過1∶4升壓成為二次側的高壓脈沖（可達2～3 kV），經串聯耦合給焊接回路，因而在鎢極與焊件之間，就有一個2～3 kV的高壓脈沖，可以擊穿氣隙而引燃電弧。C2的作用:串聯在焊接回路中用來消除直流分量。

工作中發現，如果引弧脈沖產生的時機不正時，即脈沖發生移相跑位，就會造成鎢極與焊件間有脈沖火花，但不能引弧。引弧脈沖何時產生最好?又是如何保證的呢?實驗證明:引弧脈沖的最佳時刻是焊接空載電壓負半波波谷（90°相位）時刻，如圖4所示的A、B等波谷處，相當于過零點后移90°相位。具體實現電路如圖6所示。

圖6a是阻容移相電路，R1和C1串聯組成一級移相電路，為確保移相90°，由R2、RP和C2串聯組成二級移相電路，通過調節RP，使C2兩端電壓UC2的相位比電壓信號源兩端電壓UT1的相位滯后90°（逆時針相差90°）。UC2與UT1的波形一樣，用UC2去間接觸發圖5中的晶閘管VR要比用UT1滯后90°，從而滿足引弧高壓脈沖與電源電壓之間的相位關系。正常焊接中，引弧脈沖電路自動停止工作。具體、完整的高頻高壓引弧脈沖裝置如圖7所示。

2．2．2 高頻高壓穩弧脈沖裝置的工作機理

電弧一旦引燃，應立即產生出穩弧脈沖，解決電弧電流由正極到負極的過零點時，電弧重新引燃困難、電流出現斷續的現象（電弧電流由負極到正極的過零點時，電弧重新引燃容易，所以不需要穩弧脈沖）。怎樣使穩弧裝置準確地產生高壓穩弧脈沖呢?信號源取自哪里呢?

具體如圖8所示，穩弧脈沖信號源取自電弧電壓，為防止高壓脈沖的沖擊，電弧電壓信號經R3、C3和VS1組成的衰減器衰減之后，再向穩弧脈沖觸發電路的VT1基極輸送。

當焊件處于正極性半周內時，VT1的基極電位為負（約為0．7 V左右，即穩壓管VS1的正向壓降），VT1截止，R5上沒有電壓輸出，于是VR1不能觸發，脈沖發生電路不能工作。

當焊件由正極性向負極性轉變時，焊接電流過零的瞬間，VT1的基極上輸入了一個正向的電壓信號，于是VT1導通，并在R5上輸出正電壓，使VR1觸發，C5經晶閘管VR1、T2放電，并在T2的一次產生脈沖，同時在T2的二次產生雙脈沖，送往脈沖發生主電路，在T1次級（焊接電路中）產生高壓穩弧脈沖，使電弧重燃，焊接電流連續了，電弧燃燒就穩定了。

不難看出，在電路上，穩弧脈沖和引弧脈沖雖然共用一套脈沖發生主電路，但是各自的觸發電路是分開的，引弧脈沖引弧成功后，自動停止，穩弧脈沖開始觸發并參與穩弧。引弧脈沖和穩弧脈沖的觸發時機也有所不同，引弧脈沖在負半周的波峰時刻，穩弧脈沖在焊接電流的過零點（與時間軸的交點）。

2．3 故障診斷實例

例2:我市玄武巖石料廠的一臺NSA－500－1型手工交流鎢極氬弧焊機，焊機遭雨淋后引弧時聽不到引弧脈沖變壓器工作的“吱吱”響聲，無法引弧。

焊機故障分析:該焊機工作時，為了引弧和穩弧，需要引弧脈沖電路連續工作，那么引弧脈沖變壓器T2工作時產生的“吱吱”聲就成為判斷其是否工作的一個很好標志。上述故障焊機脈沖變壓器T2無“吱吱”聲，證明引弧脈沖主電路沒有工作，應分別檢查引弧脈沖主電路和引弧脈沖觸發電路。首先檢查引弧脈沖觸發電路（圖8），測量C6兩端的電壓為3 V左右，證明脈沖觸發電路已工作。然后，用示波器測量觸發脈沖變壓器T3的輸出信號，有穩定的輸出電壓信號，觸發脈沖電路無故障。再檢查引弧脈沖主電路，測量R9兩端的電壓，電壓值為“0”V，說明R9中無電流通過，可能是晶閘管 VR1或 VR2損壞。用電烙鐵取下 VR1和VR2，檢測發現VR1的陽極與陰極呈開路狀態。更換同型號的晶閘管后，R9兩端的電壓變為正常，且試機恢復正常。

3 結語

現在，工作中的許多TIG焊機多為交、直兩用型的，在電路上集成了兩類焊機的控制原理，分析其故障時的思路是一樣的。

［1］鄭宜庭，黃石生．弧焊電源［M］．北京:機械工業出版社，1991．