手工氬弧焊機(jī)半自動改造電控方案

楊萬國，張　林，薛　濤

（中國石油工程設(shè)計公司新疆油建公司，新疆克拉瑪依834000）

手工氬弧焊機(jī)半自動改造電控方案

楊萬國，張林，薛濤

（中國石油工程設(shè)計公司新疆油建公司，新疆克拉瑪依834000）

在不改變傳統(tǒng)手工送絲鎢極氬弧焊機(jī)（TIG）基本構(gòu)造的前提下，對其電氣控制部分進(jìn)行改造為半自動氬弧焊機(jī)。改造后進(jìn)行了通電試驗(yàn)，在熱待機(jī)狀態(tài)，即焊機(jī)高頻引弧系統(tǒng)未工作時，新增的送絲控制電路工作很正常，達(dá)到預(yù)期的效果。一旦高頻引弧系統(tǒng)工作，直流調(diào)速模塊便失去原有的控制功能——調(diào)速模塊損壞。

手工氬弧焊機(jī)；半自動改造；電氣控制方案；應(yīng)用效果

1　概述

傳統(tǒng)手工直流鎢極氬弧焊機(jī)作業(yè)時靠手工送絲，焊接效率較低。如果在原有焊機(jī)的基礎(chǔ)上增設(shè)半自動送絲機(jī)，并將其改造為半自動氬弧焊機(jī)，將明顯提高作業(yè)效率和焊接質(zhì)量。

目前，鎢極氬弧焊機(jī)（TIG）種類多樣，除焊接電源輸出分直流、交流（含方波交流）、直流脈沖、交流脈沖，引弧方式分為高頻引弧、劃擦引弧、提升引弧（低電壓、小電流引?。┩猓浜附釉泶笾孪嗤?，只是焊槍的冷卻方式分氣冷和水冷兩種。傳統(tǒng)手工直流氬弧焊的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示（氬弧焊半自動改造系統(tǒng)連接見圖中虛線部分所示）。

改造方案確定的焊機(jī)為某廠生產(chǎn)的IGBT氣冷式手工/氬弧兩用逆變焊機(jī)，型號WS-500Q。

2　電控部分的總體改造方案

本著充分利用單位現(xiàn)有的焊機(jī)及附件，遵循可靠、實(shí)用、省錢的原則確定改造方案，即用CO2保護(hù)半自動焊機(jī)配套的送絲機(jī)與WS-500Q手工鎢極氬弧焊機(jī)進(jìn)行組合，對焊機(jī)及送絲機(jī)的電控部分進(jìn)行改造，達(dá)到半自動鎢極氬弧焊的效果，并應(yīng)用于現(xiàn)場焊接。同時，盡量做到不改變焊機(jī)及送絲機(jī)的總體結(jié)構(gòu)。

方案的重點(diǎn)是送絲機(jī)調(diào)速系統(tǒng)及調(diào)速方式的確定，要求送絲機(jī)驅(qū)動直流電源與調(diào)速模塊額定電流應(yīng)留有充足余量，防止堵轉(zhuǎn)、啟動時的電流增量造成損壞。其次是考慮送絲電機(jī)的制動，以便停止焊接后能迅速停止送絲。特別要考慮安全性、抗干擾及便于操作問題。如安裝在焊槍把手上的送絲機(jī)啟停開關(guān)、調(diào)速電位器及送絲機(jī)驅(qū)動電源與相關(guān)控制回路的電壓必須在24 V及以下，且便于操作，送絲機(jī)金屬外殼要設(shè)置PE線，焊機(jī)內(nèi)部新增引線(調(diào)線)及焊機(jī)到焊槍的控制線路必須采用屏蔽線纜。改造后的系統(tǒng)構(gòu)成見圖1（氬弧焊半自動改造系統(tǒng)連接圖虛線部分所示）。

圖1　氬弧焊半自動改造系統(tǒng)連接

3　電控部分的具體改造

選用某廠生產(chǎn)的通用送絲機(jī)，型號SB-10-A，其配置的驅(qū)動電機(jī)為直流印刷電機(jī)，型號120SN01-C，額定電壓24 V/DC，額定電流5 A，功率65 W，最高轉(zhuǎn)速144 r/min。該送絲機(jī)是CO2保護(hù)半自動焊機(jī)的主流配套產(chǎn)品，且應(yīng)用很成熟。充分利用送絲機(jī)上原有的手動送絲按鈕，將其改為半自動焊機(jī)的初始送絲速度設(shè)定按鈕，并與安裝在焊槍上的送絲機(jī)啟動開關(guān)并聯(lián)。

WS-500Q焊機(jī)電源為3×380 AC+PE的供電方式（無零線），為了不改變其電源接入模式和總體裝配結(jié)構(gòu)，須選用3×380 AC輸入、24 V DC輸出的小型專用開關(guān)電源，但此類小容量的開關(guān)電源國內(nèi)很少見。在查閱大量資料的基礎(chǔ)上，選用西門子SITOP產(chǎn)品，型號6EP1436-2BA10，額定輸出電壓24 V/DC，額定輸出電流20 A/DC。該開關(guān)電源具有保護(hù)功能完善、過載能力強(qiáng)的顯著特點(diǎn)。為安全可靠，在開關(guān)電源的輸入側(cè)加裝框架電流32 A、整定電流6～16 A的C特性微型斷路器。也可用專用保險座增設(shè)3只6 A的瓷套管保險代替微型斷路器。

直流電機(jī)的調(diào)速模塊種類繁雜，本方案所選產(chǎn)品既要滿足容量要求，又要體現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)，更重要的是能方便安裝到焊機(jī)殼體內(nèi)的空位置。經(jīng)過多方咨詢、論證與評估，選用PWM控制模式的直流電機(jī)調(diào)速模塊，具體型號為HW-A-1040B2.0，額定輸入電壓9～35 V/DC，輸出0～24 V/DC，額定輸出電流43 A，并具有電位器及0～5V（4～20 mA）兩種控制模式。新增電控部分的系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2　電氣系統(tǒng)原理框圖

考慮到調(diào)速電位器安裝在焊槍頭部容易受到電磁輻射和焊接過程中的熱輻射等影響，且調(diào)節(jié)靈敏度不能太高，所以選用進(jìn)口品牌的100 kΩ全金屬外殼的多圈電位器，型號BOURNS-3590S-2-104L。

受焊槍把手長度的限制，并便于操作，送絲機(jī)啟動開關(guān)選用具有自保持功能的小型按鈕開關(guān)，型號為NKK-MB-2065，額定電壓30V/DC、額定電流3 A/DC或T8013-SEBQ雙刀單擲的小型優(yōu)質(zhì)鈕子開關(guān)。

4　改造后焊機(jī)的試用效果及改進(jìn)措施

按上述方案完成改造后進(jìn)行通電試驗(yàn)，在熱待機(jī)狀態(tài)即焊機(jī)高頻引弧系統(tǒng)未工作時，新增的送絲控制電路工作正常，達(dá)到預(yù)期的效果。一旦高頻引弧系統(tǒng)工作，直流調(diào)速模塊便失去原有的控制功能——調(diào)速模塊損壞。

系統(tǒng)分析認(rèn)為：因新增的送絲機(jī)啟停開關(guān)、調(diào)速電位器及焊機(jī)原有的氬氣電磁閥控制開關(guān)控制線三者共用一條7芯屏蔽電纜，并取代原有的氬氣電磁閥控制線，且與焊機(jī)輸出電纜（焊把線）緊密排列，并捆扎在同一條布質(zhì)護(hù)套內(nèi)，長度達(dá)7 m，焊機(jī)在高頻引弧階段會產(chǎn)生很大的電磁干擾，造成調(diào)速模塊主芯片損壞或工作不正常。同時，由于焊槍頭部的導(dǎo)絲管絕緣不佳，高頻引弧電壓經(jīng)焊絲和焊絲導(dǎo)管（金屬彈簧管）傳導(dǎo)至送絲機(jī)，造成送絲導(dǎo)輪對電機(jī)本體（相互絕緣）間隙放電，而送絲機(jī)金屬外殼到焊機(jī)的接地線與送絲機(jī)調(diào)速電源（0～24 V DC）、送絲初始速度設(shè)定控制回路共用一條5芯橡套電纜，造成高頻引弧電壓對調(diào)速系統(tǒng)強(qiáng)烈的電磁干擾。

經(jīng)過測試，在焊機(jī)引弧階段，安裝在焊槍上的送絲機(jī)啟停開關(guān)、調(diào)速電位器到焊機(jī)的5根控制線在焊機(jī)側(cè)的干擾電壓超過1 990 V（超出數(shù)字萬用表的測量范圍）；實(shí)測送絲機(jī)送絲輪與電機(jī)本體的放電間隙約為1.18 mm，根據(jù)工頻放電球隙圖表推測，放電電壓應(yīng)在3～3.5 kV之間。

根據(jù)上述測試結(jié)果，采取如下的改進(jìn)措施：一是在送絲機(jī)啟停開關(guān)、調(diào)速電位器焊機(jī)側(cè)的引線上增設(shè)抑制干擾的濾波電容；二是用高性能繼電器JRC-4M對上述控制線進(jìn)行隔離，即調(diào)速模塊開關(guān)、調(diào)速電位器的5根控制線在焊機(jī)內(nèi)先經(jīng)過繼電器常開觸點(diǎn)后再接入調(diào)速模塊，用送絲機(jī)啟停開關(guān)控制隔離繼電器的線圈電壓；三是取消送絲機(jī)上的初始送絲速度設(shè)定按鈕及相應(yīng)的控制回路?？垢蓴_及電磁隔離方案原理如圖3所示。

經(jīng)過上述改進(jìn)后，半自動焊機(jī)的應(yīng)用效果達(dá)到改造方案的預(yù)期要求。

圖3　抗干擾及電磁隔離方案原理

5　改造過程及注意事項

改造工作應(yīng)由技術(shù)熟練的電工和對焊機(jī)電路比較熟悉的工程技術(shù)人員共同完成，改造過程應(yīng)有防止損壞焊機(jī)的措施，特別是鉆孔及改變焊機(jī)內(nèi)部器件接線時。當(dāng)然，改造過程中應(yīng)盡量做到不改變焊機(jī)的結(jié)構(gòu)、線路走向、線路板與器件的接線。如增設(shè)7芯航空插頭，用RVVP-300/500 V-7×0.5屏蔽護(hù)套線引至焊槍，代替原來的氬氣電磁閥開關(guān)控制線，其中調(diào)速電位器用3芯、氬氣電磁閥控制開關(guān)用2芯、送絲機(jī)啟停開關(guān)用2芯，屏蔽層在焊機(jī)側(cè)接外殼（PE）；調(diào)速電位器與送絲機(jī)啟動開關(guān)安裝在自制或成品的小金屬盒內(nèi)，并將小盒固定在焊槍把手的后部，便于焊工操作；適當(dāng)移動接觸器，將開關(guān)電源模塊固定在焊機(jī)后面板上；選用載流量符合要求的5芯航空插頭，通過YQ或YQW-300/500 V-5×1.0的橡套電纜，將焊機(jī)與送絲機(jī)可靠連接，同時在送絲機(jī)上設(shè)置PE專用螺釘，并與焊機(jī)PE等電位連接；改造和增設(shè)的焊機(jī)內(nèi)部控制線路采用屏蔽護(hù)套線，屏蔽層一端統(tǒng)一接焊機(jī)外殼（PE）等。改造完成后的焊機(jī)內(nèi)部及焊槍結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　改造后的焊接內(nèi)部及焊槍結(jié)構(gòu)

6　半自動焊機(jī)的操作步驟及現(xiàn)場應(yīng)用效果

（1）焊機(jī)上電與焊接前初始送絲速度的設(shè)定。首先將送絲機(jī)的焊絲行走壓輪架提起，確保電機(jī)轉(zhuǎn)而焊絲不走。合上焊機(jī)主電源開關(guān)，此時，焊機(jī)帶電，但直流逆變及高頻引弧系統(tǒng)并未工作。按一下焊槍上的送絲機(jī)啟停開關(guān)，同時調(diào)節(jié)送絲速度電位器，使送絲電機(jī)達(dá)到初始的轉(zhuǎn)速，再次按一下送絲機(jī)啟停開關(guān)，送絲機(jī)停止旋轉(zhuǎn)。此過程可重復(fù)進(jìn)行，直至焊工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確認(rèn)合適的初步送絲轉(zhuǎn)速?；謴?fù)焊絲行走壓輪架，初始送絲速度的設(shè)定即為完成。利用此功能還可將焊絲送到焊槍頭部的出絲嘴，并伸出5～8 mm。

（2）焊接與送絲速度調(diào)節(jié)。按下焊機(jī)啟動按鈕，待焊機(jī)延時結(jié)束并正常工作后，設(shè)定焊接參數(shù)，操作焊槍并按常規(guī)方式（四步法）進(jìn)行高頻引弧，引弧成功后，按一下焊槍上的送絲機(jī)啟停開關(guān)，送絲機(jī)按初始速度送絲并施焊。焊接過程中，焊工可自主調(diào)節(jié)焊槍上的多圈電位器，改變送絲速度。焊接結(jié)束后斷開送絲機(jī)啟停開關(guān)，繼續(xù)焊接從引弧步驟重新開始即可。

改造好的半自動直流鎢極氬弧焊機(jī)在廠房內(nèi)焊接φ377試件3件、φ273試件2件，φ108試件5件，焊接效率較傳統(tǒng)手工焊提高30％以上，焊接外觀質(zhì)量明顯改善——焊縫接頭成倍減少、焊縫成形美觀。

將一臺改造好的半自動焊機(jī)應(yīng)用到焊接工作站的旋轉(zhuǎn)焊臺，并采用手持式小控制盒代替固定在焊槍上的控制小盒，正常工作數(shù)月，完成φ273～1219管道的環(huán)形焊口數(shù)百道，得到焊工普遍認(rèn)可。半自動氬弧焊大口徑管道根焊效果如圖5所示。

圖5　半自動氬弧焊大口徑管道根焊效果

7　結(jié)論

焊絲行走速度與送絲電機(jī)的轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，也與送絲導(dǎo)管的阻力有關(guān)，由于現(xiàn)有的送絲機(jī)還不能做到焊絲線速度的恒定控制，所以個別時候會出現(xiàn)送絲不均勻的現(xiàn)象。另外，焊絲直徑與出絲嘴孔徑的匹配很重要，間隙過大，焊絲容易擺動，可能出現(xiàn)焊絲與鎢極短路的事件；間隙過小，送絲阻力較大甚至送絲不暢。

針對上述問題，通過不斷改進(jìn)，成功將兩臺半自動氬弧焊機(jī)應(yīng)用到野外大型天然氣工藝裝置的施工現(xiàn)場進(jìn)行管件根焊，取得較好的應(yīng)用效果。

Design and application of electric control scheme of manual argon arc welding machine，semi-automatic transformation

YANG Wanguo，ZHANG Lin，XUE Tao
（Xinjiang Construction，China Petroleum Engineering Company，Karamay 834000，China）

Without changing the traditional manual wire tungsten argon arc welding machine（TIG）basic construction，turn it into semi-automatic argon arc welding machine，to modify its electric control part.After transforming，the electricity experiment in hot standby mode，namely the high frequency arc welder system does not work，the new wire control circuit is normal，achieves the desired effect.Once the high frequency arc system works，Dc speed control module will lose the original control function，speed control module is damaged.

manual tu ngsten electrode argon arc welding machine；semi-automatic transformation；electrical control scheme；application effect

TG434.1

B

1001－2303（2016）02－0065-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.02.14

2015－04－21；

2015－06－18

楊萬國（1961—），男，甘肅武威人，高級工程師，注冊一級建造師，學(xué)士，主要從事電氣、儀表技術(shù)工作。