專利名稱:恒功率微束等離子弧焊機的制作方法
本發明是一種電弧焊機。這種焊機適用于微束等離子弧焊領域。因此，本發明屬于焊接設備技術范圍。
國內外現有的微束等離子電弧焊機的外特性都是垂降、陡降或斜降外特性。例如瑞士的等離子弧焊-40型焊機(Piasmafix-40)國產的WLH-10型微束等離子焊機即屬于陡降外特性。以WLH-10型焊機為例，它的電路設計思想在于一個焊接電流反饋控制系統，這個反饋控制系統以焊接電流為輸出，然后將輸出與系統的給定值相比較，比較后的信號經放大、校正后用于控制焊接電流。
上述各種外特性的焊機，作為電源都不是恒功率源。
由于微束等離子弧對焊縫的導熱率近似為常數，所以采用前述非恒功率源焊機用于微束等離子弧焊時，如果電弧長度發生波動，則電弧的功率將產生波動，于是施加于焊縫的功率也將產生波動，焊縫的成形質量將受到破壞。如果采用恒功率源焊機，這個問題將被克服，亦即當弧長發生波動時，焊縫成形質量將不變。
本發明的目的就在于研制一種用于微束等離子弧焊的恒功率源焊機，并且要求它還能實施脈沖恒功率焊接。
簡單地說，本發明的原理在于在現有同類焊機所具有的焊接電流反饋控制系統的基礎上，再增加一個焊接電壓反饋控制迥路。這個迥路中，有一個倒數運算電路和一個放大倍數可以人為調節的放大器。焊接電壓被取樣后，通過求倒數的運算、放大，再被用作前述焊接電流反饋控制系統的給定值。基于這一特殊串級調節系統的焊機就是恒功率源焊機。如果在上述焊接電壓反饋控制迥路中設置一個電子開關電路，使得這一迥路周期性地通斷，就可以使焊機實施脈沖恒功率焊接。如果將焊接電流取樣信號和焊接電壓取樣信號同時輸入乘法器，乘法器的輸出即可反映出焊接功率的大小。據此可以制成一個電子功率表。
圖1是本發明焊機的示意圖。
圖2是這種焊機的原理分析框圖。
圖3是圖2中的放大器與信號綜合點、校正網絡、隔離器的一個實施例。
圖4是圖2中的電子開關和校正網絡的一個實施例。
現在分別參照圖1、圖2、圖3、圖4對本發明加以詳細闡述。
在圖1中，變壓器1和整流器1的作用是將380伏的三相交流電壓轉變為數值適當的直流電壓。BG1是大功率晶體管，BG2與BG3組成BG1的推動級，因此，可以將BG1、BG2、BG3看成是一個大功率復合晶體管。R1是焊接電流取樣電阻，焊接電流通過R1后轉變為電壓信號。1是工件。2是等離子焊矩的壓縮噴嘴。3是鎢絲。焊接電弧在鎢絲和工件之間形成。這樣，變壓器1和整流器1所輸出的直流電壓經由BG1、R1、工件和鎢絲之間的焊接電弧組成了焊接電流迥路。當BG3的基極電位發生變化時，焊接電流隨之發生變化。
變壓器2和整流器2的作用是將380伏的三相交流電壓轉變為另一數值適當的直流電壓。R2是降壓電阻。在鎢絲和壓縮噴嘴之間存在有一個小電流的電弧。這個小電流電弧的作用在于維持焊接電弧的穩定工作。這樣，變壓器2和整流器2所輸出的直流電壓經由R2、鎢絲和壓縮噴嘴之間的小電流電弧形成迥路。
穩壓電源的作用在于為焊機中的各種控制電路供電。
程序控制電路的主要作用在于控制焊機在焊接前先行導通保護氣體和焊后滯后切斷保護氣體。
控制電路主要由下列部份組成焊接電流反饋控制電路，反相、倒數、放大電路，電子開關和校正網絡電路，電子功率表電路，方波信號源電路。
W是焊接電壓取樣電位器。
焊接電流IW和焊接電壓UW被取樣后即被接到圖1中的控制電路，控制電路按照能夠產生恒功率源效果的控制規律對BG3的基極輸出控制信號。
使焊機產生恒功率效果的原理，在于采用了一個特殊的串級調節系統。這個系統的原理框圖如圖2所示。
在圖2中首先分析副迥路。注意到這里的反饋信號是IW。由于焊接迥路中的焊接電流控制部件是大功率復合晶體管，具有比較優越的動態性能。此外，副迥路中的放大器具有較大的放大倍數，而且副迥路的性能指標經過圖2中的校正網絡的校正。所以圖2中的信號IW可以近似地認為跟蹤副迥路的輸入信號Ir。實際上，如果使副迥路輸入與主迥路脫離，亦即使副迥路獨立作為一個閉環控制系統工作，那么副迥路就成為一個焊接電流反饋控制系統。這樣的焊機的外特性即為陡降或垂降外特性。
其次分析主迥路。對于圖2中所示的倒數器，如果不計動態過程，可以認為輸出是輸入的倒數。倒數器的具體電路是運算放大器組成的對數除法器電路。由于焊接電壓取樣信號為負電位，所以須通過反相器將信號反相后信號方可進入倒數器。為了使焊機能夠具有實施脈沖焊接的功能，設置了圖2中所示的電子開關和校正網絡環節。
設反相器，電子開關和校正網絡環節的傳遞函數都近似為-1，放大倍數可調放大器的傳遞函數近似為-K，則如圖2所示，反相器的輸入信號為UW，電子開關和校正網絡環節的輸出信號為- (K)/(Uw) 。進而考慮到電子開關和校正網絡環節的輸出信號即為副迥路的輸入信號Ir。所以有- (K)/(Uw) =Ir又如前所述，IW可以近似地認為跟蹤Ir，所以如果不考慮誤差，則有IW＝Ir綜上兩式有- (K)/(Uw) =Iw所以
IW·UW＝-K由于K為放大倍數可調放大器的放大倍數值，可以人為地調節，所以整個電源的輸出功率P＝IW·UW可以人為地給定。又由于系統被設計成反饋系統，所以系統具有抗干擾功能。
在實際焊接過程中，當電弧長度發生波動時，焊接電壓UW和焊接電流IW都改變其值，但是電弧功率亦即電源輸出的功率IW·UW＝-K，功率是不變的，始終被放大倍數可調放大器的放大倍數所決定，恒功率源因此而得到實現。
顯然，圖2所示的系統是非線性系統，并且微束等離子弧是非線性負載。因此必須考慮系統的校正問題。圖2中副迥路的校正網絡環節和主迥路的電子開關和校正網絡環節的校正網絡部份就是為此目的而設置的。圖3和圖4中的部份電路是其實施例。
在圖3中，A點接焊接電流取樣信號;B點接副迥路輸入信號;C點接圖2中BG3的基極。JC1與R1、R2、R3、R4組成了減法一放大電路，這相當于圖2中的信號綜合點和放大器環節。JC2和R6組成了電壓跟隨器電路，這相當于圖2中的隔離器環節。C2、W1、C3、R5、C4組成了一個無源校正網絡，這相當于圖2中的校正網絡環節。這里一組可供選擇的數據是W1＝1MΩ C2＝4.7PF C3＝510PFR5＝30KΩ C4＝220PFJC2的輸出信號經由W2、C6并聯的電路接往圖2的BG3的基極，這里W2、C6也應看成是系統校正元件，可以選擇W2＝1KΩ，C6＝0.01μF。
JC2和R6組成的電壓跟隨器電路的作用在于使得C2、W1、C3、R5、C4組成的無源校正網絡與JC2后面的電路之間只存在信號的傳遞關系。
C2、W1、C3、R5、C4組成的無源校正網絡是一個具有三個極點三個零點的無源校正網絡。由于C2的數值較小，所以又可以將此近似看成一個具有兩個極點兩個零點的無源校正網絡。W1、C3、R5、C4對于系統的穩定是必不可少的;C2對于系統動態性能指標的改善是有益的。圖3中C6、W2對于系統性能指標的改善也是有益的。
在圖4中，A點為信號輸入端。D點為信號輸出端。B點接一固定負電位。C點接-12V的固定電位或頻率、占空比可以人為調節的方波信號，這個方波信號的低電位為-12V，高電位為+12V。可以通過一個手動開關改變C點的接法。這個電路相當于圖2中的電子開關和校正網絡環節。A點輸入的信號來自于放大倍數可調放大器的輸出。D點的輸出信號即作為圖2中的副迥路的輸入信號。
在圖4中，JC2是反相器。BG1和BG2被設計成總是工作于截止或者飽和狀態。JC1及R1、R2、R5、R6、C1、C2組成了有源校正網絡，這里可以選擇R5＝10KΩ，C2＝510PF、C1不大于30PF、R1、R2均為4.7KΩ。
圖4電路的功能在于在主迥路中設置了一個有源校正網絡，這對于系統獲得合適的性能指標是必需的。此外，它使得本發明的焊機除了可以實施恒功率焊接外，還能實施脈沖恒功率焊接。
當實施恒功率焊接時，C點接-12V的固定電位。這時BG1截止，BG2飽和。于是只有A點的輸入信號可以進入JC1等元件組成的有源校正網絡。從而圖2中的主迥路正常工作，焊機實施恒功率焊接。
當實施脈沖恒功率焊接時，C點接前述方波信號。圖4中的BG1和BG2在這個方波信號的控制下交替地處于截止與飽和狀態。當BG1截止，BG2飽和時，圖2所示主迥路正常工作，焊機實施恒功率焊接。當BG1飽和、BG2截止時，A點的輸入信號不能進入JC1等元件組成的有源校正網絡，于是圖2中的主迥路與副迥路的聯系被切斷，恒功率焊接過程停止。但是，此時B點的固定負電位信號通過R3、R4進入JC1后作為圖2中的副迥路的給定值，使焊機產生一個恒定的焊接電流。這個恒定的焊接電流使得焊接電弧的燃燒不至于中斷。當BG1與BG2交替地處于截止與飽和狀態時，焊接過程便交替地處于恒功率焊接與恒功率焊接中止狀態。于是就實現了脈沖恒功率焊接。
由于控制BG1與BG2截止或飽和的方波信號的頻率和占空比是可以人為調節的，所以脈沖恒功率焊接的頻率和占空比是可以被人為地給定的。
為了反映焊接功率的大小，本發明還設計有電子功率表。一般功率表僅適用于測量小電流高電壓的功率。不能用于測量焊接功率，因為焊接電流較大。本發明的電子功率表由一個由運算放大器組成的對數型乘法器和一只普通的電壓表組合而成。設乘法器的兩個輸入信號為U1與U2，輸出信號為U0，則有U0＝U1·U2。將焊接電流取樣信號與焊接電壓取樣信號分別接入U1與U2，則乘法器的輸出信號的值即為焊接功率。用電壓表將此輸出信號的數值測出，并將電壓表的刻度重新標定，即可反映出焊接功率的大小。
下面進一步公開本發明的實施例中的幾點內容。
由于實際上沒有功率大到符合焊機要求的大功率晶體管，所以圖1中的BG1可以采用多只大功率晶體管并聯組成。圖2中的放大倍數可調放大器和反相器都是由運算放大器組成的常用電路。圖2中主迥路中各環節所使用的運算放大器的型號可采用F007，副迥路中各環節所使用的運算放大器的型號可采用FC92。FC92是高速型運算放大器。采用FC92的理由是如果把圖2中的副迥路與主迥路脫離，從而副迥路作為一個焊接電流反饋控制系統獨立工作，那么采用FC92可以提高這個系統的動態性能指標。圖1中的變壓器1和整流器1部份輸出的直流空載電壓是65V。并且在其直流輸出的兩端并接440μF的電容器。這個電容器的作用并非是濾波而是對整個焊機的調整十分有利。圖1中的程序控制電路和本說明書中未加說明的問題均為本專業的普通人員所熟知。
至此，已經說明了一種用于微束等離子弧焊技術的恒功率源焊機。通過實施例的焊機的試驗，表明它的實際焊接效果完全和本發明的目的一致。
權利要求
1.一種用于微束等離子弧焊技術的電弧焊機，包括一個焊接電流反饋控制系統，其特征在于a、焊接電壓反饋控制迥路中采用了能夠進行倒數運算的倒數器和放大倍數可調的放大器；b、焊接電壓反饋控制迥路中采用了電子開關電路；c、系統校正采用了元件特定組合的校正網絡。
2.根據權利要求
1所述的電弧焊機，其特征在于它具有一個由乘法器和普通電壓表組合而成的用于測量焊接功率的電子功率表。
專利摘要
本發明屬于一種電弧焊機，用于微束等離子弧焊技術。現有的同類焊機從電源的概念分析都不是恒功率源。本發明采用了帶有倒數器、放大倍數可調放大器的特殊串級調節系統，并且對系統的性能指標進行了校正，成為恒功率源。本發明還采用了電子開關電路，從而具有脈沖恒功率焊接功能。此外，它還有可以測量焊接功率的電子功率表。使用這種焊機可以獲得外觀質量更為優越的焊縫。
文檔編號B23K9/00GK86101100SQ86101100
公開日1987年9月2日 申請日期1986年2月22日
發明者方宇棟, 張仁甫, 李唐柏 申請人:南昌航空工業學院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan