高频脉冲TIG焊电源

马 淼，黄鹏飞，卢振洋

（北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京100124）

高频脉冲TIG焊电源

马 淼，黄鹏飞，卢振洋

（北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京100124）

采用两套斩波电路输出端并联的方式，设计了一台高频直流脉冲TIG焊电源。该电源可以输出不同频率、不同占空比、具有陡峭上升沿和下降沿的脉冲电流，并且基值电流和峰值电流可以独立调节。对比了常规直流TIG焊和高频直流脉冲TIG焊电弧的挺直度，结果表明，在电流平均值相同的情况下，无论在高速焊接还是V型坡口焊接中，高频电弧都具有良好的挺直度，焊接工艺性能明显优于普通直流TIG焊。

高频脉冲；TIG焊；电弧挺直度

0 前言

TIG焊是一种优质、高效、节能的焊接方法，几乎可以焊接所有金属，在航空、石油、化工和机械制造等部门被广泛应用[1]。但是在小电流直流TIG焊中，存在电弧挺度和指向性不好的问题，这在V型坡口焊接时表现得尤为明显。为了提高电弧的刚直性，赵家瑞教授首先采用了高频脉冲TIG焊接工艺，在平均电流相同的情况下，高频脉冲电弧比连续直流电弧的电磁收缩效应增强，熔透性增加，电弧挺直度和能量密度有效提高，电弧特性得到很大改善[2]。但是，当时受功率器件所限，该种工艺未能得到有效的推广。为实现高频脉冲电流的输出，国内外科研工作者做了大量研究。北京工业大学马琳采用BUCK电路作为主电路，尽量减小回路的杂散电感，采用传统的PWM控制方式输出脉冲电流，最终获得冲上升时间为300 μs，下降时间为400 μs的脉冲电流。该结果几乎是传统开关电源动态相应性能的极限，但是对提高脉冲电流的频率作用有限[3]。张广军教授突破传统方式，采用两套直流电源，分别控制脉冲电流的基值和峰峰值。利用两只IGBT交替导通的形式，实现高频脉冲电流的输出。该种电路可以获得很高的脉冲电流上升速度和下降速度，但是电路控制部分相对来说比较复杂[4]。齐铂金教授采用快恢复二极管取代其中的一只IGBT，对该电路结构进行了简化，也取得了较好的结果[5]。但是由于脉冲电流的下降过程受限于由回路杂散电感所决定的时间常数，所以对电路空间结构有较高的要求。

在此采用两套斩波电路实现对脉冲基值电流和峰峰值电流的控制，避免了逆变电路存在的变压器偏磁问题，电路拓扑结构简单可靠。由于开关元件导通和关断的占空比可以任意调节，所以具有更高的动态响应性能。从并联电源的工作原理入手，结合具体的工艺试验，分析了高频脉冲电流对电弧挺直度的影响。

1 电源平台

1.1 主电路工作原理

为了实现高频脉冲电流的输出，设计的焊接电源分为主电路和控制电路两部分，电源的主电路结构如图1所示。

图1 电源主电路结构

该电源由三相整流滤波电路、脉冲基值电流主电路、脉冲峰峰值电流主电路和脉冲电流切换电路等几部分组成。脉冲基值主电路由IGBT开关管IGBT1，续流二极管VD1和电感L1组成，其功能是产生脉冲电流的基值。脉冲峰峰值主电路由IGBT开关管IGBT2，续流二极管VD2和电感L2组成，其功能是产生脉冲电流的峰峰值。脉冲电流切换电路由IGBT开关管IGBT3、二极管VD3和尖峰电压吸收保护电路组成，其功能是实现脉冲电流基值电流与峰值电流之间的切换。

当开关管IGBT3导通时，脉冲基值电流主电路输出的恒流值流经负载，脉冲峰峰值电流主电路的电流经过开关管IGBT3自身形成一个回路，电源输出脉冲电流的基值。当开关管IGBT3关断时，脉冲峰峰值电流主电路的恒流值通过二极管VD3与脉冲基值电流主电路的电流值叠加，电源输出脉冲电流的峰值，电源输出端脉冲电流的理想波形如图2所示。

图2 输出端脉冲电流理想波形

由于脉冲电流的基值与峰值之间的切换不是通过调整占空比实现的，而是通过IGBT3的导通和关断实现的，可以使脉冲基值电流和峰值电流相互切换时具有很陡的上升沿和下降沿，为高频脉冲电流的输出提供了必要准备。

1.2 控制电路

控制电路采用dsPIC30F2020和dsPIC30F6011A两款芯片。芯片dsPIC30F2020先通过AD采样端口采集脉冲基值电流和脉冲峰峰值电流，与脉冲基值电流给定值和脉冲峰峰值电流给定值进行比较，进行PI运算，将计算结果值以PWM形式输出，最终实现两套电路的恒流输出。焊接电源实时检测焊接过程中的电流信号，当检测到电流超过了限定值，脉冲基值电路限流保护电路和脉冲峰峰值电路限流保护电路起作用，拉低占空比，禁止对电源电流的输出，以防对器件造成破坏，其控制框图如图3所示。

芯片dsPIC30F6011A与人机交互面板相连，可以实现焊接参数的调节，也可以向dsPIC30F2020发送脉冲电流基值和峰峰值的给定值，实现焊接电源的恒流输出，并且可以输出PWM信号控制IGBT开关管IGBT3的导通和关断，实现脉冲电流基值和峰值的快速切换。

通过整机调试，该电源能够实现以下指标，脉冲基值电流0～200 A可调，脉冲峰值电流0～200 A可调，高频脉冲频率为1～20 kHz，高频脉冲占空比0～ 100%。

1.3 开关管吸收电路设计

功率开关器件在工作过程中会承受电压尖峰，如果尖峰电压过高，可能会损坏开关管。为此设计了RCD吸收电路，可以降低开关管上的电压尖峰。当开关管关断时，通过二极管对电容C充电；当开关管导通时，电容C吸收的能量，通过电阻R释放。由于电容可以吸收线路前端电感的能量，在一定范围内，吸收电容的电容值取值越大，开关管的电压尖峰也就越小。对于吸收电阻的阻值，根据公式进行选取。回路二极管选择RHRG75120快恢复二极管，其耐压值1 200 V，平均电流75 A，反向恢复时间100 ns，能够满足设计要求。

图3 恒流控制框图

2 实验方案

电弧挺直度是反映高频脉冲电流电磁收缩效应的一个重要指标，电弧挺直度越好，可以有效抑制焊接过程中的磁偏吹现象。采用所设计的高频脉冲TIG焊电源，脉冲占空比为50%，焊接试件采用普通碳素结构钢Q235，试件尺寸规格80 mm×40 mm，采用机械方法去除其表面铁锈，氩气流量为15 L/min，钨极直径为φ3.2 mm。为了测定电弧的挺直度，采用高速焊接及V型坡口焊接两种方式，观察电弧的挺直度，采用的焊接电流设置如下。

电流极性选择直流正接，焊接电流平均值为100 A，焊接速度为1 m/min，对比连续直流TIG焊和高频脉冲TIG焊的电弧挺直度，高频脉冲TIG焊的脉冲占空比为50%，脉冲频率为10 kHz。

电流极性选择直流正接，焊接电流平均值为100 A，焊接采用V型坡口定点焊接，对比连续直流TIG焊和高频脉冲TIG焊的电弧挺直度，高频脉冲TIG焊的脉冲占空比为50%，脉冲频率为10 kHz。

3 实验结果分析

3.1 焊接电流分析

当脉冲频率为10 kHz，基值电流为50 A，峰值电流为150 A，其他工艺参数如上所述，采用安捷伦示波器MSO-X 3024A采集焊接时的电流波形，图4为脉冲电流为10 kHz时的电流波形，图5为其展开的电流波形。

图4 脉冲频率为10 kHz时电流波形

图5 脉冲频率为10 kHz时电流展开波形

由图4和图5可知，脉冲电流从基值跃变到峰值时，电流变化率很快，可以达到30 A/μs，但是脉冲电流从峰值跃变到基值时，电流变化率比较慢。输出脉冲电流的变化率与电容C2上的电压值和输出回路电缆线的等效电感有关。当IGBT3关断时，VD5导通，C2上的电压加到输出端，根据公式U=Ldi/dt，由于C2上的电压值很高，所以输出端的电流可以在很短的时间内从基值跃变到峰值。在输出电缆线等效电感相同的情况下，C2上的电压不同电流的变化率也不同，如图6、图7所示。

当脉冲电流从峰值跃变到基值时，此时IGBT3导通，由于输出回路电缆线等效电感的影响，所以输出脉冲电流峰值不能很快下降到基值，这样就会导致下降沿的时间比较长，输出回路电缆线的等效电感越小，输出脉冲电流的变化率越大。

图6 C2两端电压值小输出脉冲电流上升沿的变化

图7 C2两端电压值大输出脉冲电流上升沿的变化

3.2 开关管IGBT3的电压尖峰的分析

由于输出电缆线等效电感的影响，当开关管IGBT3关断时，会在其两端产生电压尖峰，输出电缆线越长，电压尖峰值越高，由于开关管的耐压值是有限的，电压尖峰过高可能会损坏开关管。

为了降低IGBT3上尖峰电压的值，可以采取两种方式，一是降低输出电缆线的长度，输出电缆线越短，其等效电感越小，可以降低IGBT3上的尖峰电压。二是在脉冲电流切换电路中设计了尖峰电压吸收电路，可以有效吸收电压尖峰的值，并且把开关管IGBT3上的电压钳位在一个安全范围内，降低电压尖峰的值，保证开关管正常工作。

3.3 电弧挺直度分析

高速焊接时，电弧形态如图8所示，V型坡口焊接时，电弧形态如图9所示。

图8 高速焊接电弧形态

图9 V型坡口电弧形态

由图8可知，在高速焊接过程中，高频脉冲电弧仍然具有良好的挺直度，与普通直流TIG焊相比，焊接速度高于普通直流TIG焊。由图9可知，在V型坡口定点焊接中，高频脉冲电弧的指向性好，挺直度高，电弧不会随意地左右偏移。对于直流TIG焊来说，电弧会出现明显的偏移。对于T型接头和角接接头的焊接，高频脉冲电弧的焊接效果要高于直流TIG焊。

这是由于脉冲电流跃变时，电弧的截面不能同步跃变，电弧形态受到拘束。随着脉冲频率的增加，电弧自磁压缩力增大。根据电磁学理论，变化的电场产生磁场，脉冲电流跃变中会产生自磁压缩附加压力，随着脉冲频率的增加，自磁压缩附加压力增大，可以提高电弧的挺直度[2]。

4 结论

（1）所研究的高频脉冲TIG焊电源可实现脉冲基值电流、峰峰值电流、脉冲电流频率和占空比相互独立调节，脉冲电流上升沿电流变化率大于等于30A/μs。

（2）在高速焊接和V型坡口焊接时，高频脉冲TIG焊电弧仍然具有良好的挺直度，可以提高焊接效率和焊接质量。

[1]殷树言.气体保护焊工艺基础及应用[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]赵家瑞.电流脉冲频率对TIG焊电弧影响机理的研究[J].电焊机，1993，23（2）：16-18.

[3]马琳.基于BUCK电路的弧焊电源功率平台研究[D].北京工业大学，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]齐铂金，许海鹰，黄松涛，等.超音频脉冲TIG焊电源拓扑及电弧适用性[J].北京航空航天大学学报，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

国家自然科学基金资助项目（51075011）

马 淼（1989-），男，河北徐水人，在读硕士，主要从事新型焊接设备的研究工作。