1 引 言
本文討論的焊接電源是電弧焊機中的核心部分，是用來對焊接電弧提供電源的一種專用設備?，F有的焊接電源存在引弧困難,、電流控制精度低、電網電壓波動大等問題,。
眾所周知,，我國的工業(yè)電網采用三相四線制交流供電，頻率為50Hz,，相電壓為220V,，線電壓為380V。而氬弧焊要求的電壓一般大約為20V～40V,，電流在幾十至上千安,。本文主要研究內容的難點是：對焊接電流能夠精確控制,，焊接時保持焊接電流平穩(wěn)，電弧挺度好,，要求焊接電弧可以在焊接電流為1A～100A時穩(wěn)定燃燒,；在焊接過程中，能一邊焊接,，一邊記錄焊接電流值,、電壓值；高頻引弧時,，屏蔽對計算機及外界的干擾,。
2 硬件設計
2．1 系統(tǒng)體系結構
焊接電源系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示
圖1中的引弧電源和焊接電源都是由主電源經過變壓、整流,、濾波后產生的直流電源,。圖中晶體管組由多個晶體管并聯(lián)而成，并帶有驅動電路,。
焊接設備的各組成部分作用如下：引弧電源部分在焊接引弧時提供高壓,，方便了順利地引弧，串聯(lián)限流電阻R防止引弧電源在焊接回路中產生大電流,，此外,，二極管D防止引弧時電流反向流經焊接電流；焊接電源為焊接回路提供大電流,；晶體管組部分用于控制焊接電流,；繼電器電路部分輸出開關信號，如高頻發(fā)生器的通短等,；焊接電流采樣電路部分對焊接電流進行采樣，輸出到反饋電路,，進行電流控制,。
焊接電壓采樣電路對電弧電壓進行采樣，然后將采樣值直接輸入到計算機進行數據處理,。圖1中的焊接電流取樣元件與焊接電壓取樣元件均采用霍爾器件,。這種器件采用霍爾原理進行工作，所檢測的對象與得到的信號完全隔離,。這樣,，可以避免焊接電路中的強干擾信號傳遞到控制系統(tǒng)。
圖1中的控制電路是一個帶有反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng),。這個反饋系統(tǒng)的輸入值由計算機的數據處理板的D／A給出,。輸入值與焊接電流取樣值相減后放大，然后通過電阻電容組成的滯后網絡,，再行隔離,、放大后輸出給晶體管的基極,，利用深度負反饋原理得到穩(wěn)定的焊接電流。由自動控制原理可知,，當系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數足夠大時,，系統(tǒng)的輸入與輸出相等，故,，焊接電流能以足夠的精度跟蹤計算機給出的焊接電流給定值,。
圖1中的繼電器電路用于控制繼電器開關動作、反饋電路,、工業(yè)控制計算機,，由于與本文無關，故免述,。
2．2 高頻引弧電源的實現
國內外在解決自動焊接設備的引弧問題上已經做過很多有益的工作,，有以下四種方法較為典型：
第一種方法是采用高頻引弧。引弧時,，讓鎢極末端與焊接表面之間保持一定的小間隙,，然后，接通高頻振蕩器脈沖引弧電路,，使間隙擊穿放電而引燃電弧,。這種方法比較可靠，且可防止焊縫產生夾鎢缺陷,，只是必須對這一強干擾源進行隔離或屏蔽,，以防止高頻放電對控制系統(tǒng)或計算機系統(tǒng)造成干擾和破壞。
第二種方法不用高頻,，但仍采取非接觸引弧的方法,。具體的做法是，在引弧開始時,，利用輔助熱源先對鎢極進行加熱,，提高鎢極的熱電子發(fā)射能力，這樣,，鎢極在較低的空載電壓下能引弧成功,。這種引弧方法需要一套較為復雜的輔助機構，使焊槍的結構復雜,，也使焊接設備復雜程度有所增加,。
第三種方法為間接接觸引弧方法，即,，在工件與鎢極之間插入一個輔助電極,，使其間接接觸短路，以達到接觸引弧的目的,。
第四種方法是高壓脈沖引弧,，在鎢極與工件之間加一高壓脈沖,，使兩極間氣體介質電離而引弧。
本文選用一種新型的高頻引弧器,，不僅起弧容易,，而且對外界干擾小。高頻引弧電路原理圖見圖2,。
圖2中,，T1稱為中頻升壓變壓器，L2與T2組成火花放電器,，T2為高頻耦合變壓器,。為了說明這種新型高頻引弧器的工作原理，可將其分為兩部分,，以T1為界,，其左半部為中頻脈沖發(fā)生器，右半部分為高頻脈沖發(fā)生器,。
中頻脈沖發(fā)生器的主要功能是將工頻正弦電壓變換成中頻脈沖電壓,。整流橋輸出的整流電壓經過R1對電容C充電，當充電電壓達到穩(wěn)壓管的擊穿電壓時,，晶閘管Vt迅速導通,，于是，已被充電的電容C將與中頻生壓變壓器T1的原邊電感L1發(fā)生電磁振蕩,。當流過Vt的正向振蕩電流小于它的維持電流時,，Vt關斷。于是,，在L1上形成一個完整的脈沖電壓,。這時，由于Vt關斷,，整流橋輸出的整流電壓再次通過R1對C充電,，當充電電壓再次達到穩(wěn)壓管的擊穿電壓時，Vt再次導通,，于是，已再充電的C將再次與L1發(fā)生電磁振蕩,。同樣,，當流過Vt的正向振蕩電流再次小于它的維持電流時，Vt再次關斷,。于是,，在L1上又形成一個完整的脈沖電壓。依此類推,，這樣的過程將不斷地進行下去,，于是,，在L1上便得到了幅值為穩(wěn)壓管的擊穿電壓的中頻脈沖電壓，其頻率和脈寬主要由穩(wěn)壓管的擊穿電壓,、L1,、C、R1等決定,。
高頻脈沖發(fā)生器的主要功能是在中頻脈沖的作用下輸出高頻電壓,。由中頻發(fā)生器產生的中頻脈沖電壓經中頻升壓變壓器T1的升壓，將通過高頻耦合變壓器T2的原邊電感L2對電容Ck快速充電（因時間常數L2×C3很?。?，當充電電壓達到火花放電器的放電電壓（由火花放電器的電極材料和空氣隙大小而定）時，便發(fā)生火花放電,?；鸹ǚ烹娖鞯目諝庀督咏娦远搪窢顟B(tài)。于是,，已充電的Ck將通過火花間隙和L2發(fā)生能量交換,，而在回路里形成高頻的電磁振蕩。再經T2耦合,，即可輸出高頻高壓,，其頻率主要由L2和Ck決定。
這種高頻振蕩器具有以下優(yōu)點：中頻升壓器取代工頻升壓變壓器,，使其體積,、重量、銅損,、鐵損均可顯著下降,，從而提高效率；電網電壓波動對其影響小,，引弧速度快,，引弧可靠性高。
2．3 焊接電源的實現
由于弧焊電源的電氣特性和結構不同于一般的電力電源,，它的負載是電弧,，弧焊電源必須適應電弧負載的特性，因此,，弧焊電源需具備工藝適應性,，應滿足下列弧焊工藝對電源的要求：保證焊接規(guī)范；保證電弧穩(wěn)定,；具有足夠寬的焊接規(guī)范調節(jié)范圍,。
本文采用模擬式晶體管脈沖弧焊電源。晶體管焊接電源是一種性能好、控制精度高,、靈活性大的新型弧焊電源,。在硅整流器的直流回路中串入大功率晶體管組，以便對電壓,、電流進行無級調節(jié),。
晶體管弧焊電源依靠大功率晶體管組、電子控制電路以及不同的閉環(huán)控制,，可以獲得需要的外特性,、輸出電壓波形、輸出電流波形,。模擬式晶體管脈沖弧焊電源的電路原理圖如圖3所示,。
模擬式晶體管脈沖弧焊電源主要由降壓變壓器T、整流器Z,、晶體管組Trs,、電容組C和電子控制電路等組成。單相或三相電壓經降壓和整流濾波后,，借助大功率晶體管組Trs獲得所需的外特性和電壓,、電流的無級調節(jié)，從而對電弧供電,。電容組C除了濾波,，更主要的作用是在脈沖電弧焊時保證三相電源負載均衡。
3 抗干擾及其可靠性的設計
在焊接操作過程中,，會出現各種不同的嚴重干擾,。為此，采用以下措施來提高本焊接電源系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性：
（1）為了防止引弧電源的高頻串入焊接電源損害其它電器和電子器件,，接入高頻旁路電容,，可防止高頻經箱體、地線擊穿電子器件,。另外,，采用隔離變壓器對高頻振蕩器供電，是防止干擾經電源串入控制電路的有效措施,。
（2）采用屏蔽,，對高頻振蕩器和電子器件加以屏蔽；同時,，盡可能把高頻火花放電間隙調節(jié)得小一些,，以限制高頻空間干擾強度。高頻引弧器與焊接電路采用了并聯(lián)的連接方法,。
（3）由于焊接電流為一閉環(huán)控制系統(tǒng)，是一個離散系統(tǒng),，系統(tǒng)中既有開關量又有模擬量存在,，在脈沖電流的前后沿的高次諧波具有較寬的頻譜及射頻干擾,，再加上引弧時高頻發(fā)生器產生的高頻高壓信號，對整個閉環(huán)系統(tǒng)無疑是一個強大的干擾,。同時,，因控制板上的IC基本上采用CMOS片，故,，在線路中對高頻的防護十分重要,。采取的措施：在可能串入高頻處，加抗干擾元件,，如阻容吸收,、光電隔離；控制線遠離電抗器等漏磁較大的部件,，而且不能與電流較大的電力線捆扎在一起,；分流器的反饋信號線路等弱信號需絞和以減少差模干擾。
4 焊接試驗及生產應用
焊接試驗時,，電弧的啟動性能好,，所要求的電弧可靠燃燒，在引弧處具有滿意的焊縫成形和冶金質量,，收弧時,，電流按衰減方式下降，并在起弧和收弧處有一定的搭接,。從而,，在收弧處不易形成凹坑或縮孔，焊接的電流穩(wěn)定,，在焊接過程中不會發(fā)生抖動現象,，因此，焊縫表面光滑,，成形均勻,。
本焊機經過大量的焊接試驗和用戶單位的驗收，證明其技術指標均符合用戶的要求,。目前,，該焊機已投入生產應用，取得了良好的經濟效益,。
5 結束語
本焊機的控制電路具有設計合理,，結構簡單，工作穩(wěn)定可靠,，成本低,，抗干擾性能強等特點。
焊機在1A～100A穩(wěn)定可靠地運行。在20Mpa氬氣條件下,，鎢極與工件表面距離2mm時,，引弧成功率極高；在1Mpa氬氣條件下鎢極與工件表面距離7mm時,，引弧成功率也極高,。實踐證明：本設備可以滿足焊接的嚴格要求，能焊接出質量合格,，外觀良好的焊件,。
參考文獻
1 中國機械工程學會焊接學會．焊接手冊第一卷，焊接方法及設備．北京：機械工業(yè)出版社,，1992
2 鄭宜庭,，黃石生．焊接電源．第3版．北京：機械工業(yè)出版社，1995 <