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第十章 二氧化碳氣體保護焊機工作原理第一節(jié) 二氧化碳氣體保護焊機的特點與一般要求一、二氧化碳氣體保護焊機的一般結(jié)構(gòu)圖 二氧化碳氣體保護焊即熔化極惰性氣體保護焊，指用金屬熔化極作電極，惰性氣體 （CO2）作焊接方法，簡稱 MIG。 相對于其它弧焊機，MIG 焊機添加了送絲結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的送絲控制電路，在焊接過程中實 現(xiàn)了半自動化，不但提高了效率，也減少了損耗。焊接過程中使用廉價的 CO2 氣體作保護， 使得起弧容易，焊接成本低而效果好。而且，送絲速度、輸出電壓可調(diào)節(jié)，可使兩者達到良 好匹配，提高了焊接質(zhì)量，適用于各類焊接。 MIG 機的送絲方式一般有三種：推絲式、拉絲式、推拉結(jié)合式，不同的送絲方式對送絲 的軟管要求各不相同。對于推絲式送絲軟管一般在 2.5 米左右，而推拉結(jié)合式的送絲軟管可 達 15 米，為了保正送絲穩(wěn)定，相應(yīng)的送絲電機和送絲控制電路都要求嚴格。 二、MIG 焊的特點 ，工作 1、 工作效率高：CO2 的電弧穿透力強、熔深池大、焊絲熔化率高、熔敷速度快、 效率比手工弧焊高 1~3 倍； 2、 焊接成本低：CO2 氣體是工廠的副產(chǎn)品，來源廣、價格低。其成本只有埋弧焊和手工 焊的 40%~50%左右。

3、 能耗低： 相同條件下，MIG 焊與手弧焊相比，前者消耗的電能約為后者的 40%~70%。 4、 適用范圍廣：MIG 焊能焊接任何位置，薄板可焊致電 1mm，最厚幾乎不受限制。而 且焊接薄板時，較氬氣焊速度快、變形小。 5、 抗銹能力強：焊縫含氬量低，抗裂性好。 6、 焊后無需清渣一氧化碳報警器，因是陰弧，便于監(jiān)視和控制，便于實現(xiàn)自動化。 三、MIG 焊機的一般要求 1、MIG 焊機的焊接過程 ①起始時，焊絲由送絲機送出，接觸工件； ②焊絲與工件短路，產(chǎn)生大電流，使得焊絲頂端熔化； ③焊絲與工件間形成電?。?④焊絲送出，電弧變短； ⑤焊絲再次接觸工件。如此周而復(fù)始。 2、MIG 焊機的一般要求 在焊接過程中，電弧不斷地燃弧、短路、重新引弧，燃弧如此周而復(fù)始，從而使得弧 焊電源經(jīng)常在負載短路，空截三態(tài)間轉(zhuǎn)換，因此，要獲得良好的引弧，燃弧和熔滴過渡狀 態(tài)，必須對電源的動特性提出如下要求： ①焊接電壓可調(diào)，以適應(yīng)不同焊接需求； ②最大電流限制，即有截流功能，避免因短路、干擾而引起的大電流損壞機器，而電 流正常后，又能正常工作； ③適合的電流上升、下降速度，以保證電源負載狀態(tài)變化，而不影響電源穩(wěn)定和焊接 質(zhì)量； ④滿足送絲電機的供電需求； ⑤平穩(wěn)可調(diào)的送絲速度，以滿足不同焊接需求，保證焊接質(zhì)量； ⑥滿足其它焊接要求，如手開關(guān)控制，焊接電流、電壓顯示，2T/4T 功能，反燒時間 調(diào)節(jié)，焊絲選擇，完善的指示與保護系統(tǒng)等等。

第 39 頁 共 47 頁3、MIG 焊電源的外特性曲線 由于 MIG 焊接電源的負載狀態(tài)不斷地在負載、短路、空截三態(tài)間轉(zhuǎn)換（其輸出電壓、 電流特性曲線如圖 10.1） ，為了得到適宜的輸出和良好的焊接效果，采用了具有圖 11.2 的 外特性的焊接電源。? 10.1? 10.2采用恒速送絲配合如圖 10.2 的平臺型外特性電源的控制系流，有以下優(yōu)點： ①弧長變化時引起較大的電流變化，因而電弧自調(diào)節(jié)作用強，而且短路電流大，引弧 容易； ②可對焊接電壓和焊接電流單獨加以調(diào)節(jié)。通過改變占空比調(diào)節(jié)電壓，改變送絲速度 來調(diào)節(jié)電流，兩者間相互影響小； ③焊接電壓基本不受焊絲伸出長度變化的影響； ④有利于防止焊絲回?zé)驼辰z。因為電弧回?zé)龝r，隨著電弧拉長，電弧電流很快減小， 使得電弧在來回?zé)綄?dǎo)電嘴前已熄滅，焊絲粘絲時，平特性電源有足夠大的短路電 流使粘接處爆開，從而可避免粘絲。第二節(jié)MIG 焊機控制板電路工作原理一、他激式輔助電源工作原理 他激式輔助電源工作原理 1、3843 集成脈寬調(diào)制器工作原理 集成脈寬調(diào)制器工作原理： 、 通常采用脈寬調(diào)制器調(diào)節(jié)脈寬，以達到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的；反之，通過反饋的方 式，可以把對輸出電 壓的采樣信號反饋到 脈寬，調(diào)制器中，利 用脈寬調(diào)制器的特性 控制開關(guān)電源的開 關(guān)，從而達到穩(wěn)定輸 出的脈寬。

3843 集成 脈寬調(diào)制器是一種單 端輸出電路控制型電 路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 如圖 10.3 所示：第 40 頁 共 47 頁工作原理： ①供電：電源由 7 腳輸入，在施密特觸發(fā)器的控制下，電源電壓大于 16V 時，芯片工 作，低于 10V 時關(guān)閉。6V 的啟動、關(guān)閉的差值電壓可有效防止電路在閥值電壓附近 工作時振蕩。輸入端設(shè)置了一個 34V 的齊納穩(wěn)壓管，保證其內(nèi)部電路絕對在 34V 以 下工作，防止高壓損壞。通常，從高壓輸入端用電阻分壓后供給 7 腳。 ②振蕩信號的產(chǎn)生：其振蕩器的工作頻率由 4 腳外接的電阻、電容值決定，由 8 腳供 給振蕩的電源。通常，在 4 腳與地間接電容，4 腳與 8 腳間接電阻，其振蕩頻率 5=1/T=1/（tc+td） （tc、td 分別為電容充放電時間） ③輸出控制：輸出信號的控制由誤差放大器、電流比較器、鎖存器完成。分述如下： 誤差放大器： 其同相輸入端接內(nèi)部+2.5V 基準(zhǔn)電壓， 反相輸入端接受外控制信號。 誤差放大器： 輸出端通常接補償 R、C 回路，R、C 回路接到反相輸入端，以控制廣大器閉環(huán)增益， 并起到穩(wěn)定的作用。 電流比較器： 電流比較器：用于電流感應(yīng)和限制，防止過大電流損壞外部電路，通常，在 3 腳 處接一采樣信號（可通過電阻接地把外部電路電流轉(zhuǎn)為電壓信號） ，其與誤差放大器 的輸出電壓經(jīng)兩個二極管降壓后所得的電壓進行比較。

鎖存器： 鎖存器：加入鎖存器可以保證輸出端在每一振蕩周期內(nèi)僅出現(xiàn)一個單控制脈沖， 防止了噪聲干擾和開關(guān)管的超功耗。 由圖可知， 由圖可知，當(dāng)電流比較器輸出高電平時，鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出（與非門輸出低 電平、三極管截止） ，至下一個時鐘脈沖中又將鎖存器位置，輸出開啟（高電平） 。 ④脈寬調(diào)制：3843 脈寬調(diào)制器的 6 腳外接開關(guān)器件，當(dāng)開關(guān)器件流過的電流改變（因 負載變化）時，3 腳所采樣到的電壓信號也隨之改變，通過電流比較器，就能改變 輸出脈沖寬度，從而調(diào)節(jié)開關(guān)管導(dǎo)通時間，即占空比。 2、他激式開關(guān)電源工作原理： 、他激式開關(guān)電源工作原理： 圖 10.4 為他激式開關(guān)電源原理圖:圖 10.4 工作原理： 工作原理： (1) 充能：主電源開關(guān)閉合后，電源經(jīng)變壓器 T 的初級線圈 N1 供電給功率開關(guān)管 Q1 的 漏極。同時，UC3843 集成 PWM 的 7 腳也獲得電源電壓經(jīng)分壓后（R1、R2、R3 分 壓） ，大于 16V 的電壓，芯片工作，6 腳輸出幅值為 12V 的脈沖，使得開關(guān)管 Q1 導(dǎo) 通。此時，電源給 N1 充電，電能轉(zhuǎn)化為磁能儲存于變壓器中。第 41 頁 共 47 頁(2) 開關(guān)管斷開： 3843 的 6 腳輸出脈沖的頻率由內(nèi)部電路的振蕩頻率 （由 C6 和 R8 決定） ， 經(jīng)一定時間，第一個高電平結(jié)束，轉(zhuǎn)為輸出低電平，使開關(guān)管截止。

(3) 放能：開關(guān)管 Q1 截止，由于電感（線圈 N1）的續(xù)流作用，N1 繼續(xù)給電容 C8 和 Q1 的漏電容 cds 充電。此時，在 N1 上的電壓方向為上負下正，而 N2 上的感應(yīng)電動勢 方向為上正下負，二極管 D4 導(dǎo)通，給負載供電并向 C10 充電。由于穩(wěn)壓管 D5 的穩(wěn) 而 （續(xù) 壓鉗住作用，使得 N1、 N2 上的電壓不會太高， N1 上的電壓也不會因電感特性 流）而產(chǎn)生尖鋒而損壞電路。 (4) 振蕩：變壓器初級線圈在向負截供電的同時也給電容 C8、cds 充電。當(dāng)電容兩端的電 壓大于 N1 上的電壓時，電容反向向電感供電，能量由電容向電感和電源轉(zhuǎn)移，等到 兩者的端電壓的大小再發(fā)生變化時，電感向電容充能，如此反復(fù)，形成正弦振蕩（阻 尼振蕩） 而且， 。 每當(dāng)電容向電感充電時， 線圈都通過 N2 向負載供電并各電容 C10 N1 充電。 (5) 穩(wěn)壓輸出：在 N1 向 N2 供能時，負載從變壓器中得到能量，當(dāng) N2 上的感應(yīng)電動勢 反向（上負下正）時，電容 C10 向負載供電，從而，在負載上得到穩(wěn)定的電壓供給。 (6) 開關(guān)管導(dǎo)通，再次充能：在 3843 的輸出脈沖控制下，開關(guān)管 Q1 再次導(dǎo)通，回復(fù)到 初始狀態(tài)。

如此周而復(fù)始，負載得到持續(xù)的穩(wěn)定的能量供給。 (7) 穩(wěn)壓：當(dāng)負載變化時，輔助電源（他激式開關(guān)電源）的輸出電壓、電流都將發(fā)生變化。 此時， 3843 芯片 2 腳采樣到的電壓信號 （通過 N1 和 N3 采樣） 以及 3 腳的電平值 （輸 出電流反映到 N1 上的電流在 R12 而形成的壓降）也隨之改變，從而，3843 內(nèi)部的電 流比較器輸出值也發(fā)生改變，由此而改變了 6 腳的輸出脈寬。例如：當(dāng)負載變大時， 電流變小，使得 3843 內(nèi)部的電流比較器輸出低電平，使鎖存器鎖存，降低占空比， 開關(guān)關(guān)斷時間長，使得振蕩次數(shù)加大，負載獲得的能量變大，保證了負載的需求。 (8) 過壓、過流保護：如果輸入電壓過高，在開關(guān)導(dǎo)通時，在 N2 上感應(yīng)到的感應(yīng)電動勢 過高二氧化碳氣體保護焊機只出絲不打火是怎么回事，使得 D6（27V）穩(wěn)壓管被擊穿，光耦 U2 動作，觸發(fā)可控硅 VS，可控硅陰陽 兩極導(dǎo)能，拉低 3843 的 7 腳電位，芯片停止工作。如果因漏感作用干擾或不正常輸 入使得開關(guān)管漏源電流過大，此時，在 R12 上形成的壓降也變大，3843 內(nèi)部的電流 比較器的同相輸入端（3 腳）電位變高，當(dāng)大于 1V 時，電流比較器輸出翻轉(zhuǎn)，變?yōu)?高電平二氧化碳氣體保護焊機只出絲不打火是怎么回事，使得鎖存器鎖住，芯片輸出低電平，關(guān)閉開關(guān)管，從而保護了功率開關(guān)管。

(9) 輔助電路：線圈 N3 及 D2、C2、R5 組成一個濾波電路，吸收因電感作用而產(chǎn)生的電 流尖鋒（當(dāng) N1 電流方向改變時，由于電感續(xù)流和漏感的作用，會產(chǎn)生尖鋒）避免開 關(guān)管造成誤動作，D1、C1 及 R4 組成的電路也具有同樣的功效。 線圈 N4、D7、D8、R15、R16 組成的電路具有電網(wǎng)補償?shù)淖饔?。接上一定的控制?路， 可以控制因電網(wǎng)波動而引起輔助電源的輸出值。 其輸出與整機電路的給定值疊加， 通過反饋的形式，可以控制輸出值，從而避免因輸入波動而改變電流的輸出值。 在輸出端接有 7812 集成穩(wěn)壓器件，可以輕易得到 Q2 的直流穩(wěn)壓電，以滿足不 同負載的需求。 (10)特征波形：當(dāng)負載變化時，3843 的輸出脈沖的脈寬、電流比較器的同相輸入信號， 開關(guān)管漏極波形都隨著改變，反應(yīng)了電路對輸出變化的應(yīng)變能力和調(diào)整能力。 當(dāng)負載變大時，脈沖變窄，開關(guān)管的導(dǎo)通時間變短，則線圈 N1 與電容 C8、cds 間的 振蕩次數(shù)變多，這樣，負載獲得能量補充的次數(shù)也變多，一周期內(nèi)獲得能量變大。 當(dāng)負載變小時，脈沖變寬，開關(guān)管導(dǎo)能野變長，線圈 N1 所獲得的能量雖然加大，但 其供給負載的變小。

這樣，在負載的輸入端，就能得到穩(wěn)定的電壓供給。而且，開 關(guān)管的控制脈沖的脈寬與輸出的波動有良好的線性關(guān)系，所以，電路對負載的反應(yīng) 靈敏，線性調(diào)整好。 此種輔助電源因輸出電流較大、功率在，適用于大功率的機器。第 42 頁 共 47 頁第三節(jié)一、送絲控制功能的一般要求 送絲控制功能的一般要求送絲機構(gòu)MIG 焊機采用自動送絲的焊接方式，其要求： 1、焊絲的送出速度可調(diào)，以滿足不同的環(huán)境、人為要求； 2、送絲速度平穩(wěn)，以達到良好的焊接效果； 3、盡可能短的送絲停止時間，即急剎車功能； 另外：送絲控制與開關(guān)控制是同步的硫化氫報警器，為了方便控制，在送絲板電路中，包含了手 開關(guān)控制電路，MIG 焊機要求手開關(guān)具有： ①靈敏的送絲起動、剎車控制； ②適宜的輸出電流延時、封波控制； ③靈敏、可靠、適宜的通斷氣體控制。 二、送絲機構(gòu)控制電路工作原理 脈寬調(diào)制器（ 1、TL494 脈寬調(diào)制器（PWM）工作原理。 、 ）工作原理。 與其它控制電路相似，為了滿足良好焊接對送絲的要求，送絲機構(gòu)控制電路也采用了調(diào) 節(jié)脈寬輸出（送絲速度）并輸出反饋而穩(wěn)定輸出的方式。MIG 焊機的送絲控制電路采用 TL494PWM 作為主控器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 10.6 所示。

工作原理： ①振蕩信號產(chǎn)生：TL494 中有一振蕩器，其振蕩信號由陰容器件產(chǎn)生，其振蕩頻率由外 接的電容的充放電決定，f=1/（tc+td） （tc、td 分別為電容充放電時間） 。 ②脈寬控制：與 CW3525 類似，通過改變基準(zhǔn)電壓的方式改變運放輸出脈寬。即把振蕩 信號（鋸齒波）由反相輸入端送入 PWM 比較器（運放） ，可調(diào)（控制）的基準(zhǔn)電壓由 PWM 比較器的同相輸入端輸入。只需改變外電路的給定值，即可調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓，從而 調(diào)節(jié)脈寬。 ③死區(qū)時間控制：TL494 較 CW3525 更優(yōu)秀的一點在于增添了一個死區(qū)比較器，它可以 控制兩路輸出脈沖之間的死區(qū)時間，以滿足不同開關(guān)的需求。它與 PWM 比較器的輸 出（都為脈沖信號）作為數(shù)字與門的兩個輸入信號，只要有一比較器輸出低電平，即 中鎖住鎖存器輸出，而死區(qū)時間比較器與 PWM 比較器的輸出狀態(tài)都受到振蕩信號和 基準(zhǔn)電壓的控制，這樣，改變死區(qū)比較器某一輸入端的值，即可改變其與另一輸入端 的輸入值之間的關(guān)系（大于、等于或小于） ，從而改變死區(qū)時間比較器的輸出狀態(tài)。通 常，在死區(qū)時間比較器的同相輸入端（TL494 的 4 腳）外接電阻，以外電路電流在該 電阻上形成的壓降作為比較器的同相輸入，即以之控制死區(qū)時間，這樣，改變外接電第 43 頁 共 47 頁阻的值即可改變死區(qū)時間。

另外，它還可以設(shè)計成電源軟起動控制及不死保護控制電 路等。 ④輸出穩(wěn)定控制：調(diào)節(jié)輸出脈寬可通過改變 PWM 比較器的同相輸入端（3 腳）的值來實 現(xiàn)，但由于電網(wǎng)波動，負載變化等因素，會導(dǎo)致輸出電壓、電流變化。于是為穩(wěn)定輸 出，TL494 通過運放對輸出回路進行采樣，采樣的值與設(shè)定的穩(wěn)定的一個基準(zhǔn)電壓比 較（運放映機的輸出） ，比較后的值疊加在給定值上，從而控制輸出脈寬，由于這樣的 采樣控制是一個負反饋過程，能適當(dāng)改變脈寬，使得輸出穩(wěn)定。另外，雙運放比較輸 出形成還能完成過電流保護等功能。 ⑤輸出方式控制：輸出方式由 13 腳的電平值決定。當(dāng)該端為高電平時，兩路輸出分別由 觸發(fā)器的 Q 和 G 端控制，形成雙端輸出方式，當(dāng) 13 腳為低電平時，觸發(fā)器失去作用， 兩路輸出同時同 PWM 比較器后的或門輸出控制，同步地工作，兩路并聯(lián)輸出。兩路 并聯(lián)輸出時，輸出驅(qū)動電流較大。 2、手開關(guān)控制電路工作原理 、 圖 10.8 是 MIG 焊機手開關(guān)控制原理圖，它完成手開關(guān)通斷控制，2T、4T 轉(zhuǎn)換，電磁閥 的通斷控制等功能。圖 10.8 ①手開關(guān)的開通與關(guān)斷狀態(tài) 當(dāng)手開關(guān)合上時， 的反相輸入端電位變低 UB （V=12/51+5.1+1+1×(5.1+1+1)≈1.45V） 低于 4V 時，UB 輸出高電平（12V） ，使得電壓跟隨器 UA 也輸出高電平。

當(dāng)手開關(guān)打開時， 12V 直流電直接加到 UB 的反相輸入端， UB 的輸出變?yōu)榈碗娖剑?使 同時，UB 也輸出低電平（零電位） 。 另外：在手開關(guān)處對電源接有兩個二極管（D1、D2） ，是為了防止手開關(guān)抖動而產(chǎn)生 誤導(dǎo)而設(shè)置的。由于焊接工人或其它原因，手開關(guān)產(chǎn)生抖動時，接觸觸點后又馬上斷開， 這時，觸點上便產(chǎn)生很大的電壓，使得二極管導(dǎo)通，而不致于使 UB 因高電壓損壞或因 手開關(guān)抖動而改變輸出狀態(tài)。 ②2T、4T 轉(zhuǎn)換控制： 由圖中可看出，當(dāng) 2T/4T 開關(guān)打到 2T 時，12V 電源加到 D 觸發(fā)器的復(fù)位端（R） ，使 得 D 觸發(fā)器復(fù)位，不工作，輸出零電平。同時，使電壓跟隨器 UD 也輸出零電平。即手開 關(guān)合上時，電磁閥控制電路（Q1、R13、C2、Q2 等組成）有輸入信號，而手開關(guān)打開時， 無輸入信號，即 2T 功能。第 44 頁 共 47 頁當(dāng) 2T/4T 開關(guān)打到 4T 時，觸發(fā)器正常工作。手開關(guān)合上時，UB 輸出狀態(tài)由低電平轉(zhuǎn) 為高電平，使得 D 觸發(fā)器觸發(fā)，輸出高電平，手開關(guān)打開，UB 的輸出狀態(tài)由高電平（ “1” ） 轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑?“0”，但 D 觸發(fā)器是在脈沖的上升沿觸發(fā)點，此時 D 觸發(fā)器輸出狀態(tài)保 ） 護高電平。

而 Q 為低電平，D 為高電平。當(dāng)手開關(guān)再次按下時，時鐘脈沖由低（ “0”，變 ） 高（ “1”，D 觸發(fā)器觸發(fā)，而 D 輸入端為高電平，由 Qn+1=Dn 可知，輸出仍為高電平。 ） ③電磁閥的開關(guān)控制： 電磁閥的開關(guān)控制電路由 Q1、R13、C2、Q2 組成，當(dāng)手開關(guān)控制電路輸出高電平信 號時，使得 Q1 導(dǎo)通，給電容 C2 充電，使得開關(guān)管 Q2 的柵極電位升高而導(dǎo)通，24V 直流 電壓使得電磁閥動作，讓氣體通過。 當(dāng)手開關(guān)打開后，手開關(guān)控制電路無輸出（輸出低電平） ，使得 Q1 截止，但于電容 C2 的儲能作用，Q2 仍然導(dǎo)通，電容 C2 通過 R13 緩慢放電，當(dāng)電容 C2 的端電壓降到一定 程度時，電磁閥關(guān)閉，停止供氣。實現(xiàn)氣體的延時，保證焊接質(zhì)量，其延時時間取決于 電容 C2 與電阻 R13 的值的大小。 ④反燒時間控制電路： 其作用是使焊機有一個適當(dāng)?shù)耐娧訒r，使焊機在手開關(guān)斷開后，仍保持供電，避 免焊絲在送絲機的慣性作用下送出而扎到熔池里或在焊絲端頭結(jié)成金屬球，影響下次焊 接。 其原理是調(diào)節(jié)使電流延時適當(dāng)?shù)臅r間，使得在送絲機慣性作用下送出的焊絲完好地 熔化到焊縫里。

因為反燒是在手開關(guān)的控制之下。當(dāng)手開關(guān)關(guān)斷時，Q1 截止二氧化碳氣體保護焊機只出絲不打火是怎么回事，而 Q2 導(dǎo)通，電容 C2 放電，使得 RW1 的非可變端（穩(wěn)壓管的負端）電位上升，當(dāng)上升到超過 5.1V 時，Q3 導(dǎo) 通，從而使得 Q3 集電極位變低，通過控制電路，使得控制芯片 3525 8 腳的電位被拉低， 停止輸出（封波） 。由于電容 C2 和 RW1 的關(guān)系電位器非可變端的電位緩慢上升，使得手 開關(guān)關(guān)斷時，使得芯片 3525 并非馬上封波而停止主電路輸出，而是經(jīng)過一定的時間，該 時間由 C2 及 RW 的值決定，這樣，調(diào)節(jié) RW 的值即可調(diào)節(jié)電流延時時間，即反燒時間。第 45 頁 共 47 頁