专利名称：一种解决变极性等离子弧焊接双弧的电路的制作方法
技术领域：
本实用新型属于焊接技术领域。主要用于航空航天用厚板铝合金单面焊双面成形技术。
背景技术：
变极性等离子弧焊接方法VPPAW与钨极氩弧TIG或熔化极惰性气体保护焊MIG相比，具有能量集中、电弧挺度大、一次穿透深度大以及焊后变形小等特点。铝合金变极性穿孔等离子弧焊接工艺在航空航天重要结构的焊接中优势较为明显。
以前研究的变极性等离子弧焊接电源主要存在的问题是，焊接电源为可控硅式的方波交流电源或可控硅式的变极性电源，其原理如图1所示。300A主电源和100A辅助电源组成。调节可控硅1、2、3、4驱动，和辅助电源可获得变极性电流。可控硅的开通时间一般为1～6us，然而其关断时间很长，一般为几十微秒。因而，这种电路的过零时间很长，使得过零前后流过电弧空间的电流很小，电弧空间的温度很低。当小电流焊接情况下，由正极性转反极性时等离子电弧不易引燃。因此，焊接过程中必须接维弧。
在变极性等离子弧焊接过程中主、维弧同时存在时，出现变极性主弧与维弧相干涉现象。当关断维弧后可解决主、维弧相干涉现象，但此时若不切断维弧电源主回路，电弧由正极性变反极性时主电源电流I和电弧形态如图2所示。主电源电流I分成I1和I2两部分，I1部分经维弧电源输出电感和整流二极管窜入维弧电源主回路，形成喷嘴与工件之间的电弧，即等离子电弧形成“双弧”。双弧对等离子弧焊接造成不利影响。变极性等离子弧由正极性变反极性时电弧出现双弧。
本实用新型解决了上述变极性等离子弧焊接时因维弧的存在而造成由正极性变反极性时产生双弧的问题。
实用新型内容本实用新型目的是提供一种解决变极性等离子弧焊接双弧的电路，”解决变极性等离子弧焊接时因维弧存在而产生双弧的问题。开发新型变极性等离子弧焊接电源，解决变极性等离子弧焊接时因维弧存在而产生双弧的问题。焊接主电源主电路采用双逆变型电路结构，经前级逆变获得20KHz中频交流电，后级逆变将直流电变换成适合铝合金等离子穿孔立焊工艺的低频交流电。逆变单元采用了半桥式逆变电路拓扑结构，该电路具有结构简单、可靠性好和抗偏磁能力强等优点。
本实用新型提供的一种解决变极性等离子弧焊接双弧的电路，结构如下，三相工频交流电依次经空气开关K、交流接触器KM1和三相整流模块BR1的全波整流及电容CO的滤波，将变成平稳的540V直流电，并供给IGBT半桥逆变电路；540V直流电通过IGBT开关管G1、G2的通断和电容C1、C2的充放电作用以及变压器TM的隔离与降压，变为20KHz以上频率的低电压大电流交流电，再经过快恢复二极管D整流、铁磁电感滤波作用变为平直的低电压大电流的直流电；T1集电极和和T2发射极分别接到铁磁电抗器两个线圈上；T1和T2串接，并从中点引线接至工件；变压器TM的中心抽头串接耦合变压器后接至焊枪；在功率开关管T1和T2的轮流导通作用下将低电压大电流直流电变成焊枪与工件之间的变极性电流输出；焊接电流由电流传感器检测；PWM定频率调脉宽+PFM定脉宽调频率混合闭环控制电路根据检测到的焊接电流和单片机控制电路的给定信号，给一次驱动电路提供驱动信号；PWM+PFM混合闭环控制电路可发出欠压、过热、过流信号，并切断交流接触器KMI，达到出现故障时保护焊接电源的作用，其特征在于，选用大功率IGBT作为二次逆变获得变极性电流输出的开关管T1和T2，驱动信号由单片机给出；焊枪的主弧开关一端接+15V电；当开通主弧开关时将+15V电接到延时继电器J；K为延时继电器J的常闭触点，它的一端接+15V，另一端接MOSFET管的栅极；MOSFET管串接在维弧电源主回路上；当主弧开关开通之前延时继电器未动作，此时MOSFET管处于开通状态，即维弧电源主回路处于导通状态；当开通主弧开关时将+15V电接到延时继电器J，于是延时继电器按设定的时间动作，常闭触点K断开；当常闭触点K断开后，MOSFET管失去驱动信号而关断，即维弧电源主回路断开。
T1和T2在单片机驱动信号及二次逆变驱动电路作用下轮流通断，这样就在工件与等离子焊枪之间形成变极性电弧。IGBT的开通速度比可控硅快，开通时间在1us以内，这对提高变极性等离子电弧过零速度非常有利，并且由于采取单片机给二次逆变开关管提供驱动信号，控制精度得到提高，从而解决了变极性等离子电弧过零稳定性问题。变极性等离子电弧过零不稳定问题得到解决之后，在正常焊接过程中维弧已失去作用，可去掉维弧。若引燃主弧进入变极性焊接阶段后即便关断维弧，若不切断维弧主回路，在反极性期间主电源电流就会窜入维弧电源主回路，形成双弧。本实用新型采取引燃主弧后自动切断维弧电源主回路的方法，解决了上述问题。
本发明的效果实现了引燃主弧后自动延时断开维弧电源主回路的功能，从而能够避免变极性等离子弧焊接反极性期间，主弧电流窜入维弧电源主回路而形成“双弧”。
图1可控硅变极性等离子弧焊接电源图2维弧存在时变极性等离子弧焊接反极性期间电弧形态图3双逆变型变极性等离子弧焊接电源主电路结构图。
图4引燃主弧后自动切断维弧电源主回路原理图。
图5单片机驱动的二次逆变原理图。
具体实施方式
主电源经PWM和PFM联合控制电路控制一次逆变IGBT驱动，并获得恒流外特性。电流检测采用霍尔传感器，霍尔传感器是根据霍尔原理制成，精度高、反映速度快。驱动电路是主电路与控制电路的接口，驱动电路的可靠性对主电源稳定性具有重要作用，其作用就是将控制电路输出的PWM脉冲放大到足以驱动开关功率管IGBT，并且具有主电路过流检测和封锁PWM脉冲，保护主电路的作用。一次逆变驱动电路核心部分为EXB841专用驱动模块，二次逆变同步驱动波形由单片机给出，原理见图5。两个驱动信号由单片机的P1.1口和P1.2口输出，并以给定脉动电流峰值的前后沿为基准，经过缓冲器和限流电阻(R1和R2)输入到驱动电路。二次逆变IGBT驱动电路以M57962L为核心，具有光电隔离和功率放大和过流保护等功能。两组相位相反的电平信号经驱动电路光电隔离、功率放大后驱动二次逆变功率开关管。编程设定P1.1和P1.2的电平相位，可实现二次逆变两个功率开关管T1和T2按设定值精确的交替导通，从而在工件与焊枪之间形成变极性等离子弧焊接电流。焊枪输出端接有耦合变压器，将高频引弧器产生的高频高压信号耦合到输出回路中，起到高频引弧作用。
作用。
图4是实现开主弧后自动断开维弧电源主回路的电气连接图。维弧电源主回路上串接MOSFET管，通过MOSFET管的开通与关断来实现对维弧电源主回路的通断控制。主弧焊枪开关一端接+15V电，延时继延时继电器常闭触点K一端接+15V电，另一端接到MOSFET管的栅极。此时MOSFET管处于开通状态，即维弧电源主回路处于导通状态。当开通主弧焊枪时将+15V电接到延时继电器J，于是延时继电器按设定的时间动作，常闭触点K断开。当常闭触点K断开后，MOSFET管失去驱动信号而关断，即维弧电源主回路断开。这就实现了引燃主弧后自动延时断开维弧电源主回路的功能。
权利要求1.一种解决变极性等离子弧焊接双弧的电路，结构如下，三相工频交流电依次经空气开关K、交流接触器KM1和三相整流模块BR1的全波整流及电容C0的滤波，将变成平稳的540V直流电，并供给IGBT半桥逆变电路；540V直流电通过IGBT开关管G1、G2的通断和电容C1、C2的充放电作用以及变压器TM的隔离与降压，变为20KHz以上频率的低电压大电流交流电，再经过快恢复二极管D整流、铁磁电感滤波作用变为平直的低电压大电流的直流电；T1集电极和和T2发射极分别接到铁磁电抗器两个线圈上；T1和T2串接，并从中点引线接至工件；变压器TM的中心抽头串接耦合变压器后接至焊枪；焊接电流由电流传感器检测；PWM定频率调脉宽+PFM定脉宽调频率混合闭环控制电路根据检测到的焊接电流和单片机控制电路的给定信号，给一次驱动电路提供驱动信号；其特征在于，选用大功率IGBT作为上述二次逆变获得变极性电流输出的开关管T1和T2，驱动信号由单片机给出；上述焊枪的主弧开关一端接+15V电；当开通主弧焊枪时将+15V电接到延时继电器J；K为延时继电器J的常闭触点，它的一端接+15V，另一端接MOSFET管的栅极；MOSFET管串接在维弧电源主回路上。
专利摘要本实用新型属焊接领域，解决了变极性等离子弧焊接时因维弧的存在而造成由正极性变反极性时产生双弧的问题。本电路选用大功率IGBT作为二次逆变获得变极性电流输出的开关管T1和T2，驱动信号由单片机给出；焊枪的主弧开关一端接+15V电；当开通主弧焊枪时将+15V电接到延时继电器J；K为延时继电器J的常闭触点，它的一端接+15V，另一端接MOSFET管的栅极；MOSFET管串接在维弧电源主回路上。该电路主要用于航空航天用厚板铝合金单面焊双面成形技术，结构简单、可靠性好和抗偏磁能力强。
文档编号B23K10/02GK2915347SQ20052012806
公开日2007年6月27日 申请日期2005年10月14日 优先权日2005年10月14日
发明者殷树言, 吕耀辉, 陈树君, 韩永全, 刘嘉, 卢振洋 申请人:北京工业大学