一種高頻脈衝TIG焊接電源設備的製作方法

2024-03-04 20:15:15 1

本發明屬於一種可以應用於高頻TIG焊的電源設備，涉及到電力電子器件以及開關電源和焊接電源的應用。

背景技術：

TIG焊是一種利用惰性氣體保護的焊接工藝。在焊接時以非熔化鎢極作為陰極，母材作為陽極，利用鎢極和母材之間產生的電弧來融化金屬材料形成焊縫。因為TIG焊本身具有氣體保護性好、熔池的冶金反應簡單、在焊接電流在一定範圍內電弧穩定、飛濺小、焊縫美觀的優點，所以當把該技術應用到熱輸入和焊接速度較低的低速焊接時，將會產生很好的焊接效果。但是當為了提高效率而把該技術應用到高速焊接的情況時，情況就會變得複雜一些。在傳統的TIG焊接工藝中會儘量避免高速焊接，因為TIG焊的特點就是其本身在焊接時熔深較淺，電弧挺度不高，高速焊接時很容易產生跳弧現象從而影響焊接質量，而若想在高速焊接時加強電弧的挺度就得增加焊接電流，這樣就會使焊接時的熱輸入過大引起鎢極的融化和蒸發，造成焊縫接頭夾鎢影響焊接質量，尤其是對於薄板來說，高輸入熱量的危害就會更大。為了解決TIG焊焊接效率和焊接質量的矛盾，可以採用脈衝的方法來提供焊接電流，這樣可以在總輸入熱量不變的情況下，提高每次脈衝峰值的時候產生電弧的挺度。為了保證在每兩次脈衝電流間隔的時候焊接電弧不至於熄弧，通常會過鎢極和母材加一個基值電流來保證有一個能量較為微弱的電弧一直處於燃著狀態。而採用更高頻(一般大於20KHz)的電流脈衝則可以省去基值電流，這樣就可以進一步的提高脈衝峰值來提高焊接效率，同時還可以提高電弧的挺度，增加焊接過程尤其對於焊接薄板時的穩定性。

技術實現要素：

本發明的目的在於，通過設計一種專用的電源設備來提供一個穩定可靠的高頻脈衝電流源，來解決薄板高速TIG焊接的工藝問題。具體的實施方法如下：

一種高頻脈衝TIG焊接電源設備，該裝置包括一個恆流輸出電源(1)，其特徵在於包括電流切換電路(2)和有源緩衝網絡(5)；

該電流切換電路包括：開關管Q1、開關管Q2；開關管Q1集電極和恆流輸出電源的正極還有母材相連，開關管Q1的發射極與開關管Q2的發射極還有恆流輸出電源的負極相連，開關管Q2的集電極與鎢極相連。

進一步，有源緩衝網絡(5)包括：二極體D1，二極體D2，二極體D3，電容C，電阻R，開關管Q3；二極體D1陽極與開關管Q1的陽極相連，開關管D2陽極與開關管Q2的陽極相連，二極體D1陰極與二極體D2陰極、C的1端、R1的1端、二極體D3的陰極相連，C的2端與Q3的發射極、恆壓源的負極相連，R的2端與Q3的集電極相連，D3的陽極與穩壓源(11)的正極相連。

當電流切換電路(2)中Q1導通，Q2關斷時，恆流輸出電源輸出電流經Q1直接流回恆流輸出電源，此時母材與鎢極之間無電流通過；當電流切換電路(2)中Q1關斷，Q2導通時，恆流輸出電源輸出電流經母材和鎢極再到開關管Q2最後流回恆流輸出電源，此時母材與鎢極之間流過峰值電流；在Q1和Q2的導通和關斷狀態相互切換的時候，會有一段兩支開關管共同導通的時間，來防止出現Q1和Q2同時關斷的情況。

當D1或者D2導通時，電容C兩端電壓就會升高，通過調節Q3的導通與關斷來控制C兩端的電壓。

本發明主要利用一恆流電源來提供峰值電流，然後再加一電流切換電路來控制電流脈衝的導通佔空比和周期，另外還加了一組有源緩衝網絡電路來吸收開關管及電路的其他地方產生的等效儲能元件因開關管導通和切換而存儲的能量。其中脈衝的導通佔空比和電流峰值共同影響能量的輸入，周期則影響電弧是否能在整個焊接過程中正常保持燃著狀態，本發明的關鍵就是通過縮短周期來提高頻率，使焊接電弧始終不斷弧。

本發明以全橋電路構建恆流輸出電源，作為最佳方式，也可以通過其他拓撲結構來搭建恆流輸出電源。恆流輸出電源可以實現恆流輸出特性，可以用於非熔化極焊接工藝。

電流切換電路可以使電流在不同支路間切換導通，來控制鎢極和母材之間是否流過電流。在切換電路中，開關管Q1集電極和恆流輸出電源的陽極還有母材相連，開關管Q1的發射極與開關管Q2的發射極還有恆流輸出電源的負極相連，開關管Q2的集電極與鎢極相連。當開關管Q1導通，Q2關斷時，電流源被Q1所在的支路短路，所有的電流經恆流源流出經開關管Q1直接流回恆流源，電流鎢極和母材之間不流過電流，此時便是死區時間。當開關管Q1關斷，Q2導通時，電流從恆流源流出經母材和鎢極流到Q2再經Q2流回恆流源，此時母材和鎢極之間流過峰值電流。其中Q2的作用主要是消除電路中因雜散電感的續流作用產生的影響，若沒有Q2則有可能在Q1導通後鎢極和母材之間繼續有電流流過影響焊接過程熱輸入。

實際工作中Q1和Q2不能完全保證同步切換，所以本發明預留了一段Q1和Q2同時導通的時間，這樣做的好處是，電路中的雜散電感可以在開關管工作狀態切換的瞬間有足夠的電壓來釋放能量。

緩衝網絡的形式有很多種，本發明以採用一種有源緩衝網絡電路作為最佳方式，也可以使用RC緩衝電路、RCD緩衝電路或者其他緩衝電路。緩衝網絡的作用有：在開關管關斷時吸收開關管上等效電容和電路中雜散電感的能量、減少導通關斷損耗、降低電壓電流尖峰保護元器件。本發明中採用的有源緩衝網絡中，D1和D2的陽極分別與要保護的兩個開關管的集電極相連，D1的陰極和D2的陰極、電容C的1端和電阻R的1端還有二極體D3的陰極相連；電容C的2端和開關管的發射極、穩壓源的負極相連；電阻R的2端和開關管Q3的集電極相連；二極體的陽極與穩壓源的正極相連。當主電路中的兩個被保護的開關管關斷時，開關管兩端的電壓就會迅速上升，D1或者D2就會導通，主電路中無法釋放的能量就會經過兩支二極體給電容C充電，電容C兩端的電壓就會上升。當電容C兩端的電壓上升到給定值時，Q3就會由一直關斷轉換為工作狀態，具體工作的方式和控制電路的模式有關，常用的控制模式有PWM控制、PFW控制等，此時電容上的能量就可以經過Q3到電阻R上被消耗。有源緩衝網絡電路中的穩壓源主要起到鉗位的作用，為保證電路的正常工作，主電路中開關管關斷時其集電極和發射極之間也需要有一定的電壓降，穩壓源就保證了若開關管集電極和發射極之間電壓小於穩壓源正極和負極之間電壓時D1和D2不會導通，此時緩衝網絡不會工作。

本發明和現有技術相比具有以下有益效果：

通過兩支開關管的輪流導通和關斷，再配合緩衝網絡的作用，實現了電流輸出迴路的切換。相較於現有的帶基值電流的非熔化極焊接，本發明可以在不增加熱輸入總量的前提下進一步的提高電流的峰值，進而可以提高焊接速度和電弧質量。

緩衝電路中的穩壓源保證了開關管關斷時能保持一定的電壓，這樣有助於電路中雜散電感的能量快速釋放。

附圖說明

圖1為主電路原理示意圖

圖2為系統總體框圖

圖3為輸出電流峰值過程

圖4為死區工作過程

圖5為有源緩衝網絡原理圖

圖6為開關管預留共同導通時間示意圖

圖1中Q1、Q2為開關管，虛線內為緩衝網絡示意圖

圖2中LEM為電流傳感器(1)恆流輸出電源，(2)電流切換電路，(3)總電路電流採樣及濾波，(4)切換電路驅動電路，(5)有源緩衝網絡，(6)數位訊號處理控制系統，(7)人機互動界面，(8)比較器，(9)開關管驅動電路，(10)取樣電路。

具體實施方式

本電路的具體實施方式如下：

本設備的電路要實現為鎢極和母材之間提供一個高頻大脈衝的電流輸出以產生穩定的電弧來提高焊接質量和速度該設備和帶基值的低頻脈衝焊接電源設備相比具有能在相同平均熱輸入的條件下達到更高的峰值電流。

參照圖1、圖2所示，在實際工作時Q1和Q2的導通和關斷狀態總是不同的，通過切換Q1和Q2的導通就可以控制鎢極和母材之間的電流產生和消失。而通過調節Q1和Q2導通和關斷的時間就可以控制電流脈衝產生的時間和脈衝產生的周期，電路中選用高頻特性良好的元器件，就可以達到高頻輸出電流的效果。

圖3為開關管Q1關斷、Q2導通時主電路輸出峰值電流的過程。電流由恆流輸出電源的正極流出，經過母材、鎢極、開關管Q2最終流回恆流輸出電源的負極。此時鎢極和母材之間產生電弧。

圖4為開關管Q2關斷、Q1導通時主電路不輸出電流的工作過程。電流由恆流輸出電源的正極流出，經過開關管Q1流回恆流輸出電源的負極。此時鎢極和母材之間沒有電流。

綜上所述，可以通過控制Q1和Q2的導通與關斷來控制鎢極和母材之間電弧的產生。當Q1導通Q2關斷時鎢極和母材之間不會產生電弧，當Q1關斷Q2導通時鎢極和母材之間就會產生電弧。

圖2是本發明的總體系統框圖。LEM是電流傳感器，主要和電流採樣和濾波(3)電路配合測量主電路中恆流輸出電源(1)的輸出電流，採集到的電流信號將會傳輸到數位訊號處理控制系統(6)和通過人機互動界面(7)設定的值進行比較分析和運算，並把分析完的信號反饋到恆流輸出電源(1)，用來控制電流的輸出。數位訊號處理系統(6)一般會包括一些模數和數模轉換電路、微控制晶片及控制電路等，為了滿足能夠方便控制系統的要求，數位訊號處理系統(6)還會和人機互動界面(7)相連，可以通過人機互動界面對整個系統的工作情況直觀的進行監控，並且可以方便的調節焊接過程中的各種參數，比如說電流脈衝的幅值、頻率、佔空比等。根據前文的介紹，若想實現調節電流脈衝的頻率、佔空比的目的，就得控制開關管Q1和Q2的導通與關斷時間，具體是方法是通過數位訊號處理系統(6)分析和計算Q1和Q2導通的模式，然後經過切換電路驅動(4)電路來直接控制兩支開關管的導通與關斷。

由於本發明要求開關管切換的頻率很高，所以電路中的一些等效儲能元件的影響就會很大，尤其是電路中雜散電感的作用會尤為明顯。本發明中介紹的開關管Q1和Q2以IGBT為例，實際應用中可根據具體情況來選用開關管的種類。若是沒有開關管Q2，則電流會因為雜散電感的續流作用而變化的很緩慢，這一點在高頻輸出電路中是絕不允許的，所以要增加開關管Q2來令母材和鎢極之間的電流迅速下降，但是當Q2關斷的一瞬間，電路中雜散電感的能量無處釋放，只能堆積在開關管Q2的集電極和發射極兩端，此刻開關管中的等效電容的電壓就會迅速上升，很有可能擊穿開關管。對於開關管Q1關斷的瞬間也會存在上述風險，所以本發明還採用接有源緩衝網絡(5)電路的方式來對兩支開關管進行保護。

有源緩衝網絡(5)可以用來同時保護兩支開關管，當開關管的集電極和發射極之間的電壓急速上升到緩衝電路中電容C兩端的電壓時，二極體D1或D2就會導通。在緩衝電路中二極體D1和D2主要作用有兩個：一是起鉗位作用，二極體的陽極電壓就會被鉗位到電容C的電壓以下；二是開關作用，當開關管Q1和Q2集電極和發射極兩端的電壓沒有達到電容C兩端的電壓時緩衝電路就不會工作。開關管Q1和Q2交替關斷時，二極體D1或者D2就會導通，電路上雜散電感中的能量就會為緩衝電路中的電容C充電，C兩端的電壓就會上升。若一直按照這種工作模式持續工作的話，電容C兩端的電壓就會持續升高直到達到電容的最高耐壓值最後擊穿電容，所以為了防止這種情況的發生還要有電阻R和開關管Q3來釋放電容中多餘的能量。取樣電路(10)用來截取電容C兩端的電壓值，並把取樣後的電壓值輸入到比較器(8)中與給定的參考電壓作比較，然後由數位訊號處理系統(6)分析開關管Q3是否該開始工作，再根據控制的具體方式給開關管驅動電路(9)發控制信號來控制開關管Q3的導通與關斷，在本發明中，可以採用PWM、PFM或者比較等控制方式來實現控制三極體Q3的功能。在Q3導通的時候，電容C、開關管Q3和電阻R形成迴路，電容上的能量就可以通過電阻R釋放，電容上的電壓就會降低而不至於被擊穿。緩衝電路外加的恆壓源(11)的作用就是和二極體D3配合為電容C提供一個基值電壓，確保主電路中三極體Q1和Q2集電極和發射極之間電壓小於這個基值電壓時緩衝電路不會工作，這樣就可以保證在三極體Q1和Q2關斷時集電極和發射極之間保持一個相對較高的電壓，加快電路中雜散電感的放電速度。

因為在實際情況下，開關管Q1和Q2不能做到完全同時切換，所以可以預留一段Q1和Q2同時導通的時間，來防止開關管同時關斷，如圖6。這樣做的原因是如果出現了開關管同時關斷的情況，則兩支開關管上的分壓就會很大，電路中如雜散電感等感性元件的分壓就會很小，這就會導致感性元件釋放能量的速度變得很慢，如果不對這種情況有所預防就有可能會影響整個設備的輸出性能。