交流TIG焊低頻高壓脈沖引弧電路分析與設計

岳傳敏，陳克選，李述輝，陳安清，徐德進

（蘭州理工大學材料科學與工程學院，甘肅蘭州730050）

交流TIG焊低頻高壓脈沖引弧電路分析與設計

岳傳敏，陳克選，李述輝，陳安清，徐德進

（蘭州理工大學材料科學與工程學院，甘肅蘭州730050）

將高壓脈沖引弧所產生的干擾小和高頻高壓振蕩引弧時的引弧成功率高相結合起來，實現一種低頻高壓脈沖引弧方式。介紹低頻高壓脈沖引弧方式的工作原理和參數選擇，并通過實驗測試發現，該引弧方式產生的干擾小，引弧成功率高。

引弧方式；倍壓電路；低頻高壓脈沖引弧；晶閘管

0 前言

交流TIG焊機質量優劣的一個重要因素是引弧成功率的高低，一臺好的TIG焊機不僅要求引弧成功率高，而且對電網的干擾小。目前交流TIG焊機中用到的引弧方式有接觸式引弧和非接觸式引弧兩種。

接觸式引弧工作原理為：焊接時將鎢電極與工件短路，然后迅速提起鎢電極，利用短路瞬間引燃電弧[1-2]。但是對于大電流的直流TIG焊，采用此法鎢極易燒損嚴重，會改變鎢極端部的幾何尺寸。

非接觸引弧電路有工頻升壓引弧器、高頻高壓引弧器和高壓脈沖引弧器三種。由于工頻升壓引弧器在實際應用中越來越少，在此只介紹高頻高壓引弧器和高壓脈沖引弧器的工作原理和優缺點。

（1）高頻升壓引弧器的工作原理：采用高壓包取代工頻變壓器，高壓包一次側接在高頻小功率逆變器上，二次側接高壓電容，當電容電壓升至一定值，擊穿放電器，放電產生振蕩，產生高壓輸出，可在逆變變壓器上繞一輔助繞組來取代高頻小功率逆變器[3-4]。優點是引燃電弧的成功率高；缺點是電磁干擾大，會通過電網傳導和空間輻射對附近的電子設備產生干擾，對焊工有電擊的危險。

（2）高壓脈沖引弧器的工作原理：在振蕩電路中用晶閘管取代火花放電器，引弧時觸發晶閘管，振蕩電容放電，產生引弧脈沖，由于晶閘管的單向導電作用以及無觸點的特點，避免了火花放電器產生多次的高頻振蕩，對外界干擾相對較小[5-7]。優點是電磁干擾小；缺點是引弧效果差。

由于兩種引弧方式各有利弊，本研究將高壓脈沖引弧的干擾小和高頻高壓振蕩引弧時引弧成功率高結合起來，實現了一種低頻高壓脈沖引弧方式。

1 低頻高壓脈沖引弧電路

1.1 倍壓電路原理

倍壓電路原理如圖1所示。交流220V（將220V電壓定義為U0）經電容的充放電使輸出電壓為4U0。在交流正半波時，VD1陽極為正，VD1導通，交流電經VD1、R1給C1充電，充電時間由R1、C1決定，計算公式為：t1=R1C1，充電時間常數為Nt1（N為整數，一般取3～6），為了保證C1能充滿，即C1兩端的電壓達到U0，Nt1應該小于工頻周期的一半即10ms；在交流負半波時，VD1陽極為負，VD1截止，VD2導通，交流電經R1→C1→VD2給C2充電，由基爾霍夫電壓定律可知，整個回路的電壓代數和為零，可以算出C2上下兩端電壓為2U0。在交流下一個正半波時，VD3導通，VD2截止，交流電經C2→VD3→C1→R1這個回路給C3充電，計算出C3上下兩端電壓為2U0；在交流下一個負半波時，VD3截止、VD4導通，交流電經R1→C1→C3→VD4→C2這個回路給C4充電，C4上下兩端電壓為2U0。由于上一級充滿的電容在下一級電路中會釋放掉一些電荷，所以輸出端要達到4U0需要經歷很多個周期。

圖1 倍壓電路原理

1.2 引弧觸發電路

引弧觸發電路如圖2所示。經倍壓電路輸出的電壓為4U0，通過VD5→IGBT1→R5這個回路給C6充電，此時由于VD7未導通，VT2的控制極為低電平，所以C6的電壓會不斷升高，同時倍壓出的電壓經R2這個回路給C5充電，當C6的電壓達到4U0時，C5兩端電壓應大于VD7擊穿電壓，觸發VD7導通，VT2的控制極由低電平變為高電平，觸發VT2導通，儲存在C6中的能量通過VT2→T1回路釋放，形成脈沖電流，經變壓器升壓耦合到輸出端，在鎢極與工件之間形成幾千伏的脈沖電壓，電離空氣形成電弧，從而達到引燃電弧的效果。由于VT2的導通，會導致R2和R4所在的兩個回路都斷路，于是C5經過VD7、R4放電。C6放電結束后，晶閘管受T1一次側形成的反向電動勢而截止，之后C6又立即重新充電，進入下一個充放電循環。

圖2 引弧觸發電路原理

2 低頻高壓脈沖引弧電路中主要元器件參數的選擇和作用

2.1 電容C1的選擇依據

電容C1的主要作用是提供足夠的能量。實踐表明，脈沖能量在0.5～2.0 J范圍內便足以引燃電弧[4]。理論上UC2=UC4=2UC1=2U0，實際中由于網壓的波動，波動系數為1.2，由于充電時是交流的峰值，這個峰值系數一般為1.1，所以實際UC1=1.1×1.2×U0，U0=220V，所以UC1=290V，電容儲存總能量為：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，耐壓400 V。

2.2 電阻R1的選擇依據

在倍壓電路啟動的瞬間，電容在電路中可以看作是短路，由于它的阻值非常小，通過的電流非常大，為了減少充電時電容的浪涌尖峰，尤其是減少C1充電時的電流峰值，同時電阻和電容能吸收來自外部的干擾和防止電路的雜波串入到電網，所以引入R1的目的有三個方面：一是降低電容在充電所承受的壓力，延長電容的使用壽命；二是防止整流二極管的損壞；三是減小對電網電壓的影響。

為了滿足充電時間常數Nt1（N為整數，一般取3～6）小于工頻周期的一半即t2/2=10ms，取5t1=t2/2（其中t1=R1C1），R1取值范圍為75～150Ω；考慮到電阻R1在倍壓電路中的作用，故R1取100Ω。

2.3 晶閘管VT2及其控制電路的選擇依據

以往多采用555等控制芯片來控制晶閘管的導通，由于芯片自身對外界的抗干擾能力差，需要用到變壓器或者光耦來隔離控制信號，而且芯片一般采用5V或者15V的直流電作為電源，這就要求直流電源的穩定性高，增加了焊機的成本和難度。所以本研究未采用555等控制芯片來控制晶閘管的導通，而是采用給電容充電的方式來控制晶閘管的導通，進而控制振蕩時的頻率，電容充電時間由如下公式計算所得：

式中UC為VD7的擊穿電壓；4U0為倍壓出來的電壓；t為電容充電時間，t3=R2C5。

選擇晶閘管作為開關管，而沒有選擇場效應管和絕緣雙極性晶體管的原因在于：晶閘管從導通狀態變為阻斷狀態時，只需要通過減少陽極電流或者改變陽極與陰極之間的電壓極性就可實現，而變壓器在電容放完電后，一次側能產生反向電動勢改變陽極與陰極之間的電壓極性，實現可靠關斷，而不需要外加控制電路。而場效應管和絕緣雙極性晶體管從導通狀態變為阻斷狀態都是通過控制極的電位來實現，如果是用電容的充放電來作為控制極的輸入則達不到這樣的目的，必須用芯片來控制，這就需要增加外圍電路的設計和程序編寫，同時增加了成本和設計的難度。

理論上倍壓出來的電壓最大為1 160V，但在實際測試中只有1 060V，為了保證晶閘管可靠安全的運行，所以VT2的耐壓值為實際測試的1.5倍，計算得1 590 V，取VT2的耐壓值為1 600 V。

3 實測波形分析和引弧測試

圖3為C6和VT2的波形圖，電壓50V/div，衰減10倍，時間5ms/div。可以看出，C6充滿電時兩端最大電壓為1 060 V，C6充放電的總時間為15ms，頻率65 Hz，電容放電時間非常短，更重要是C6的波形上沒有毛刺，說明在電路中產生的雜波少，紋波小，對外界的干擾小。兩個波形重復性非常好，充分說明在晶閘管關斷期間，電容一直在充電，只在晶閘管導通期間才放電，與前面的理論分析完全吻合。

1—C6兩端的波形；2—VT2陽極對陰極的波形。圖3 C6和VT2的波形

將低頻高壓脈沖引弧器裝入TIG焊機中（一定要注意將T1二次側標有2的一端接到輸出的負極，如圖2所示，提高引弧成功率），每隔2 s閉合焊槍開關一次，測試5min，發現引弧成功率高達100％，不論焊槍是在冷態和熱態，還是在快速合槍和慢速合槍的情況，都未出現未引燃電弧的情形，將同類型的引弧器裝在這臺TIG焊機上，發現在冷態或者快速閉合焊槍開關時，存在未引燃電弧的情況，說明低頻高壓脈沖引弧器的引弧成功率高。

4 結論

（1）研制的低頻高壓脈沖引弧器不僅頻率低、能量小，對電網的干擾小，而且引弧成功率高，為推動環保型焊接設備做了理論性的研究。

（2）以電容的充放電時間來控制晶閘管的導通和關斷，取代傳統用芯片控制晶閘管的導通和關斷的方法，不僅減少了成本，而且降低了設計難度。

[1]黃晨.一種新型高壓脈沖引弧器[J].上海工程技術大學學報，2000（3）：19-22.

[2]殷樹言，段然，劉嘉.TIG焊倍壓整流式引弧電路設計與調試[J].電焊機，2006，36（6）：34-37.

[3]張光先.逆變焊機原理及設計[M].北京：機械工業出版社，2008.

[4]朱立東，袁洲.高頻引弧器及其對逆變直流弧焊機干擾性能的研究[J].四川工業學院學報，1999（4）：10-12.

[5]美國焊接學會.焊接手冊（第2卷焊接方法）[M].清華大學焊接教研組譯.北京：機械工業出版社，1988.

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[7]郝廷璽.一種高壓脈沖引弧電路[J].電焊機，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

岳傳敏（1988—），男，湖北仙桃人，碩士，主要從事數學化方波交流TIG焊的研究。