一种新型WSE交流方波焊机维弧装置的研制

邓 想 公永建

（河南机电高等专科学校材料工程系，河南新乡 453003）

众所周知，铝及其合金在电弧焊接中常采用交流电源。传统的交流正弦波电源过零速度慢，灭弧频率高，所以现在越来越多地被交流方波电源所取代。交流方波可以解决大电流（200 A以上）下过零灭弧的问题。但使用交流方波TIG焊以小电流焊接铝合金时，由于铝合金熔点和沸点低，发射电子能力弱，在当电极（钨极）由负极性转向正极性时，电弧复燃困难，仍需要增加维弧措施。文献［1］提出了进行过零维弧的3种方法，即高压脉冲稳弧、高频稳弧和交流矩形波稳弧。从实际效果来看，第一种效果较好。文献［2］披露了一种高压脉冲稳弧方法，即通过检测电弧负载的电压变化判断电流过零点，再叠加一个高压脉冲，帮助复燃电弧。但在实际应用时存在对电弧情况误判的现象，造成焊接电流不稳定，焊接质量不高。本文改进了这种装置，将电压检测改为电流检测，同时辅以数字化控制，提高了其可靠性。

1 方波焊机维弧装置组成及工作原理

1．1 维弧装置组成

方波焊机装置组成如图1所示，其中，T．H为方波焊机主变压器，其原边接入全桥逆变器，称为一次逆变;D3～D6组成桥式整流电路。T．L1与T．L2为共模滤波电感，其主要作用为平滑焊接电流，使焊缝细腻。T1、T2为电子开关，本文选型为半桥式IGBT模块，T1与T2组成二次逆变器，在方波发生器（未示出）的驱动下，输出方波电流。D1、D2分别为T1、T2的体二极管，在其换流时相应导通，起续流作用，又称为续流二极管。T．S为放电变压器，本文未涉及。Z为感性电弧负载。Z的XS1端为焊接工件，XS2端为氩弧焊枪。当XS1端电压为正，XS2端电压为负时，称之为正接性，反之则为反接性。

维弧装置包括一个高电压源Ust，快速功率开关器件Tst，本文选型为单管IGBT模块。Tst的作用是，在电流过零瞬间，高电压通过该开关叠加在电弧负载两端。R1为维弧电阻，调节维弧电流。

1．2 维弧装置驱动电路

如图2，控制器选用单片机AT89C55，驱动光耦采用HCPL3120，为了防止驱动电路意外过压和欠压，采用ZD1和ZD2反向串联的方式，ZD1和ZD2均为稳压管。Rs为前级信号电阻，选择合适的Rs值，使驱动光耦的输入二极管在安全区间运行。Rg为门极驱动电阻，选择合适的Rs值，使IGBT管Tst快速开通和关断。

当控制器接到维弧中断后，进行抗干扰检测，确认信息后，通过I/O口发出驱动信号。为了提高可靠性，采用低电平驱动控制。光耦HCPL3120输入电流达到10 mA后，其Out端连接VC，Tst的GE电压达到阈值后，Tst导通，维弧电压施加于XS1和XS3（图1）两端。维弧时间满时，控制器发出高电平截止信号，光耦Out端连接VEE，提高关断可靠性。

1．3 维弧装置工作原理

（1）基本假定:假定电路中元器件均有理想特性;电路已处于稳态;图3是维弧系统中维弧驱动Ust和焊接电流iw在维弧过程中的波形。为了简单，设稳态下正向焊接电流和反向清理电流为恒值，且焊接电流的占空比恒定。图中UT1和UT2分别为T1和T2开关管的驱动信号，见图1，并规定UT1＞0时，T1管开通;UT1=0 时，T1 管关断;UT2，Ust作用与UT1类同。

（2）电路初态（图3中时区A）:在t0时刻，T1管开通，T2管关闭，电路进入正接性。电流迅速达到焊接电流并维持不变。维弧电路作用前，UT1=1，UT2=0，Ust=0。

（3）负正转换期（图3中时区B）:在t1时刻，设定电流减小至原电流的30%，施加维弧电流ist。维弧时间由控制器发出的驱动脉冲决定。分两个阶段进行:首先，维弧电流为正向，焊接电流为反向，叠加之后为正向，使得实际电流以更快的电流变化率换向，同时启动精密电流采样判断电路。当焊接电流为零后，T2管开通，维弧电流保持为设定值。在t2时刻，电弧已经重新引燃，撤去维弧电流。

（4）正向电流期（图3中时区C）:维弧电流结束后，焊接电流iw已经增长，其值增加到设定的焊接电流后，保持不变。

（5）正负转换期（图3中时区D）:在t3时刻，T1管开通，T2管关闭，此时的阴极为钨极，发射电子能力比较强，电弧重燃容易［3］，没有叠加维弧电流。为了防止电流过冲，设置了阶梯电流，即首先电流上升至设定值的50%，即图中的if，然后再上升至设定值。

在焊枪由负转正之前，先给电弧施加一个比较大的电流脉冲，然后快速转变极性。

2 试验及分析

试验设备采用某公司生产的WSE方波焊机进行了试验，保护气体为Ar气。试件是板厚为0.5 mm。1 mm和1.5 mm的铝合金，电极采用钍钨极，直径分别为:1.5 mm、2 mm、2.5 mm，端部打磨处理。

试验结果及分析如下。

2．1 维弧电压对焊接性能的影响

保持其他参数不变，通过取消和施加维弧电压对比，考察维弧电压对焊接性能的影响。试验结果如图4所示。其中，图4a为没有附加任何维弧措施的情况下得到的电流波形，焊接电流为100 A，从图中可以看出，焊接过程出现断弧现象。图4b为施加维弧电压后得到的电流波形，焊接参数同图4a，从图中可以看出，焊接过程平稳，未出现断弧现象。因此，在小电流下，施加维弧电压是有必要的。

2．2 维弧时间对焊接性能的影响

保持其他参数不变，通过改变维弧驱动的持续时间，考察维弧时间对焊接性能的影响。试验结果如表1所示。从表中可以看出，随着维弧时间的增加，焊接质量得到改善，当维弧时间超过150 μs时，焊接质量开始变差。因此，维弧时间设定为150 μs是合适的。

2．3 维弧电流对焊接性能的影响

保持其他参数不变，通过改变维弧电阻R1（如图1）的阻值，考察维弧电流对焊接性能的影响。试验结果如图5所示。从图中可以看出，需要的维弧电流随焊接电流的增大而减小，当焊接电流大于140 A时，可以不施加维弧电流。另外还可以看出，在小电流焊接时，维弧电流的大小对焊接影响很大，变化较快，而随着焊接电流的增大，这种影响逐渐减弱。

表1 维弧时间对焊接性能的影响

3 结语

针对交流方波焊机焊接电流的特点，设计了WSE方波焊机维弧装置。该装置基于维弧电流对交流方波焊机过零点的电流叠加，保持电弧稳定燃烧。试验证明，在小电流情况下施加稳弧电压是必要的，维弧时间150 μs为宜，所需维弧电流随焊接电流的增大而逐步减小，在小电流焊接下，维弧电流对焊接质量影响显著。经过试验证明，该维弧装置具有较高的适用性和可靠性。

［1］殷树言．气体保护焊工艺［M］．哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1989．

［2］殷树言，黄继强，陈树启，等．方波交流GTAW电弧再引燃机理的研究［J］．机械工程学报，2002，38（3）:16－18．

［3］林渭勋．现代电力电子技术［M］．北京:机械工业出版社，2002．

［4］安藤弘平，长谷川光雄．焊接电弧现象（增补版）［M］．北京:机械工业出版社，1985．