高頻脈沖TIG焊電源

馬 淼，黃鵬飛，盧振洋

（北京工業大學機械工程與應用電子技術學院，北京100124）

高頻脈沖TIG焊電源

馬 淼，黃鵬飛，盧振洋

（北京工業大學機械工程與應用電子技術學院，北京100124）

采用兩套斬波電路輸出端并聯的方式，設計了一臺高頻直流脈沖TIG焊電源。該電源可以輸出不同頻率、不同占空比、具有陡峭上升沿和下降沿的脈沖電流，并且基值電流和峰值電流可以獨立調節。對比了常規直流TIG焊和高頻直流脈沖TIG焊電弧的挺直度，結果表明，在電流平均值相同的情況下，無論在高速焊接還是V型坡口焊接中，高頻電弧都具有良好的挺直度，焊接工藝性能明顯優于普通直流TIG焊。

高頻脈沖；TIG焊；電弧挺直度

0 前言

TIG焊是一種優質、高效、節能的焊接方法，幾乎可以焊接所有金屬，在航空、石油、化工和機械制造等部門被廣泛應用[1]。但是在小電流直流TIG焊中，存在電弧挺度和指向性不好的問題，這在V型坡口焊接時表現得尤為明顯。為了提高電弧的剛直性，趙家瑞教授首先采用了高頻脈沖TIG焊接工藝，在平均電流相同的情況下，高頻脈沖電弧比連續直流電弧的電磁收縮效應增強，熔透性增加，電弧挺直度和能量密度有效提高，電弧特性得到很大改善[2]。但是，當時受功率器件所限，該種工藝未能得到有效的推廣。為實現高頻脈沖電流的輸出，國內外科研工作者做了大量研究。北京工業大學馬琳采用BUCK電路作為主電路，盡量減小回路的雜散電感，采用傳統的PWM控制方式輸出脈沖電流，最終獲得沖上升時間為300 μs，下降時間為400 μs的脈沖電流。該結果幾乎是傳統開關電源動態相應性能的極限，但是對提高脈沖電流的頻率作用有限[3]。張廣軍教授突破傳統方式，采用兩套直流電源，分別控制脈沖電流的基值和峰峰值。利用兩只IGBT交替導通的形式，實現高頻脈沖電流的輸出。該種電路可以獲得很高的脈沖電流上升速度和下降速度，但是電路控制部分相對來說比較復雜[4]。齊鉑金教授采用快恢復二極管取代其中的一只IGBT，對該電路結構進行了簡化，也取得了較好的結果[5]。但是由于脈沖電流的下降過程受限于由回路雜散電感所決定的時間常數，所以對電路空間結構有較高的要求。

在此采用兩套斬波電路實現對脈沖基值電流和峰峰值電流的控制，避免了逆變電路存在的變壓器偏磁問題，電路拓撲結構簡單可靠。由于開關元件導通和關斷的占空比可以任意調節，所以具有更高的動態響應性能。從并聯電源的工作原理入手，結合具體的工藝試驗，分析了高頻脈沖電流對電弧挺直度的影響。

1 電源平臺

1.1 主電路工作原理

為了實現高頻脈沖電流的輸出，設計的焊接電源分為主電路和控制電路兩部分，電源的主電路結構如圖1所示。

圖1 電源主電路結構

該電源由三相整流濾波電路、脈沖基值電流主電路、脈沖峰峰值電流主電路和脈沖電流切換電路等幾部分組成。脈沖基值主電路由IGBT開關管IGBT1，續流二極管VD1和電感L1組成，其功能是產生脈沖電流的基值。脈沖峰峰值主電路由IGBT開關管IGBT2，續流二極管VD2和電感L2組成，其功能是產生脈沖電流的峰峰值。脈沖電流切換電路由IGBT開關管IGBT3、二極管VD3和尖峰電壓吸收保護電路組成，其功能是實現脈沖電流基值電流與峰值電流之間的切換。

當開關管IGBT3導通時，脈沖基值電流主電路輸出的恒流值流經負載，脈沖峰峰值電流主電路的電流經過開關管IGBT3自身形成一個回路，電源輸出脈沖電流的基值。當開關管IGBT3關斷時，脈沖峰峰值電流主電路的恒流值通過二極管VD3與脈沖基值電流主電路的電流值疊加，電源輸出脈沖電流的峰值，電源輸出端脈沖電流的理想波形如圖2所示。

圖2 輸出端脈沖電流理想波形

由于脈沖電流的基值與峰值之間的切換不是通過調整占空比實現的，而是通過IGBT3的導通和關斷實現的，可以使脈沖基值電流和峰值電流相互切換時具有很陡的上升沿和下降沿，為高頻脈沖電流的輸出提供了必要準備。

1.2 控制電路

控制電路采用dsPIC30F2020和dsPIC30F6011A兩款芯片。芯片dsPIC30F2020先通過AD采樣端口采集脈沖基值電流和脈沖峰峰值電流，與脈沖基值電流給定值和脈沖峰峰值電流給定值進行比較，進行PI運算，將計算結果值以PWM形式輸出，最終實現兩套電路的恒流輸出。焊接電源實時檢測焊接過程中的電流信號，當檢測到電流超過了限定值，脈沖基值電路限流保護電路和脈沖峰峰值電路限流保護電路起作用，拉低占空比，禁止對電源電流的輸出，以防對器件造成破壞，其控制框圖如圖3所示。

芯片dsPIC30F6011A與人機交互面板相連，可以實現焊接參數的調節，也可以向dsPIC30F2020發送脈沖電流基值和峰峰值的給定值，實現焊接電源的恒流輸出，并且可以輸出PWM信號控制IGBT開關管IGBT3的導通和關斷，實現脈沖電流基值和峰值的快速切換。

通過整機調試，該電源能夠實現以下指標，脈沖基值電流0～200 A可調，脈沖峰值電流0～200 A可調，高頻脈沖頻率為1～20 kHz，高頻脈沖占空比0～ 100%。

1.3 開關管吸收電路設計

功率開關器件在工作過程中會承受電壓尖峰，如果尖峰電壓過高，可能會損壞開關管。為此設計了RCD吸收電路，可以降低開關管上的電壓尖峰。當開關管關斷時，通過二極管對電容C充電；當開關管導通時，電容C吸收的能量，通過電阻R釋放。由于電容可以吸收線路前端電感的能量，在一定范圍內，吸收電容的電容值取值越大，開關管的電壓尖峰也就越小。對于吸收電阻的阻值，根據公式進行選取。回路二極管選擇RHRG75120快恢復二極管，其耐壓值1 200 V，平均電流75 A，反向恢復時間100 ns，能夠滿足設計要求。

圖3 恒流控制框圖

2 實驗方案

電弧挺直度是反映高頻脈沖電流電磁收縮效應的一個重要指標，電弧挺直度越好，可以有效抑制焊接過程中的磁偏吹現象。采用所設計的高頻脈沖TIG焊電源，脈沖占空比為50%，焊接試件采用普通碳素結構鋼Q235，試件尺寸規格80 mm×40 mm，采用機械方法去除其表面鐵銹，氬氣流量為15 L/min，鎢極直徑為φ3.2 mm。為了測定電弧的挺直度，采用高速焊接及V型坡口焊接兩種方式，觀察電弧的挺直度，采用的焊接電流設置如下。

電流極性選擇直流正接，焊接電流平均值為100 A，焊接速度為1 m/min，對比連續直流TIG焊和高頻脈沖TIG焊的電弧挺直度，高頻脈沖TIG焊的脈沖占空比為50%，脈沖頻率為10 kHz。

電流極性選擇直流正接，焊接電流平均值為100 A，焊接采用V型坡口定點焊接，對比連續直流TIG焊和高頻脈沖TIG焊的電弧挺直度，高頻脈沖TIG焊的脈沖占空比為50%，脈沖頻率為10 kHz。

3 實驗結果分析

3.1 焊接電流分析

當脈沖頻率為10 kHz，基值電流為50 A，峰值電流為150 A，其他工藝參數如上所述，采用安捷倫示波器MSO-X 3024A采集焊接時的電流波形，圖4為脈沖電流為10 kHz時的電流波形，圖5為其展開的電流波形。

圖4 脈沖頻率為10 kHz時電流波形

圖5 脈沖頻率為10 kHz時電流展開波形

由圖4和圖5可知，脈沖電流從基值躍變到峰值時，電流變化率很快，可以達到30 A/μs，但是脈沖電流從峰值躍變到基值時，電流變化率比較慢。輸出脈沖電流的變化率與電容C2上的電壓值和輸出回路電纜線的等效電感有關。當IGBT3關斷時，VD5導通，C2上的電壓加到輸出端，根據公式U=Ldi/dt，由于C2上的電壓值很高，所以輸出端的電流可以在很短的時間內從基值躍變到峰值。在輸出電纜線等效電感相同的情況下，C2上的電壓不同電流的變化率也不同，如圖6、圖7所示。

當脈沖電流從峰值躍變到基值時，此時IGBT3導通，由于輸出回路電纜線等效電感的影響，所以輸出脈沖電流峰值不能很快下降到基值，這樣就會導致下降沿的時間比較長，輸出回路電纜線的等效電感越小，輸出脈沖電流的變化率越大。

圖6 C2兩端電壓值小輸出脈沖電流上升沿的變化

圖7 C2兩端電壓值大輸出脈沖電流上升沿的變化

3.2 開關管IGBT3的電壓尖峰的分析

由于輸出電纜線等效電感的影響，當開關管IGBT3關斷時，會在其兩端產生電壓尖峰，輸出電纜線越長，電壓尖峰值越高，由于開關管的耐壓值是有限的，電壓尖峰過高可能會損壞開關管。

為了降低IGBT3上尖峰電壓的值，可以采取兩種方式，一是降低輸出電纜線的長度，輸出電纜線越短，其等效電感越小，可以降低IGBT3上的尖峰電壓。二是在脈沖電流切換電路中設計了尖峰電壓吸收電路，可以有效吸收電壓尖峰的值，并且把開關管IGBT3上的電壓鉗位在一個安全范圍內，降低電壓尖峰的值，保證開關管正常工作。

3.3 電弧挺直度分析

高速焊接時，電弧形態如圖8所示，V型坡口焊接時，電弧形態如圖9所示。

圖8 高速焊接電弧形態

圖9 V型坡口電弧形態

由圖8可知，在高速焊接過程中，高頻脈沖電弧仍然具有良好的挺直度，與普通直流TIG焊相比，焊接速度高于普通直流TIG焊。由圖9可知，在V型坡口定點焊接中，高頻脈沖電弧的指向性好，挺直度高，電弧不會隨意地左右偏移。對于直流TIG焊來說，電弧會出現明顯的偏移。對于T型接頭和角接接頭的焊接，高頻脈沖電弧的焊接效果要高于直流TIG焊。

這是由于脈沖電流躍變時，電弧的截面不能同步躍變，電弧形態受到拘束。隨著脈沖頻率的增加，電弧自磁壓縮力增大。根據電磁學理論，變化的電場產生磁場，脈沖電流躍變中會產生自磁壓縮附加壓力，隨著脈沖頻率的增加，自磁壓縮附加壓力增大，可以提高電弧的挺直度[2]。

4 結論

（1）所研究的高頻脈沖TIG焊電源可實現脈沖基值電流、峰峰值電流、脈沖電流頻率和占空比相互獨立調節，脈沖電流上升沿電流變化率大于等于30A/μs。

（2）在高速焊接和V型坡口焊接時，高頻脈沖TIG焊電弧仍然具有良好的挺直度，可以提高焊接效率和焊接質量。

[1]殷樹言.氣體保護焊工藝基礎及應用[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2]趙家瑞.電流脈沖頻率對TIG焊電弧影響機理的研究[J].電焊機，1993，23（2）：16-18.

[3]馬琳.基于BUCK電路的弧焊電源功率平臺研究[D].北京工業大學，2010.

[4]Zhang Guangjun，Geng Zheng，Wu Lin，et al.Development of high frequency pulse power source using two powers for TIG welding[J].China Welding，1999，8（2）：116-120.

[5]齊鉑金，許海鷹，黃松濤，等.超音頻脈沖TIG焊電源拓撲及電弧適用性[J].北京航空航天大學學報，2009，35（1）：61-64.

High frequency pulse tungsten inert gas welding power source

MA Miao，HUANG Pengfei，LU Zhenyang
（College of Mechanical Engineering&Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

A high frequency pulse TIG welding power is designed using two sets of chopper circuit outputs in parallel manner.The different frequency and duty ratio，with steep rising and falling edge of the pulse current can be realized，and the base current and peak current can be regulated respectively.Comparing the arc stiffness in the conventional TIG welding with high frequency pulse TIG welding，the results show that both in high speed welding or v-shaped groove welding，the good arc stiffness can be obtained in high frequency arc welding，when average current is in the same value，and the welding performance is obviously better than that in ordinary direct current TIG welding.

high frequency pulse；tungsten inert gas welding；arc stiffness

TG434

：A

：1001-2303（2015）10-0034-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.07

2015-05-05；

：2015-06-26

國家自然科學基金資助項目（51075011）

馬 淼（1989-），男，河北徐水人，在讀碩士，主要從事新型焊接設備的研究工作。