交流TIG焊低频高压脉冲引弧电路分析与设计

岳传敏，陈克选，李述辉，陈安清，徐德进

（兰州理工大学材料科学与工程学院，甘肃兰州730050）

交流TIG焊低频高压脉冲引弧电路分析与设计

岳传敏，陈克选，李述辉，陈安清，徐德进

（兰州理工大学材料科学与工程学院，甘肃兰州730050）

将高压脉冲引弧所产生的干扰小和高频高压振荡引弧时的引弧成功率高相结合起来，实现一种低频高压脉冲引弧方式。介绍低频高压脉冲引弧方式的工作原理和参数选择，并通过实验测试发现，该引弧方式产生的干扰小，引弧成功率高。

引弧方式；倍压电路；低频高压脉冲引弧；晶闸管

0 前言

交流TIG焊机质量优劣的一个重要因素是引弧成功率的高低，一台好的TIG焊机不仅要求引弧成功率高，而且对电网的干扰小。目前交流TIG焊机中用到的引弧方式有接触式引弧和非接触式引弧两种。

接触式引弧工作原理为：焊接时将钨电极与工件短路，然后迅速提起钨电极，利用短路瞬间引燃电弧[1-2]。但是对于大电流的直流TIG焊，采用此法钨极易烧损严重，会改变钨极端部的几何尺寸。

非接触引弧电路有工频升压引弧器、高频高压引弧器和高压脉冲引弧器三种。由于工频升压引弧器在实际应用中越来越少，在此只介绍高频高压引弧器和高压脉冲引弧器的工作原理和优缺点。

（1）高频升压引弧器的工作原理：采用高压包取代工频变压器，高压包一次侧接在高频小功率逆变器上，二次侧接高压电容，当电容电压升至一定值，击穿放电器，放电产生振荡，产生高压输出，可在逆变变压器上绕一辅助绕组来取代高频小功率逆变器[3-4]。优点是引燃电弧的成功率高；缺点是电磁干扰大，会通过电网传导和空间辐射对附近的电子设备产生干扰，对焊工有电击的危险。

（2）高压脉冲引弧器的工作原理：在振荡电路中用晶闸管取代火花放电器，引弧时触发晶闸管，振荡电容放电，产生引弧脉冲，由于晶闸管的单向导电作用以及无触点的特点，避免了火花放电器产生多次的高频振荡，对外界干扰相对较小[5-7]。优点是电磁干扰小；缺点是引弧效果差。

由于两种引弧方式各有利弊，本研究将高压脉冲引弧的干扰小和高频高压振荡引弧时引弧成功率高结合起来，实现了一种低频高压脉冲引弧方式。

1 低频高压脉冲引弧电路

1.1 倍压电路原理

倍压电路原理如图1所示。交流220V（将220V电压定义为U0）经电容的充放电使输出电压为4U0。在交流正半波时，VD1阳极为正，VD1导通，交流电经VD1、R1给C1充电，充电时间由R1、C1决定，计算公式为：t1=R1C1，充电时间常数为Nt1（N为整数，一般取3～6），为了保证C1能充满，即C1两端的电压达到U0，Nt1应该小于工频周期的一半即10ms；在交流负半波时，VD1阳极为负，VD1截止，VD2导通，交流电经R1→C1→VD2给C2充电，由基尔霍夫电压定律可知，整个回路的电压代数和为零，可以算出C2上下两端电压为2U0。在交流下一个正半波时，VD3导通，VD2截止，交流电经C2→VD3→C1→R1这个回路给C3充电，计算出C3上下两端电压为2U0；在交流下一个负半波时，VD3截止、VD4导通，交流电经R1→C1→C3→VD4→C2这个回路给C4充电，C4上下两端电压为2U0。由于上一级充满的电容在下一级电路中会释放掉一些电荷，所以输出端要达到4U0需要经历很多个周期。

图1 倍压电路原理

1.2 引弧触发电路

引弧触发电路如图2所示。经倍压电路输出的电压为4U0，通过VD5→IGBT1→R5这个回路给C6充电，此时由于VD7未导通，VT2的控制极为低电平，所以C6的电压会不断升高，同时倍压出的电压经R2这个回路给C5充电，当C6的电压达到4U0时，C5两端电压应大于VD7击穿电压，触发VD7导通，VT2的控制极由低电平变为高电平，触发VT2导通，储存在C6中的能量通过VT2→T1回路释放，形成脉冲电流，经变压器升压耦合到输出端，在钨极与工件之间形成几千伏的脉冲电压，电离空气形成电弧，从而达到引燃电弧的效果。由于VT2的导通，会导致R2和R4所在的两个回路都断路，于是C5经过VD7、R4放电。C6放电结束后，晶闸管受T1一次侧形成的反向电动势而截止，之后C6又立即重新充电，进入下一个充放电循环。

图2 引弧触发电路原理

2 低频高压脉冲引弧电路中主要元器件参数的选择和作用

2.1 电容C1的选择依据

电容C1的主要作用是提供足够的能量。实践表明，脉冲能量在0.5～2.0 J范围内便足以引燃电弧[4]。理论上UC2=UC4=2UC1=2U0，实际中由于网压的波动，波动系数为1.2，由于充电时是交流的峰值，这个峰值系数一般为1.1，所以实际UC1=1.1×1.2×U0，U0=220V，所以UC1=290V，电容储存总能量为：WC=4WC1=4C1UC12≈0.5～2.0 J，C1=C2=C3=C4=（0.5～2.0）/4UC12=1.5～6.0μF，取C1=C2=C3=C4=4.5μF，耐压400 V。

2.2 电阻R1的选择依据

在倍压电路启动的瞬间，电容在电路中可以看作是短路，由于它的阻值非常小，通过的电流非常大，为了减少充电时电容的浪涌尖峰，尤其是减少C1充电时的电流峰值，同时电阻和电容能吸收来自外部的干扰和防止电路的杂波串入到电网，所以引入R1的目的有三个方面：一是降低电容在充电所承受的压力，延长电容的使用寿命；二是防止整流二极管的损坏；三是减小对电网电压的影响。

为了满足充电时间常数Nt1（N为整数，一般取3～6）小于工频周期的一半即t2/2=10ms，取5t1=t2/2（其中t1=R1C1），R1取值范围为75～150Ω；考虑到电阻R1在倍压电路中的作用，故R1取100Ω。

2.3 晶闸管VT2及其控制电路的选择依据

以往多采用555等控制芯片来控制晶闸管的导通，由于芯片自身对外界的抗干扰能力差，需要用到变压器或者光耦来隔离控制信号，而且芯片一般采用5V或者15V的直流电作为电源，这就要求直流电源的稳定性高，增加了焊机的成本和难度。所以本研究未采用555等控制芯片来控制晶闸管的导通，而是采用给电容充电的方式来控制晶闸管的导通，进而控制振荡时的频率，电容充电时间由如下公式计算所得：

式中UC为VD7的击穿电压；4U0为倍压出来的电压；t为电容充电时间，t3=R2C5。

选择晶闸管作为开关管，而没有选择场效应管和绝缘双极性晶体管的原因在于：晶闸管从导通状态变为阻断状态时，只需要通过减少阳极电流或者改变阳极与阴极之间的电压极性就可实现，而变压器在电容放完电后，一次侧能产生反向电动势改变阳极与阴极之间的电压极性，实现可靠关断，而不需要外加控制电路。而场效应管和绝缘双极性晶体管从导通状态变为阻断状态都是通过控制极的电位来实现，如果是用电容的充放电来作为控制极的输入则达不到这样的目的，必须用芯片来控制，这就需要增加外围电路的设计和程序编写，同时增加了成本和设计的难度。

理论上倍压出来的电压最大为1 160V，但在实际测试中只有1 060V，为了保证晶闸管可靠安全的运行，所以VT2的耐压值为实际测试的1.5倍，计算得1 590 V，取VT2的耐压值为1 600 V。

3 实测波形分析和引弧测试

图3为C6和VT2的波形图，电压50V/div，衰减10倍，时间5ms/div。可以看出，C6充满电时两端最大电压为1 060 V，C6充放电的总时间为15ms，频率65 Hz，电容放电时间非常短，更重要是C6的波形上没有毛刺，说明在电路中产生的杂波少，纹波小，对外界的干扰小。两个波形重复性非常好，充分说明在晶闸管关断期间，电容一直在充电，只在晶闸管导通期间才放电，与前面的理论分析完全吻合。

1—C6两端的波形；2—VT2阳极对阴极的波形。图3 C6和VT2的波形

将低频高压脉冲引弧器装入TIG焊机中（一定要注意将T1二次侧标有2的一端接到输出的负极，如图2所示，提高引弧成功率），每隔2 s闭合焊枪开关一次，测试5min，发现引弧成功率高达100％，不论焊枪是在冷态和热态，还是在快速合枪和慢速合枪的情况，都未出现未引燃电弧的情形，将同类型的引弧器装在这台TIG焊机上，发现在冷态或者快速闭合焊枪开关时，存在未引燃电弧的情况，说明低频高压脉冲引弧器的引弧成功率高。

4 结论

（1）研制的低频高压脉冲引弧器不仅频率低、能量小，对电网的干扰小，而且引弧成功率高，为推动环保型焊接设备做了理论性的研究。

（2）以电容的充放电时间来控制晶闸管的导通和关断，取代传统用芯片控制晶闸管的导通和关断的方法，不仅减少了成本，而且降低了设计难度。

[1]黄晨.一种新型高压脉冲引弧器[J].上海工程技术大学学报，2000（3）：19-22.

[2]殷树言，段然，刘嘉.TIG焊倍压整流式引弧电路设计与调试[J].电焊机，2006，36（6）：34-37.

[3]张光先.逆变焊机原理及设计[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4]朱立东，袁洲.高频引弧器及其对逆变直流弧焊机干扰性能的研究[J].四川工业学院学报，1999（4）：10-12.

[5]美国焊接学会.焊接手册（第2卷焊接方法）[M].清华大学焊接教研组译.北京：机械工业出版社，1988.

[6]邵成吉，李德元，孙振中，等.TIG焊电弧引燃方式的探讨及新型引弧器的介绍[J].电焊机，1997，27（3）：19-22.

[7]郝廷玺.一种高压脉冲引弧电路[J].电焊机，1988（6）：34-38...

Analysisand design of low frequency high voltage pulse arc ignition circuit in AC TIG welding

YUE Chuanmin，CHEN Kexuan，LIShuhui，CHEN Anqing，XU Dejin
（College ofMaterials Science and Engineering，Lanzhou Univ.of Tech.，Lanzhou 730050，China）

A low frequency high voltage pulse arc ignition mode is introduced in this paper，it combines the small interference generated by high voltage pulse arc ignition and the high success rate of arc ignition in high frequency and high voltage oscillating arc ignition.The working principle and parameter selection of thismode are introduced，and the test results show that thismode generates small interference and high success rate.

arc ignitionmode；multiple-voltage circuit；low frequency high voltage pulse arc ignition；silicon controlled rectifier

TG434.5

A

1001-2303（2015）07-0006-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.02

2014-11-18

岳传敏（1988—），男，湖北仙桃人，硕士，主要从事数学化方波交流TIG焊的研究。