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1、生产应用 焊接磁搅拌装置的研制及其应用 沈阳工业大学材料学院(110023) 常云龙 杨 旭 张建民 林 彬 摘要 介绍了一种新型的焊接磁搅拌装置,主电路采用全桥式双逆变结构,分别采用SG3525和SG3526作为 一次逆变和二次逆变电路的PWM控制芯片。同时采用软启动电路防止浪涌电流,保护功率开关管。试验表明,该 装置的参数调节范围大,操作方便。通过调节装置的频率、 间歇时间和输出电流来控制铝合金M IG焊过程施加的 磁场参数,有效地改善了铝合金的焊缝形貌。该装置适用于TIG焊、M IG焊、 等离子弧焊等多种焊接方法的磁搅拌 控制,应用前景广泛。 关键词: 电磁搅拌装置 双逆变 磁场 软启动
2、 DEVELOPM ENT AND APPL ICATI ON OF THEW ELD ING ELECTROMAGNETIC STIRRING DEVICE Shenyang University of technology Chang Yunlong, Yang Xu, Zhang Jianm in, L in Bin Abstract A new type ofwelding electromagnetic stirring device was introduced in this paper . Main circuit had dual full bridge inverter s
3、tructure. SG3525 and SG3526 chip were respectively used as PWM control units forone and two invert2 er circuits . To protectpower s witches, soft2starting circuitwas designed to overcome the surge current . The test showed that the magnetic field added toM IGwelding process for aluminum alloy could
4、be controlled by regulating parameters of the de2 vice, inter mittent time and output current to achieve good welds .This kind of device can be used in the electromagnetic stirring control of TIG, M IG, PAW etc, which has a good application prospect . Key words: electromagnetic stirring device, dual
5、 inverter structure, magnetic field, soft2starting 0 前 言 近年来,磁控焊接技术成为国内外学者研究的热 点,并得到不断地发展和完善。实践表明,利用外加磁 场对焊接中熔滴的过渡、 熔池金属的流动、 熔池的结晶 形核及结晶生长等过程进行有效地干预,使焊缝金属 的一次结晶组织细化,减小化学不均匀性,提高焊缝金 属的塑性和韧性,降低结晶裂纹和气孔的敏感性,从而 提高焊缝金属的性能,全面改善焊接接头的质量 1 。 一般来说,外加间歇交变磁场更加有利于控制焊 接质量,获得这种磁场的关键是磁搅拌装置 2 。目前 , 国内外许多焊接工作者主要是进行焊接工艺
6、及材料冶 金方面的研究,专门针对磁搅拌装置方面的研究很少。 采用双逆变技术研制了一种焊接磁搅拌装置,输出间 歇交变方波,具有体积小、 电路结构简单、 可靠性高等 优点,而且电流幅值、 频率、 占空比及间歇时间均连续 可调,可以满足TIG焊、M IG焊、 等离子弧焊等多种焊 接方法的磁搅拌控制。 1 焊接磁搅拌装置主电路 图1是所研制的焊接磁搅拌装置的主电路结构框 图,主要由四部分组成,即输入整流滤波部分、 一次逆 变部分、 次级整流滤波部分、 二次逆变部分。一次逆变 电路和二次逆变电路均采用全桥式结构,分别由四个 73焊接 2006(5) 辽宁省自然科技基金资助项目(20052039)和辽宁省
7、博士启动项目(2001102028) 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 场效应管及相应的阻容滤波网络组成。高频脉冲变压 器起能量传递和参数变换作用。一次逆变的频率为 100 kHz左右,二次逆变的频率和占空比分别单独可 调,其功能是将一次逆变整流滤波后的平滑直流电转 换成方波交流电输出。负载为螺管线圈。 图1 主电路结构框图 2 焊接磁搅拌装置控制电路 2. 1 一次逆变控制系统 选用脉宽调制控制芯片SG3525来产生一次逆变 的开关控制信号。它由基
8、准稳压装置、 误差放大器、 锯 齿波振荡器、 翻转触发器及保护电路组成,不仅能实现 PWM控制,还可以完成输入软启动、 超载限流、 过压保 护等多种功能,而且其外围电路较为简单。一次逆变 的PWM波形产生电路如图2所示。SG3525的11、14 脚输出两路相位相差180 的脉冲信号, 16脚输出5 V 的基准电压, 5、6脚用来确定振荡器的频率,在5脚和 7脚之间外接电阻R3,用来设定死区时间,以限制最大 脉宽。8脚是软启动端,当刚合上电源时,电容C1两端 电压不能突变,封锁脉冲输出,随着C1两端电压的增 加,输出脉宽逐渐增大。 SG3525的两路输出脉冲信号经过功率放大后,通 过脉冲变压器实
9、现四路输出,用来驱动一次逆变电路 的功率开关管。 2. 2 二次逆变控制系统 二次逆变控制电路选用SG3526作为P WM芯片, 该芯片振荡器的最低频率可以达到1 Hz,用来驱动二 次逆变电路开关管可获得间歇方波脉冲信号,能够满 足磁控焊接过程的低频率要求。其外围连接电路如图 3所示, 18脚输出的基准电压经电阻R2和电位器W1 分压后加到3脚补偿端,与内部比较器比较产生PWM 信号,再经锁存器、 输出级放大器输出两路相位相差 180的脉冲信号。通过调节电位器W1可以改变输入 电压的大小,从而控制输出脉冲的脉宽及占空比, SG3526的振荡器频率由9脚的电阻R4和电位器W2、 10脚的电容C2
10、以及11脚的电阻R3决定,调节电位器 W2的大小可以控制输出信号的频率,死区时间由R3 决定。 图2 SG3525PWM波形产生电路 图3 SG3526PWM波形产生电路 SG3526的13脚和16脚输出的两路脉冲经过四个 同样的驱动电路(见图 4) 进行功率放大后驱动二次逆 变电路的功率开关管。SG3526的脉冲信号送入光耦 TLP250的2脚,当该脉冲信号为高电平时, TLP250的6 脚输出高电平,晶体管T1导通, T2截止, T1输出+ 15 V的驱动电压加在二次逆变电路中功率开关管的控制 83焊接 2006 (5) 1994-2007 China Academic Journal E
11、lectronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 极G上,促使开关管导通。电流方向为: +15 VT1 R2GSGND。当该脉冲信号为低电平时,晶体管 T1截止, T2导通,输出- 10 V的电压送入二次逆变电 路开关管的源极S,促使开关管关断,电流方向为: GND SGR2T2- 10 V。 图4 二次驱动电路 3 软启动电路 电源开关在开通瞬间会产生较大浪涌电压,不仅 会损坏桥式整流二极管,还会使高频变压器饱和,损坏 功率开关管。软启动电路可以减小电容的充电电流, 有效地防止浪涌电流的最大峰值。图5为文中设计的 软启动电路,继电
12、器的触点开关连接到电网中,当电源 开通瞬间,继电器的开关延时导通,从而保护了电路中 的器件,具体延时时间由R1、C1来确定。 图5 软启动电路 4 测试波形 图6a为一次逆变驱动的实测波形,正负半波具有 1. 2s的死区时间,可以防止一次逆变电路产生直通, 从而保护功率开关管。 图6b为二次逆变驱动的实测波形,从图中可以看 出,两路脉冲信号相位相差180,而且具有死区时间, 直接驱动二次逆变电路的四个开关管,通过调节脉冲 信号的占空比也可以控制死区时间,从而实现磁搅拌 电源的间歇脉冲输出。 图6c为总体调试时测得的输出波形, 1为经次级 整流滤波后输出的电流波形,用来实现输出恒流控制 的检测电
13、流。2为负载线圈输出的电压波形。最终输 出的脉冲信号具有明显的间歇时间,而且间歇时间可 以任意调节,能满足不同的焊接参数。 图6 试验波形 93焊接 2006(5) 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 5 磁搅拌试验 5. 1 磁搅拌装置设计参数 磁搅拌装置的设计参数见表1。 表1 磁搅拌装置的设计参数 输入电压 U1/V 输出电压 U2/V 输出电流 I/A 方波频率 f/Hz 占空比 D/ (% ) 22040051301040 5. 2 磁搅拌试
14、验 试验装置如图7所示,右边为焊接磁控装置,左边 为M IG焊枪及激磁线圈,焊接电源采用德国CLOOS2 503焊机,试验材料为LY12铝合金,保护气体选用工 业纯氩,气体流量为20 L /min.焊接速度8. 2 m /min, 焊接电流为60 A,分别在不加磁场和加间歇交变纵向 磁场的条件下施焊。 图7 试验装置 图8为不加磁场和加有磁场时铝合金焊缝截面比 较,显而易见,加磁场的焊缝熔深要比不加磁场的焊缝 熔深小。通过调节磁控电源的频率、 占空比及激磁电 图8 铝合金焊缝截面 流,可以改变外加磁场的参数,从而得到满意的焊缝。 6 结 论 (1)所研制的焊接磁搅拌装置具有体积小、 质量 轻、
15、 动态性能好等优点,电流波形为方波,恒流稳定,参 数调节方便。 (2)试验结果表明,铝合金M IG焊时加入纵向磁 场,改善了熔池形态和焊缝成形。 (3)该磁搅拌装置可用于TIG焊、M IG焊、 等离子 弧焊等多种焊接方法的磁场控制。 参考文献 1 江淑园,陈焕明,刘志凌.磁控技术在焊接中的应用及进 展J .中国机械工程, 2002, 13(21) : 1 876 - 1 880. 2 常云龙,宋文清,张建民,等.逆变方波焊接电磁搅拌电源 研究及应用J .焊接技术, 2005, 34(1) : 36 - 37. (收稿日期 2006 03 01) 作者简介: 常云龙, 1963年出生,工学博士,
16、教授。研究方向 为新型焊接电源及焊接过程自动化。 焊工技术问答 问:采用直流电焊接时为什么要选择极性?怎样选择和鉴别? 答:直流弧焊电源有正、 负两极。焊接时,当电源的正极与 焊件相接称为正接法;电源的负极与焊件相接称为反接法。由 于电源的正极部分放出的热量比负极部分高,所以正接时焊件 的温度较高,可以加快焊件的熔化速度和增大熔深。反接时焊 条的温度高,熔化快、 有利于电弧稳定燃烧。 采用直流弧焊电源焊接时,可根据焊条的类型和焊件所需 的热量来选用正接法或反接法。如用碱性低氢型焊条焊接时, 选用反接法;焊接厚板时,选用正接法;而焊接铸铁、 有色金属 时,则选用反接法。 直流弧焊电源输出端接线板
17、上一般均标明两个端点的极 性,但有时也需要自行鉴别其极性,鉴别方法如下: (1)直流电压表鉴别法:将直流弧焊电源两极接于量程等 于或大于100 V的直流电压表的正负两接线柱上。若表针顺时 针转动,则说明焊机与电压表正极相接的一端是正极,另一端则 是负极。 (2)碳棒鉴别法:将碳棒与焊件分别与直流弧焊电源两输 出端相接并引弧。如果电弧燃烧稳定,将电弧拉长到4050 mm也不熄灭,熄弧后碳棒端面光滑,则说明是正接,即碳棒一 端接的是负极。若电弧引燃后不稳定,电弧稍一拉长就熄灭,碳 棒易发红,熄弧后碳棒端面不整齐,则说明是反接,即碳棒一端 接的是正极。 (3)碱性焊条鉴别法:将碱性焊条与焊件分别连接于两极 之后,如碱性焊条焊接时,电弧燃烧不稳定,飞溅很大,声音暴 躁,说明是正接法;反之,电弧燃烧稳定,飞溅很小,声音平和,则 为反接法。 04焊接 2006 (5) 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/