文章编号:1005-2763(2000)03-0029-03
张 涛
(长沙矿山研究院，湖南长沙 410012)
摘 要 文章介绍了IG BT逆变式直流氩弧焊机的结构和工作原理，并对焊机中所采用的新技术进行了分析。
关键词 逆变式直流氩弧焊机;IG BT；电磁兼容性；高压脉冲引弧 中图分类号:TG434 文献标识码:A
R esearch on IGBT I nversional DC Argon Welder
ZH ANG Tao
(Changsha Institute of Mining Research,Changsha,Hunan410012,China) Abstract This paper introduced the structure and the w ork principle of IG BT inversional DC arg on welder and analysed th
e new techniques used for the welder.
K ey Words Inversional DC arg on welder;IG BT;E lectromagnetic com patibility;High-v oltage pulse arc
直流钨极氩弧焊可焊接易氧化、氮化、氢化和化学活泼性强的有金属、不锈钢和合金，在工业生产中得到广泛使用。但传统直流氩弧焊机恒流精度低，动态响应速度慢，收弧特性差，再加上引弧性能欠佳，直接影响焊接质量的提高。另外，最小焊接电流较大，不利于超薄板的焊接，而且多为高频高压引弧，对周围人体、电气和通信设备产生危害。为此，我们研制成功了IG BT逆变式直流氩弧焊机。这是一种直流氩弧焊和手工电弧焊的两用机，该机选用IG BT作为主开关元件，采用20kH z脉宽调制的逆变技术和电磁兼容性技术，具有焊接性能优异，频率响应速度快，动特性好，焊接电流十分稳定，焊接无噪声，高效节能，重量轻，体积小以及对电网污染小等特点。在氩弧焊时，采用新颖的工频高压脉冲引弧，引弧方便可靠，既消除了接触引弧容易产生钨极粘连和“夹钨”现象，又消除了高频辐射的危害。另外，在收弧时，焊接电流自动衰减，并有提前送气，迟后关气和长焊/短焊操作等功能。该直流氩弧焊机适用于合金钢、不锈钢、铜、银和钛等有金属及其合金的氩弧焊接。此外，还适用于用直径 6.0mm以下各种类型和规格的焊条对低碳钢、普低钢、高合金钢、不锈钢和铸铁等各种焊接结构进行手工电弧焊接，可广泛用于各工业部门。 1 电路组成及工作原理
IG BT逆变式氩弧焊机的原理如图1所示。它由主电路和控制电路两部分组成。主电路包括电磁干扰滤波器、输入整流器、滤波器、IG BT逆变器、中频变压器、输出整流器、输出滤波器和高压脉冲引弧器。三相380V(或单相220V)交流电经过输入整流器和滤波器滤波后变成500V(或230V)直流电，然后经IG BT组成的半桥逆变器变成20kH z的脉宽调制的中频交流电。由于中频交流电压的幅值比较高，因此必须采用中频降压变压器把它降到焊接所要求的焊接电压，然后经快恢复输出整流器整流和滤波后供焊接使用。高压脉冲引弧器用来在氩弧焊接时进行非接触引弧。
控制电路包括焊接外特性控制电路和氩弧焊操作程序电路两部分。焊接外特性控制电路包括脉宽调制PW M、电流PI调节、电流给定、电流和电压检测、电弧推力控制和自动引弧，以及欠压、过热和短路保护等电路，用来控制和保护弧焊逆变器的工作,
第20卷 第3期2000年 6月
矿业研究与开发
MI NI NG R&D
V ol.20 N o.3
amadoriJun. 2000
Ξ收稿日期:1999-12-29
作者简介：张涛(1969-)，男，湖南长沙人，工程师，主要从事无线电通讯和自动化控制技术研究.
图1 WS系列IGBT逆变式氩弧焊机原理框图
使焊机输出外特性满足焊接要求。氩弧焊操作程序电路用来控制焊接程序，以满足氩弧焊的焊接工艺要求。它包括氩弧焊程序控制，焊接电流收弧衰减，后气延时，长焊/短焊操作，焊炬起动，引弧控制等电路。焊机的氩弧焊和手工电弧焊功能由开关切换。在氩弧焊时，设计有短焊/长焊两种模式。短焊模式适用短焊缝焊接，工作过程是：按下焊炬开关，提前送气，开始引弧和正常焊接，松开焊炬开关，电流衰减收弧，延时关气。长焊模式是为长缝的焊接而设计的，按下焊炬开关，开始送气，松开焊炬开关，开始引弧和正常焊接，再次按下焊炬开关，电流衰减收弧，再次松开焊炬开关，则开始后气延时，直到关断电磁气阀焊接结束。
2 采用的几项新技术
2.1 电磁兼容性(E MC)技术
电磁兼容性的含义是设备或系统在电磁环境中能正常工作，且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力，简而言之，是设备或系统在电磁环境中的共存能力。为此，我们在国内率先在逆
变式氩弧焊机中采用电磁兼容性技术。
焊机电源输出端设计有一个大功率电磁干扰滤波器，实质上它是一个低通滤波器，可以毫无衰减地把50H z交流电传输给逆变焊机，而对经电源线传入的电磁干扰进行衰减，以保护焊机免受传导电磁干扰的危害，提高焊机工作可靠性。同时，它又能抑制焊机本身产生的高次谐波进入电网，污染电网和危害其它设备。现以单相电磁干扰滤波器为例加以说明。从图2可见,L1为共模扼流圈，它由环形铁氧体磁芯和其上同向缠绕的两个绕组组成。它分别与相线P和中线N串联。为减小漏磁通和两个绕组的差别而采用双股绕法，能避免铁芯因负载电流而饱和，较好地抑制共模噪声。接地泄漏电容C3、C4并接在每条电源线的耦合阻抗上，形成共模噪声的高频旁路。电容C1、C2跨接在两个电源耦合阻抗上，形成差模噪声的旁路阻抗。由于共模扼圈L1对差模噪声的抑制作用不明显，所以，需另外再加二个抑制差模噪声电流的差模扼流圈L2和L3
。
图2 电磁干扰滤波器结构及对电网噪声的抑制
03矿业研究与开发 第20卷
经电源线传入的电磁噪声有共模噪声和差模噪声。由图2可见，当差模噪声经电源线L 进入电磁干扰滤波器，按图示实线通路分别经C 1和L 1、C 2返回中性线N ，并得到衰减，共模噪声是从电源线(火线L 或中性线N )对地E 加入的干扰信号，按图示虚线通路分别经L 1、C 3和L 1、C 4入地，当它们通过共模电感线圈L 1时因产生的磁场方向相同而受到急剧的衰减，然后分别经C 3和C 4旁路，从而抑制了其对焊机的干扰。由于电磁干扰滤波器的可逆性，因此也能抑制焊机本身产生的噪声对电网的干扰。2.2 新颖的工频高压脉冲引弧
在非接触引弧方面，以往各类焊机大多采用高频高压引弧方式，利用高频振荡器产生的150～260kH z 的高频高压击穿钨极与工件之间的间隙而引燃多功能折叠椅
电弧。但高频引弧装置会对焊机本身的控制电路造
成干扰，使其工作出现不稳定。同时，高频脉冲还会以电磁波形式向周围辐射，影响周围电气和通讯设备的正常工作，并对焊工的健康造成危害。虽然国内也有一些高压脉冲引弧，但多采用多级升压电路，中间环节电压很高，不安全，而且电路也比较复杂，体积重量大。为此，我们采用倍压加迭加升压技术，设计了新颖的工频高压脉冲引弧器。引弧器的电路框图如图3所示
。
图3 工频高压脉冲引弧器框图
从图3可见，单相220V 交流电经过倍压整流
后向电容器充电，当充电达到预定电压值时，通过恒压放电电路向迭加式升压变压器的原侧绕组放电，再通过多个磁芯原侧绕组的迭加，最后在迭加式升压变压器的副侧绕组上产生脉冲幅值为1500V 以上的脉冲列，在0～5mm 间隙内产生放电火花。迭加式升压变压器是新颖工频高压脉冲引弧器的核心，是技术诀窍所在，其设计原则如下:
(1)迭加式升压变压器传输的是高压窄脉冲列，因此，铁芯要选用铁淦氧磁芯;
(2)迭加式升压变压器虽然传输功率不大，但其副侧绕组却要通过很大的焊接电流，因此，磁芯选择要以其窗口绕得下副侧绕组为原则;
(3)原侧绕组及其磁芯的个数，以产生1500V 以上的高压脉冲为依据。
3 性能测试和试验结果
3.1 性能参数测试
陶瓷滤波器
IG BT 逆变式直流氩弧焊机的样机由湖南省电
焊机质量监督测试中心站根据G B/T 7824-1995逆变式弧焊整流器技术条件、G B/T 8118-1995电弧焊机通用技术条件、G B15579-1995弧焊设备的安全要求和Z B J64002-89引弧装置技术条件等标准进行性能参数测试，经过13个试验项目和3个检查项目的测试，其综合结论为：依据试验结果判定合格。该机各项指标充分体现出逆变式弧焊电源的各项优点，操作使用之简便更增强了该机的适应能力。3.2 试验结果
小批焊机相继在江西火电建设公司、中建五局、金川有金属公司选矿厂、岳阳石化总公司、湘潭钢铁公司、昆明钢铁公司等20多个单位进行了工业试验和生产推广使用。通过对不同材质的工件进行不同电流的手工电弧焊和氩弧焊试验，结果表明，弧焊适应性强，焊缝成形均匀美观，平均透视合格率在98%以上，与以前相比，合格率平均提高8%左右。同时，节能显著，有很大的经济效益。另外，焊机经过寒冬酷暑考验，证实其工作可靠，故障率很低。
4 结 论
(1)该焊机采用IG BT 作为主开关元件，采用20kH z 脉宽调制的逆变技术和工频高压脉冲引弧技
术，焊接性能优异，高效节能，携带方便;
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(2)该焊机在氩弧焊时，采用新颖的工频高压脉冲引弧，引弧简单可靠，成功率高，不会产生“夹钨”和高频辐射等不良现象，在氩弧焊收弧时焊接电流自动衰减，并有提前送气，迟后关气和长焊/短焊等操作功能，操作方便;
(3)该焊机设有电磁干扰滤波器，既可抑制电网对焊机的电磁干扰，提高工作可靠性，又可减小焊机逆变电源中的谐波噪声对电网的污染，满足电磁兼容性要求;
(4)该焊机设计有过热、短路、欠压软起动、驱动脉冲相互闭锁、死区时间调节等保护功能，焊机工作性能十分可靠。
参
考文献
1张松春等.电子控制设备抗干扰技术及其应用.北京：机械工业出版社,1989.
can总线busoff2
张瑞昌.焊接设备的电磁兼容性(E MC )及其考核.电焊机,1998
(3).
1
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3第3期 张 涛 IG BT 逆变式直流氩弧焊机的研究
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