一种高频脉冲TIG焊接电源设备的制作方法

本发明属于一种可以应用于高频TIG焊的电源设备，涉及到电力电子器件以及开关电源和焊接电源的应用。

背景技术：

TIG焊是一种利用惰性气体保护的焊接工艺。在焊接时以非熔化钨极作为阴极，母材作为阳极，利用钨极和母材之间产生的电弧来融化金属材料形成焊缝。因为TIG焊本身具有气体保护性好、熔池的冶金反应简单、在焊接电流在一定范围内电弧稳定、飞溅小、焊缝美观的优点，所以当把该技术应用到热输入和焊接速度较低的低速焊接时，将会产生很好的焊接效果。但是当为了提高效率而把该技术应用到高速焊接的情况时，情况就会变得复杂一些。在传统的TIG焊接工艺中会尽量避免高速焊接，因为TIG焊的特点就是其本身在焊接时熔深较浅，电弧挺度不高，高速焊接时很容易产生跳弧现象从而影响焊接质量，而若想在高速焊接时加强电弧的挺度就得增加焊接电流，这样就会使焊接时的热输入过大引起钨极的融化和蒸发，造成焊缝接头夹钨影响焊接质量，尤其是对于薄板来说，高输入热量的危害就会更大。为了解决TIG焊焊接效率和焊接质量的矛盾，可以采用脉冲的方法来提供焊接电流，这样可以在总输入热量不变的情况下，提高每次脉冲峰值的时候产生电弧的挺度。为了保证在每两次脉冲电流间隔的时候焊接电弧不至于熄弧，通常会过钨极和母材加一个基值电流来保证有一个能量较为微弱的电弧一直处于燃着状态。而采用更高频(一般大于20KHz)的电流脉冲则可以省去基值电流，这样就可以进一步的提高脉冲峰值来提高焊接效率，同时还可以提高电弧的挺度，增加焊接过程尤其对于焊接薄板时的稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的在于，通过设计一种专用的电源设备来提供一个稳定可靠的高频脉冲电流源，来解决薄板高速TIG焊接的工艺问题。具体的实施方法如下：

一种高频脉冲TIG焊接电源设备，该装置包括一个恒流输出电源(1)，其特征在于包括电流切换电路(2)和有源缓冲网络(5)；

该电流切换电路包括：开关管Q1、开关管Q2；开关管Q1集电极和恒流输出电源的正极还有母材相连，开关管Q1的发射极与开关管Q2的发射极还有恒流输出电源的负极相连，开关管Q2的集电极与钨极相连。

进一步，有源缓冲网络(5)包括：二极管D1，二极管D2，二极管D3，电容C，电阻R，开关管Q3；二极管D1阳极与开关管Q1的阳极相连，开关管D2阳极与开关管Q2的阳极相连，二极管D1阴极与二极管D2阴极、C的1端、R1的1端、二极管D3的阴极相连，C的2端与Q3的发射极、恒压源的负极相连，R的2端与Q3的集电极相连，D3的阳极与稳压源(11)的正极相连。

当电流切换电路(2)中Q1导通，Q2关断时，恒流输出电源输出电流经Q1直接流回恒流输出电源，此时母材与钨极之间无电流通过；当电流切换电路(2)中Q1关断，Q2导通时，恒流输出电源输出电流经母材和钨极再到开关管Q2最后流回恒流输出电源，此时母材与钨极之间流过峰值电流；在Q1和Q2的导通和关断状态相互切换的时候，会有一段两支开关管共同导通的时间，来防止出现Q1和Q2同时关断的情况。

当D1或者D2导通时，电容C两端电压就会升高，通过调节Q3的导通与关断来控制C两端的电压。

本发明主要利用一恒流电源来提供峰值电流，然后再加一电流切换电路来控制电流脉冲的导通占空比和周期，另外还加了一组有源缓冲网络电路来吸收开关管及电路的其他地方产生的等效储能元件因开关管导通和切换而存储的能量。其中脉冲的导通占空比和电流峰值共同影响能量的输入，周期则影响电弧是否能在整个焊接过程中正常保持燃着状态，本发明的关键就是通过缩短周期来提高频率，使焊接电弧始终不断弧。

本发明以全桥电路构建恒流输出电源，作为最佳方式，也可以通过其他拓扑结构来搭建恒流输出电源。恒流输出电源可以实现恒流输出特性，可以用于非熔化极焊接工艺。

电流切换电路可以使电流在不同支路间切换导通，来控制钨极和母材之间是否流过电流。在切换电路中，开关管Q1集电极和恒流输出电源的阳极还有母材相连，开关管Q1的发射极与开关管Q2的发射极还有恒流输出电源的负极相连，开关管Q2的集电极与钨极相连。当开关管Q1导通，Q2关断时，电流源被Q1所在的支路短路，所有的电流经恒流源流出经开关管Q1直接流回恒流源，电流钨极和母材之间不流过电流，此时便是死区时间。当开关管Q1关断，Q2导通时，电流从恒流源流出经母材和钨极流到Q2再经Q2流回恒流源，此时母材和钨极之间流过峰值电流。其中Q2的作用主要是消除电路中因杂散电感的续流作用产生的影响，若没有Q2则有可能在Q1导通后钨极和母材之间继续有电流流过影响焊接过程热输入。

实际工作中Q1和Q2不能完全保证同步切换，所以本发明预留了一段Q1和Q2同时导通的时间，这样做的好处是，电路中的杂散电感可以在开关管工作状态切换的瞬间有足够的电压来释放能量。

缓冲网络的形式有很多种，本发明以采用一种有源缓冲网络电路作为最佳方式，也可以使用RC缓冲电路、RCD缓冲电路或者其他缓冲电路。缓冲网络的作用有：在开关管关断时吸收开关管上等效电容和电路中杂散电感的能量、减少导通关断损耗、降低电压电流尖峰保护元器件。本发明中采用的有源缓冲网络中，D1和D2的阳极分别与要保护的两个开关管的集电极相连，D1的阴极和D2的阴极、电容C的1端和电阻R的1端还有二极管D3的阴极相连；电容C的2端和开关管的发射极、稳压源的负极相连；电阻R的2端和开关管Q3的集电极相连；二极管的阳极与稳压源的正极相连。当主电路中的两个被保护的开关管关断时，开关管两端的电压就会迅速上升，D1或者D2就会导通，主电路中无法释放的能量就会经过两支二极管给电容C充电，电容C两端的电压就会上升。当电容C两端的电压上升到给定值时，Q3就会由一直关断转换为工作状态，具体工作的方式和控制电路的模式有关，常用的控制模式有PWM控制、PFW控制等，此时电容上的能量就可以经过Q3到电阻R上被消耗。有源缓冲网络电路中的稳压源主要起到钳位的作用，为保证电路的正常工作，主电路中开关管关断时其集电极和发射极之间也需要有一定的电压降，稳压源就保证了若开关管集电极和发射极之间电压小于稳压源正极和负极之间电压时D1和D2不会导通，此时缓冲网络不会工作。

本发明和现有技术相比具有以下有益效果：

通过两支开关管的轮流导通和关断，再配合缓冲网络的作用，实现了电流输出回路的切换。相较于现有的带基值电流的非熔化极焊接，本发明可以在不增加热输入总量的前提下进一步的提高电流的峰值，进而可以提高焊接速度和电弧质量。

缓冲电路中的稳压源保证了开关管关断时能保持一定的电压，这样有助于电路中杂散电感的能量快速释放。

附图说明

图1为主电路原理示意图

图2为系统总体框图

图3为输出电流峰值过程

图4为死区工作过程

图5为有源缓冲网络原理图

图6为开关管预留共同导通时间示意图

图1中Q1、Q2为开关管，虚线内为缓冲网络示意图

图2中LEM为电流传感器(1)恒流输出电源，(2)电流切换电路，(3)总电路电流采样及滤波，(4)切换电路驱动电路，(5)有源缓冲网络，(6)数字信号处理控制系统，(7)人机交互界面，(8)比较器，(9)开关管驱动电路，(10)取样电路。

具体实施方式

本电路的具体实施方式如下：

本设备的电路要实现为钨极和母材之间提供一个高频大脉冲的电流输出以产生稳定的电弧来提高焊接质量和速度该设备和带基值的低频脉冲焊接电源设备相比具有能在相同平均热输入的条件下达到更高的峰值电流。

参照图1、图2所示，在实际工作时Q1和Q2的导通和关断状态总是不同的，通过切换Q1和Q2的导通就可以控制钨极和母材之间的电流产生和消失。而通过调节Q1和Q2导通和关断的时间就可以控制电流脉冲产生的时间和脉冲产生的周期，电路中选用高频特性良好的元器件，就可以达到高频输出电流的效果。

图3为开关管Q1关断、Q2导通时主电路输出峰值电流的过程。电流由恒流输出电源的正极流出，经过母材、钨极、开关管Q2最终流回恒流输出电源的负极。此时钨极和母材之间产生电弧。

图4为开关管Q2关断、Q1导通时主电路不输出电流的工作过程。电流由恒流输出电源的正极流出，经过开关管Q1流回恒流输出电源的负极。此时钨极和母材之间没有电流。

综上所述，可以通过控制Q1和Q2的导通与关断来控制钨极和母材之间电弧的产生。当Q1导通Q2关断时钨极和母材之间不会产生电弧，当Q1关断Q2导通时钨极和母材之间就会产生电弧。

图2是本发明的总体系统框图。LEM是电流传感器，主要和电流采样和滤波(3)电路配合测量主电路中恒流输出电源(1)的输出电流，采集到的电流信号将会传输到数字信号处理控制系统(6)和通过人机交互界面(7)设定的值进行比较分析和运算，并把分析完的信号反馈到恒流输出电源(1)，用来控制电流的输出。数字信号处理系统(6)一般会包括一些模数和数模转换电路、微控制芯片及控制电路等，为了满足能够方便控制系统的要求，数字信号处理系统(6)还会和人机交互界面(7)相连，可以通过人机交互界面对整个系统的工作情况直观的进行监控，并且可以方便的调节焊接过程中的各种参数，比如说电流脉冲的幅值、频率、占空比等。根据前文的介绍，若想实现调节电流脉冲的频率、占空比的目的，就得控制开关管Q1和Q2的导通与关断时间，具体是方法是通过数字信号处理系统(6)分析和计算Q1和Q2导通的模式，然后经过切换电路驱动(4)电路来直接控制两支开关管的导通与关断。

由于本发明要求开关管切换的频率很高，所以电路中的一些等效储能元件的影响就会很大，尤其是电路中杂散电感的作用会尤为明显。本发明中介绍的开关管Q1和Q2以IGBT为例，实际应用中可根据具体情况来选用开关管的种类。若是没有开关管Q2，则电流会因为杂散电感的续流作用而变化的很缓慢，这一点在高频输出电路中是绝不允许的，所以要增加开关管Q2来令母材和钨极之间的电流迅速下降，但是当Q2关断的一瞬间，电路中杂散电感的能量无处释放，只能堆积在开关管Q2的集电极和发射极两端，此刻开关管中的等效电容的电压就会迅速上升，很有可能击穿开关管。对于开关管Q1关断的瞬间也会存在上述风险，所以本发明还采用接有源缓冲网络(5)电路的方式来对两支开关管进行保护。

有源缓冲网络(5)可以用来同时保护两支开关管，当开关管的集电极和发射极之间的电压急速上升到缓冲电路中电容C两端的电压时，二极管D1或D2就会导通。在缓冲电路中二极管D1和D2主要作用有两个：一是起钳位作用，二极管的阳极电压就会被钳位到电容C的电压以下；二是开关作用，当开关管Q1和Q2集电极和发射极两端的电压没有达到电容C两端的电压时缓冲电路就不会工作。开关管Q1和Q2交替关断时，二极管D1或者D2就会导通，电路上杂散电感中的能量就会为缓冲电路中的电容C充电，C两端的电压就会上升。若一直按照这种工作模式持续工作的话，电容C两端的电压就会持续升高直到达到电容的最高耐压值最后击穿电容，所以为了防止这种情况的发生还要有电阻R和开关管Q3来释放电容中多余的能量。取样电路(10)用来截取电容C两端的电压值，并把取样后的电压值输入到比较器(8)中与给定的参考电压作比较，然后由数字信号处理系统(6)分析开关管Q3是否该开始工作，再根据控制的具体方式给开关管驱动电路(9)发控制信号来控制开关管Q3的导通与关断，在本发明中，可以采用PWM、PFM或者比较等控制方式来实现控制三极管Q3的功能。在Q3导通的时候，电容C、开关管Q3和电阻R形成回路，电容上的能量就可以通过电阻R释放，电容上的电压就会降低而不至于被击穿。缓冲电路外加的恒压源(11)的作用就是和二极管D3配合为电容C提供一个基值电压，确保主电路中三极管Q1和Q2集电极和发射极之间电压小于这个基值电压时缓冲电路不会工作，这样就可以保证在三极管Q1和Q2关断时集电极和发射极之间保持一个相对较高的电压，加快电路中杂散电感的放电速度。

因为在实际情况下，开关管Q1和Q2不能做到完全同时切换，所以可以预留一段Q1和Q2同时导通的时间，来防止开关管同时关断，如图6。这样做的原因是如果出现了开关管同时关断的情况，则两支开关管上的分压就会很大，电路中如杂散电感等感性元件的分压就会很小，这就会导致感性元件释放能量的速度变得很慢，如果不对这种情况有所预防就有可能会影响整个设备的输出性能。