逆变式变极性TIG焊电源的研究

摘要

针对铝及其合金对焊接设备及工艺的特殊要求，铝合金交流TIG焊的发展先后经历了正弦波交流TIG、方波交流TIG和变极性TIG几个阶段。变极性TIG焊具有输出电流频率、占空比、正负半波电流幅值均可独立调节的特点，能满足阴极雾化作用和减少钨极烧损的要求，成为当前TIG焊中用于铝及其合金材料焊接的最佳方法。基于此，本文设计了逆变式变极性TIG焊电源，对电源系统进行了调试，并对调试过程的波形进行了分析。
　　 电源的主电路采用输出功率较大的全桥式双逆变结构，选取绝缘栅极型晶体管IGBT为主控开关功率转换器件。主电路系统由输入整流滤波电路、一次全桥逆变电路、高频变压器、输出整流滤波电路、二次全桥逆变电路组成。文中对主电路各个组成部分涉及的元件进行了详尽的参数设计和选取，并对二次逆变电路的工作过程进行了分析。
　　 针对逆变式变极性TIG焊电源的特点进行控制电路的设计。一次逆变控制采用脉宽调制型调节(PWM)方式控制输出电流的大小，对输出电流的采样结果经运算放大器LM324放大比较，完成PI调节后的控制量送入脉冲宽度控制器TL494，经脉宽调制控制电路输出两路互不重叠的触发脉冲，再送入驱动电路，经IGBT专用驱动模块EXB841进行功率放大后触发一次逆变功率开关管，获得平滑的直流输出，以实现前级恒流源的功能。二次逆变控制采用555时基电路构成脉冲发生器，产生频率和正负半波导通时间分别独立调节的方波信号，经反相电路产生两路相位差为180°的方波信号，再经死区时间控制电路和正负半波幅值调节电路，得到两路频率、正负半波导通时间及幅值独立可调且具有一定死区时间要求的触发脉冲，送入驱动电路，经功率放大后驱动二次逆变开关管的开通与关断，实现电流波形的转换，得到满足焊接工艺要求的变极性波形。针对IGBT的过热和过流保护问题，本文设计了相应的保护电路。
　　 通过系统调试，对该电源的主电路及控制电路中的相应波形进行了测试分析，对一次逆变部分的外特性进行了实验研究，对实际焊接过程中的波形进行了测试分析，结果表明，该电源可获得电流频率、占空比、正负半波幅值均可独立可调的变极性波形，设计结构合理，器件工作可靠，控制系统运行良好，达到了预期设计目标。最后对焊后试样的金相组织、成形状况和钨极烧损情况进行了观察，结果表明，在焊接参数选取适当的情况下，电源能满足阴极雾化作用和减少钨极烧损，降低焊接缺陷发生。