TIG焊机中引弧、稳弧脉冲装置的原理与故障排除

聂 琴

（鹤壁高级技工学校，河南鹤壁 458030）

使用高熔点的钨棒作焊枪的电极，利用氩气作为保护气体的气体保护焊，称为钨极氩弧焊，即TIG焊。TIG焊配用的焊机有交流、直流和脉冲直流3种类型，其共同之处是:使用非接触式引弧，即在引弧时，起动装在焊机内的高频高压引弧脉冲振荡器，使之在焊枪钨极与焊件之间产生几千伏高压的高频放电火花，火花引燃焊接电弧;其区别之处是:交流TIG电源内部配有稳弧脉冲振荡器，以保证交流TIG焊的稳定。在对TIG焊接电源维修中发现，以TIG焊引弧和稳弧装置的故障维修居多，又以分析其电路原理最难。以下就这方面谈谈自己的一些感悟。

1 直流TIG焊机中引弧脉冲装置的原理和故障排除

1．1 引弧脉冲的产生机理

1．2 引弧脉冲装置的具体应用

在图2中，线框中的电路部分制作在一块印制线路板上，主要用于氩气的自动供给;线圈YV是供气继电器线圈，受继电器KM4的常开触点KM4－1控制。分析图2得知，引弧脉冲振荡器要工作，必须使继电器KM5的线圈得电，KM5的常开触点闭合，促使升压变压器TB的初级得电。由电路可知，继电器KM5的线圈得电，又需常开触点KM1－2、KM3－1闭合。引弧脉冲振荡器的具体工作过程是:合上电源开关QK，110 V交流电经熔断器FU，保护开关SS或气冷、水冷选择开关SA1（用气冷时，闭合开关SA1;用水冷时，断开开关SA1，水压正常后，水压会使保护开关SS闭合），向后级供电:经电阻R1限流，工作指示灯HL1点亮，指示电焊机可以启动工作了;使控制变压器T1初级得电，变压后，经整流器（VD1～VD4）整流，输出直流电压UCD，向多个控制电路供电;还做好了向高频高压引弧脉冲振荡电路供电的准备。具体控制过程如下:

（1）如果进行“短焊”，就将短、长焊选择开关SA2置于短焊档，开关SA2呈断开状态。开始焊接时，按下焊接手把上的微动开关SM，继电器KM1线圈得电（正极端C→KM1线圈→常闭触点KM2－4→微动开关SM→常闭触点KM2－3→负极端 D），继电器KM1吸合，其常开触点 KM1－1、K KM1－2、KM1－3和 KM1－4随之闭合:KM1－3闭合，使 VT1和 VT2导通，进而接通继电器 KM4，继电器 KM4接通后，其常开触点 KM4－1和 KM4－2闭合，KM4－1闭合导致电磁气阀线圈YV通电，开始供氩气，此时指示灯HL2点亮;KM1－4闭合，促使控制焊接电源的主接触器吸合，直流焊接电源正常工作，但电弧未引燃，A、B两端电压较高，接触器KM3吸合（电弧未引燃时，焊接电源输出端的电压高，引燃后，其电压降低，这是由焊接电源的下降外特性决定的。正极A→KM3线圈→R9→KM3－3→UAB→负极 B），进而继电器 KM5得电工作，接通了高频振荡器，使焊件与电极之间的空气击穿，引燃电弧。电弧引燃后，焊接电源输出端的电压（即电弧两端的电弧电压）降低，继电器KM3因电弧电压降低而释放，KM3的常开触点恢复开路，继电器KM5的线圈失电，KM5的常开触点也恢复开路，TB也就失电，使高频引弧振荡器停止工作，标志着正常焊接开始了。焊接将近结束时，松开手把上的微动开关SM，KM1释放，整流弧焊机的输出电压逐步衰减，直至电弧熄灭。此时，KM4由于电容C8的放电而仍然吸合，继续提供氩气保护，直至KM4释放，气阀关闭，氩气供给停止。

（2）如果进行的是“长焊”，将开关SA2置于长焊档，开关SA2闭合。按下焊把上的微动开关SM，继电器KM1吸合，电流路经为:正极端C→KM1线圈→常闭触点KM2－4→微动开关SM→常闭触点KM2－3→负极端D，随之KM1－1闭合。松开微动开关SM的瞬间，继电器KM2吸合，电流路径为:正极端C→KM1线圈→触点 KM1－1→KM2线圈→负极端 D，此时，KM1线圈与KM2线圈串联且均吸合，常开触点 KM2－2和 KM2－5闭合，常闭触点 KM2－3和 KM2－4断开。电焊机进入长弧工作状态。当熄弧时，再次按下焊接手把上的微动开关SM，微动开关SM将KM1的线圈短路，使KM1的线圈失电，控制焊机主接触器的常开触点KM1－4恢复开路，焊机也失去供电，电弧熄灭。

1．3 故障诊断实例

例1:我市通用机械厂一台NSA4－300型手工直流TIG焊机，出厂日期为2007年6月，最近突然出现引弧时只听到控制箱中的高频“嗤嗤”火花放电响声，可是在焊枪钨极与焊件之间没有火花，不能引弧。

故障分析:从上述焊机故障现象来看，焊机的高频振荡电路本身没有故障，因为在机壳外部能听到火花放电的“嗤嗤”声，说明L－C振荡电路已经正常地振荡起来，并且很强烈。那么，致使焊枪的钨极与焊件之间没有火花的原因可能在以下2个方面（图2）:

（1）高频振荡器中耦合变压器T2的磁路或二次绕组有故障，没能将高频振荡信号感应到振荡器的输出端上来。一般在焊机的负极输出端串联高频引弧耦合变压器，与并联相比，提高了高频火花的强度，但是，串联接法要求耦合变压器T2的二次绕组须用与焊接电路同样粗的电缆线来绕之，T2的体积也要大许多。鉴于以上实际情况，故障点具体可能为:①可能是耦合变压器的磁力（铁氧体磁环）开裂（占结的半圆磁环可能因为粘接剂老化失效而开裂，也有可能受力作用产生脆裂），使T2的高频磁通很弱;②可能是T2的二次绕组线圈两端的接头有开焊、虚焊或螺钉松脱掉头现象。

（2）高频信号传输电路的故障。这部分出故障，常见的有以下4个方面:①耦合电容C5、C6失效，致使高频电路断路;②耦合电容器与焊接电路连接不良，如断头、虚焊、螺钉松脱及接头氧化电阻增大等，都会使电路不通或电阻增大，从而对高频信号的传输产生影响;③高频电流分流也可能产生对信号传输影响。高频信号在传输过程中，电路与其他导线或金属缠绕靠近，使高频电流形成分路传导或感应而泄露，这样引弧的高频火化极度减弱，甚至不能够引弧;④高频电路过长即焊接电缆及地线过长时对信号电压的影响。如果焊接电缆及地线过长，高频振荡器输出端至焊接电路的连接导线也过长，这样构成的高频信号传输总电路的电阻必然很大，导致高频振荡器的输出信号电压UG衰减严重。

故障排除方法:根据以上故障分析，检查了磁环和耦合变压器的二次侧导线接头，完整良好，无开裂和松动现象，焊接电缆和搭铁线长度与故障出现前一样，没有加长，也没有与其他金属物缠绕，仔细检查耦合电容器C5、C6的焊点和周围导线接头，均没发现异常。试探着更换耦合电容器C5、C6，焊机恢复正常。

2 交流TIG焊机中，引弧、稳弧脉冲装置的原理和故障诊断

2．1 交流TIG焊机维修基础

与直流TIG焊机相比有两大特点:（1）工频交流电流每秒钟按正弦曲线规律变化50次、经过零点100次（图3），所以电弧在每一个周期里（尤其在负半波）都要重新引燃，致使电弧燃烧时不稳定。为了保证焊接电弧的稳定，在交流TIG焊机中都设置了引弧和稳弧的脉冲电路;（2）在使用交流TIG焊机焊接铝、镁及其合金时，使用如图3所示的电源波形供电:在正半波时钨极为负，由于钨的熔点、沸点高，导热性能差，所以钨极温度极高而尺寸又小，电子发射容易，其结果电弧的电压低、电流大、导电时间长;在负半波时工件为负，工件熔点及沸点都低，同时尺寸大、散热又快、电子发射困难，所以电弧电压高、电流小、导电时间短。由于正负半波焊机电流不对称，在交流TIG焊接回路中存在一个由于工件流向钨极直流分流I，这种现象叫“电弧整流作用”。钨极与工件的熔点、沸点、导热性能差别越大，这种整流作用就越强，直流分量I也就越大。

因为交流TIG焊机多用于铝、镁及其合金的的焊接，简单介绍这方面的一点常识:铝、镁及其合金的焊接表面有一层致密的高熔点氧化膜，妨碍焊接正常进行。可是，当工件为负极时，被电弧分解形成质量很大的氩正离子，以高速向阴极运动并撞击阴极，可以破碎阴极上的氧化膜，使之被清除，形成表面美观、成型良好的焊缝。氩离子对阴极工件的这个作用叫阴极破碎作用。

前述的直流分量I是因负半波焊接电流小及导电时间短而产生的，它会削弱阴极破碎作用，从而导致铝、镁及其合金的焊接困难。直流分流I形成的直流磁通会使焊机变压器铁芯易磁饱和，致使工作条件变坏，焊接电流畸变而影响电弧稳定，还会使变压器绕组加速发热而温升增大。因此，为了保证铝、镁及其合金工件的焊接质量，改善焊机工作条件，在交流TIG焊机中都设有消除直流分量的装置。常用的方法是在焊接回路中串联电容，利用电容的隔直通交的特性，清除直流分量I。一般每安培焊接电流应串联300～400 μF的电容量。

在排除交流TIG焊机故障的思路背后，一定要有以上对交流TIG焊机的深刻认识，有了此认识，面对故障现象以及看原理图和测量时就能做到重点突出、思路清晰、少走弯路。

图3显示:焊件电压相对焊枪钨极高，电压为正，此时的半周为正极性半周;反之为负。理论上讲，焊接电源提供的为正弦交流电u源，但实际的焊接电压的波形是由u正和u负组成的，上下不对称，左右也不对称，从而造成焊接电流i（i负所示波形）正多负少。U引1、U引2均为稳弧所用，正极性半周时的稳弧脉冲U引1由正向焊接电压提供，负极性半周时的稳弧脉冲U引2由稳弧脉冲装置提供。在图3中没有显示出引弧脉冲的波形，引弧脉冲的波形见图4。

2．2 交流TIG焊机引弧、稳弧脉冲装置的工作机理

2．2．1 交流TIG焊机引弧装置的工作机理

由图5可见，电路中升压变压器T1可输出800 V的高压，经整流桥整理，给电容C1充电，C1充满最高可达1 120 V，C1上存储的电能就是高压脉冲的能源。当需要引弧脉冲时，就使晶闸管VR触发导通。C1上的高压将通过VR向脉冲变压器T2的一次线圈放电，形成脉冲。再由T2经过1∶4升压成为二次侧的高压脉冲（可达2～3 kV），经串联耦合给焊接回路，因而在钨极与焊件之间，就有一个2～3 kV的高压脉冲，可以击穿气隙而引燃电弧。C2的作用:串联在焊接回路中用来消除直流分量。

工作中发现，如果引弧脉冲产生的时机不正时，即脉冲发生移相跑位，就会造成钨极与焊件间有脉冲火花，但不能引弧。引弧脉冲何时产生最好?又是如何保证的呢?实验证明:引弧脉冲的最佳时刻是焊接空载电压负半波波谷（90°相位）时刻，如图4所示的A、B等波谷处，相当于过零点后移90°相位。具体实现电路如图6所示。

图6a是阻容移相电路，R1和C1串联组成一级移相电路，为确保移相90°，由R2、RP和C2串联组成二级移相电路，通过调节RP，使C2两端电压UC2的相位比电压信号源两端电压UT1的相位滞后90°（逆时针相差90°）。UC2与UT1的波形一样，用UC2去间接触发图5中的晶闸管VR要比用UT1滞后90°，从而满足引弧高压脉冲与电源电压之间的相位关系。正常焊接中，引弧脉冲电路自动停止工作。具体、完整的高频高压引弧脉冲装置如图7所示。

2．2．2 高频高压稳弧脉冲装置的工作机理

电弧一旦引燃，应立即产生出稳弧脉冲，解决电弧电流由正极到负极的过零点时，电弧重新引燃困难、电流出现断续的现象（电弧电流由负极到正极的过零点时，电弧重新引燃容易，所以不需要稳弧脉冲）。怎样使稳弧装置准确地产生高压稳弧脉冲呢?信号源取自哪里呢?

具体如图8所示，稳弧脉冲信号源取自电弧电压，为防止高压脉冲的冲击，电弧电压信号经R3、C3和VS1组成的衰减器衰减之后，再向稳弧脉冲触发电路的VT1基极输送。

当焊件处于正极性半周内时，VT1的基极电位为负（约为0．7 V左右，即稳压管VS1的正向压降），VT1截止，R5上没有电压输出，于是VR1不能触发，脉冲发生电路不能工作。

当焊件由正极性向负极性转变时，焊接电流过零的瞬间，VT1的基极上输入了一个正向的电压信号，于是VT1导通，并在R5上输出正电压，使VR1触发，C5经晶闸管VR1、T2放电，并在T2的一次产生脉冲，同时在T2的二次产生双脉冲，送往脉冲发生主电路，在T1次级（焊接电路中）产生高压稳弧脉冲，使电弧重燃，焊接电流连续了，电弧燃烧就稳定了。

不难看出，在电路上，稳弧脉冲和引弧脉冲虽然共用一套脉冲发生主电路，但是各自的触发电路是分开的，引弧脉冲引弧成功后，自动停止，稳弧脉冲开始触发并参与稳弧。引弧脉冲和稳弧脉冲的触发时机也有所不同，引弧脉冲在负半周的波峰时刻，稳弧脉冲在焊接电流的过零点（与时间轴的交点）。

2．3 故障诊断实例

例2:我市玄武岩石料厂的一台NSA－500－1型手工交流钨极氩弧焊机，焊机遭雨淋后引弧时听不到引弧脉冲变压器工作的“吱吱”响声，无法引弧。

焊机故障分析:该焊机工作时，为了引弧和稳弧，需要引弧脉冲电路连续工作，那么引弧脉冲变压器T2工作时产生的“吱吱”声就成为判断其是否工作的一个很好标志。上述故障焊机脉冲变压器T2无“吱吱”声，证明引弧脉冲主电路没有工作，应分别检查引弧脉冲主电路和引弧脉冲触发电路。首先检查引弧脉冲触发电路（图8），测量C6两端的电压为3 V左右，证明脉冲触发电路已工作。然后，用示波器测量触发脉冲变压器T3的输出信号，有稳定的输出电压信号，触发脉冲电路无故障。再检查引弧脉冲主电路，测量R9两端的电压，电压值为“0”V，说明R9中无电流通过，可能是晶闸管 VR1或 VR2损坏。用电烙铁取下 VR1和VR2，检测发现VR1的阳极与阴极呈开路状态。更换同型号的晶闸管后，R9两端的电压变为正常，且试机恢复正常。

3 结语

现在，工作中的许多TIG焊机多为交、直两用型的，在电路上集成了两类焊机的控制原理，分析其故障时的思路是一样的。

［1］郑宜庭，黄石生．弧焊电源［M］．北京:机械工业出版社，1991．