第11章二氧化碳气体保护焊机工作原理

第45页共55页第十一章二氧化碳气体保护焊机工作原理第一节二氧化碳气体保护焊机的特点与一般要求一、二氧化碳气体保护焊机的一般结构图二氧化碳气体保护焊即熔化极惰性气体保护焊，指用金属熔化极作电极，惰性气体（CO2）作焊接方法，简称MIG。相对于其它弧焊机，MIG焊机添加了送丝结构及相应的送丝控制电路，在焊接过程中实现了半自动化，不但提高了效率，也减少了损耗。焊接过程中使用廉价的CO2气体作保护，使得起弧容易，焊接成本低而效果好。而且，送丝速度、输出电压可调节，可使两者达到良好匹配，提高了焊接质量，适用于各类焊接。MIG机的送丝方式一般有三种：推丝式、拉丝式、推拉结合式，不同的送丝方式对送丝的软管要求各不相同。对于推丝式送丝软管一般在2.5米左右，而推拉结合式的送丝软管可达15米，为了保正送丝稳定，相应的送丝电机和送丝控制电路都要求严格。二、MIG焊的特点1、工作效率高：CO2的电弧穿透力强、熔深池大、焊丝熔化率高、熔敷速度快、，工作效率比手工弧焊高1~3倍；2、焊接成本低：CO2气体是工厂的副产品，来源广、价格低。其成本只有埋弧焊和手工焊的40%~50%左右。3、能耗低：相同条件下，MIG焊与手弧焊相比，前者消耗的电能约为后者的40%~70%。4、适用范围广：MIG焊能焊接任何位置，薄板可焊致电1mm，最厚几乎不受限制。而且焊接薄板时，较氩气焊速度快、变形小。5、抗锈能力强：焊缝含氩量低，抗裂性好。6、焊后无需清渣，因是阴弧，便于监视和控制，便于实现自动化。三、MIG焊机的一般要求1、MIG焊机的焊接过程①起始时，焊丝由送丝机送出，接触工件；②焊丝与工件短路，产生大电流，使得焊丝顶端熔化；③焊丝与工件间形成电弧；④焊丝送出，电弧变短；⑤焊丝再次接触工件。如此周而复始。2、MIG焊机的一般要求在焊接过程中，电弧不断地燃弧、短路、重新引弧，燃弧如此周而复始，从而使得弧焊电源经常在负载短路，空截三态间转换，因此，要获得良好的引弧，燃弧和熔滴过渡状态，必须对电源的动特性提出如下要求：①焊接电压可调，以适应不同焊接需求；②最大电流限制，即有截流功能，避免因短路、干扰而引起的大电流损坏机器，而电流正常后，又能正常工作；③适合的电流上升、下降速度，以保证电源负载状态变化，而不影响电源稳定和焊接质量；④满足送丝电机的供电需求；⑤平稳可调的送丝速度，以满足不同焊接需求，保证焊接质量；⑥满足其它焊接要求，如手开关控制，焊接电流、电压显示，2T/4T功能，反烧时间调节，焊丝选择，完善的指示与保护系统等等。第46页共55页3、MIG焊电源的外特性曲线由于MIG焊接电源的负载状态不断地在负载、短路、空截三态间转换（其输出电压、电流特性曲线如图11.1），为了得到适宜的输出和良好的焊接效果，采用了具有图11.2的外特性的焊接电源。图11.1图11.2采用恒速送丝配合如图11.2的平台型外特性电源的控制系流，有以下优点：①弧长变化时引起较大的电流变化，因而电弧自调节作用强，而且短路电流大，引弧容易；②可对焊接电压和焊接电流单独加以调节。通过改变占空比调节电压，改变送丝速度来调节电流，两者间相互影响小；③焊接电压基本不受焊丝伸出长度变化的影响；④有利于防止焊丝回烧和粘丝。因为电弧回烧时，随着电弧拉长，电弧电流很快减小，使得电弧在来回烧到导电嘴前已熄灭，焊丝粘丝时，平特性电源有足够大的短路电流使粘接处爆开，从而可避免粘丝。第二节MIG焊机控制板电路工作原理一、他激式辅助电源工作原理1、3843集成脉宽调制器工作原理：通常采用脉宽调制器调节脉宽，以达到调节输出电压的目的；反之，通过反馈的方式，可以把对输出电压的采样信号反馈到脉宽，调制器中，利用脉宽调制器的特性控制开关电源的开关，从而达到稳定输出的脉宽。3843集成脉宽调制器是一种单端输出电路控制型电路，其内部结构框图如图11.3所示：第47页共55页工作原理：①供电：电源由7脚输入，在施密特触发器的控制下，电源电压大于16V时，芯片工作，低于10V时关闭。6V的启动、关闭的差值电压可有效防止电路在阀值电压附近工作时振荡。输入端设置了一个34V的齐纳稳压管，保证其内部电路绝对在34V以下工作，防止高压损坏。通常，从高压输入端用电阻分压后供给7脚。②振荡信号的产生：其振荡器的工作频率由4脚外接的电阻、电容值决定，由8脚供给振荡的电源。通常，在4脚与地间接电容，4脚与8脚间接电阻，其振荡频率5=1/T=1/（tc+td）（tc、td分别为电容充放电时间）③输出控制：输出信号的控制由误差放大器、电流比较器、锁存器完成。分述如下：误差放大器：其同相输入端接内部+2.5V基准电压，反相输入端接受外控制信号。输出端通常接补偿R、C回路，R、C回路接到反相输入端，以控制广大器闭环增益，并起到稳定的作用。电流比较器：用于电流感应和限制，防止过大电流损坏外部电路，通常，在3脚处接一采样信号（可通过电阻接地把外部电路电流转为电压信号），其与误差放大器的输出电压经两个二极管降压后所得的电压进行比较。锁存器：加入锁存器可以保证输出端在每一振荡周期内仅出现一个单控制脉冲，防止了噪声干扰和开关管的超功耗。由图可知，当电流比较器输出高电平时，锁存器复位，关闭输出（与非门输出低电平、三极管截止），至下一个时钟脉冲中又将锁存器位置，输出开启（高电平）。④脉宽调制：3843脉宽调制器的6脚外接开关器件，当开关器件流过的电流改变（因负载变化）时，3脚所采样到的电压信号也随之改变，通过电流比较器，就能改变输出脉冲宽度，从而调节开关管导通时间，即占空比。2、他激式开关电源工作原理：图11.4为他激式开关电源原理图:图11.4工作原理：(1)充能：主电源开关闭合后，电源经变压器T的初级线圈N1供电给功率开关管Q1的漏极。同时，UC3843集成PWM的7脚也获得电源电压经分压后（R1、R2、R3分压），大于16V的电压，芯片工作，6脚输出幅值为12V的脉冲，使得开关管Q1导通。此时，电源给N1充电，电能转化为磁能储存于变压器中。第48页共55页(2)开关管断开：3843的6脚输出脉冲的频率由内部电路的振荡频率（由C6和R8决定），经一定时间，第一个高电平结束，转为输出低电平，使开关管截止。(3)放能：开关管Q1截止，由于电感（线圈N1）的续流作用，N1继续给电容C8和Q1的漏电容cds充电。此时，在N1上的电压方向为上负下正，而N2上的感应电动势方向为上正下负，二极管D4导通，给负载供电并向C10充电。由于稳压管D5的稳压钳住作用，使得N1、N2上的电压不会太高，而N1上的电压也不会因电感特性（续流）而产生尖锋而损坏电路。(4)振荡：变压器初级线圈在向负截供电的同时也给电容C8、cds充电。当电容两端的电压大于N1上的电压时，电容反向向电感供电，能量由电容向电感和电源转移，等到两者的端电压的大小再发生变化时，电感向电容充能，如此反复，形成正弦振荡（阻尼振荡）。而且，每当电容向电感充电时，N1线圈都通过N2向负载供电并各电容C10充电。(5)稳压输出：在N1向N2供能时，负载从变压器中得到能量，当N2上的感应电动势反向（上负下正）时，电容C10向负载供电，从而，在负载上得到稳定的电压供给。(6)开关管导通，再次充能：在3843的输出脉冲控制下，开关管Q1再次导通，回复到初始状态。如此周而复始，负载得到持续的稳定的能量供给。(7)稳压：当负载变化时，辅助电源（他激式开关电源）的输出电压、电流都将发生变化。此时，3843芯片2脚采样到的电压信号（通过N1和N3采样）以及3脚的电平值（输出电流反映到N1上的电流在R12而形成的压降）也随之改变，从而，3843内部的电流比较器输出值也发生改变，由此而改变了6脚的输出脉宽。例如：当负载变大时，电流变小，使得3843内部的电流比较器输出低电平，使锁存器锁存，降低占空比，开关关断时间长，使得振荡次数加大，负载获得的能量变大，保证了负载的需求。(8)过压、过流保护：如果输入电压过高，在开关导通时，在N2上感应到的感应电动势过高，使得D6（27V）稳压管被击穿，光耦U2动作，触发可控硅VS，可控硅阴阳两极导能，拉低3843的7脚电位，芯片停止工作。如果因漏感作用干扰或不正常输入使得开关管漏源电流过大，此时，在R12上形成的压降也变大，3843内部的电流比较器的同相输入端（3脚）电位变高，当大于1V时，电流比较器输出翻转，变为高电平，使得锁存器锁住，芯片输出低电平，关闭开关管，从而保护了功率开关管。(9)辅助电路：线圈N3及D2、C2、R5组成一个滤波电路，吸收因电感作用而产生的电流尖锋（当N1电流方向改变时，由于电感续流和漏感的作用，会产生尖锋）避免开关管造成误动作，D1、C1及R4组成的电路也具有同样的功效。线圈N4、D7、D8、R15、R16组成的电路具有电网补偿的作用。接上一定的控制电路，可以控制因电网波动而引起辅助电源的输出值。其输出与整机电路的给定值叠加，通过反馈的形式，可以控制输出值，从而避免因输入波动而改变电流的输出值。在输出端接有7812集成稳压器件，可以轻易得到Q2的直流稳压电，以满足不同负载的需求。(10)特征波形：当负载变化时，3843的输出脉冲的脉宽、电流比较器的同相输入信号，开关管漏极波形都随着改变，反应了电路对输出变化的应变能力和调整能力。当负载变大时，脉冲变窄，开关管的导通时间变短，则线圈N1与电容C8、cds间的振荡次数变多，这样，负载获得能量补充的次数也变多，一周期内获得能量变大。当负载变小时，脉冲变宽，开关管导能野变长，线圈N1所获得的能量虽然加大，但其供给负载的变小。这样，在负载的输入端，就能得到稳定的电压供给。而且，开关管的控制脉冲的脉宽与输出的波动有良好的线性关系，所以，电路对负载的反应灵敏，线性调整好。此种辅助电源因输出电流较大、功率在，适用于大功率的机器。第49页共55页二、控制电路工作原理MIG焊机的控制电路原理图如图11.5所示。相对于其它弧焊电源的控制电路，MIG焊机控制电路增添了截流保护，电网补偿控制，而且，MIG焊机控制电路的脉冲调制采用开环控制，其脉宽受8脚电平、主振频率、误差放大器等控制。图11.5工作原理：1、截流保护控制：截流保护装置是为了避免输出端短路产生大电流而对电路造成损坏而设置的。其功能是当电流超过一定值时，使主回路电流的值保持在一定的值（设置的截流点）上，不再增长，当电流回复正常时，又使得电路正常工作。截流保护控制电路由（图中）电流耦合回电路R1、D1、Q1、Q2等组成，当电流耦合器感应到主回路中的电流超过截流点时，电流耦合器的输出电流使得Q2导通，并处于线性放大状态，这样，3525的8脚电平就保持在一定的值上，使得PWM的输出脉宽不变化，输出电流稳定在一定值上，即截流。当电流恢复正常时，Q2截止，电路又正常工作。如电流不回落而继续增大，则会使得Q1截止，Q2饱和导通。3525的8脚电位被拉至零电平，3525停止输出，即过流保护（其工作原理参见第六章《控制电路工作原理》）。2、电网补偿控制：无论民用或工用的电网都会因各类原因而产生波动，其波动会直接影响要求严格的MIG焊机的辅助电源的稳定。严重的会导致辅助电源输出振荡而使得负载送丝机工作不稳定，直接影响焊接效果。为了避免因电网波动而影响输出，MIG焊机设置了电网补偿电路，其在辅助电源的主变压器的一组次级线圈中采样并加至给定控制电路中，以之控制脉冲宽度输出。3、关断：手开关的关断控制与氩弧焊的关断控制类似，但需同时关断送丝机的动作。因此，控制电路的关断控制需结合送丝控制电路。4、其它控制电路：其它如过热、过流、欠压保护控制、给定、反馈处理控制、输出转换控制等等，都与其它弧焊机的控制电路工作原理相同。在此不再赘述。第50页共55页第三节送丝机构一、送丝控制功能的一般要求MIG焊机采用自动送丝的焊接方式，其要求：1、焊丝的送出速度可调，以满足不同的环境、人为要求；2、送丝速度平稳，以达到良好的焊接效果；3、尽可能短的送丝停止时间，即急刹车功能；另外：送丝控制与开关控制是同步的，为了方便控制，在送丝