聶 琴

（鶴壁高級(jí)技工學(xué)校，河南鶴壁 458030）

使用高熔點(diǎn)的鎢棒作焊槍的電極，利用氬氣作為保護(hù)氣體的氣體保護(hù)焊，稱為鎢極氬弧焊，即TIG焊。TIG焊配用的焊機(jī)有交流、直流和脈沖直流3種類型，其共同之處是:使用非接觸式引弧，即在引弧時(shí)，起動(dòng)裝在焊機(jī)內(nèi)的高頻高壓引弧脈沖振蕩器，使之在焊槍鎢極與焊件之間產(chǎn)生幾千伏高壓的高頻放電火花，火花引燃焊接電弧;其區(qū)別之處是:交流TIG電源內(nèi)部配有穩(wěn)弧脈沖振蕩器，以保證交流TIG焊的穩(wěn)定。在對(duì)TIG焊接電源維修中發(fā)現(xiàn)，以TIG焊引弧和穩(wěn)弧裝置的故障維修居多，又以分析其電路原理最難。以下就這方面談?wù)勛约旱囊恍└形颉?/p>

1 直流TIG焊機(jī)中引弧脈沖裝置的原理和故障排除

1．1 引弧脈沖的產(chǎn)生機(jī)理

1．2 引弧脈沖裝置的具體應(yīng)用

在圖2中，線框中的電路部分制作在一塊印制線路板上，主要用于氬氣的自動(dòng)供給;線圈YV是供氣繼電器線圈，受繼電器KM4的常開觸點(diǎn)KM4－1控制。分析圖2得知，引弧脈沖振蕩器要工作，必須使繼電器KM5的線圈得電，KM5的常開觸點(diǎn)閉合，促使升壓變壓器TB的初級(jí)得電。由電路可知，繼電器KM5的線圈得電，又需常開觸點(diǎn)KM1－2、KM3－1閉合。引弧脈沖振蕩器的具體工作過程是:合上電源開關(guān)QK，110 V交流電經(jīng)熔斷器FU，保護(hù)開關(guān)SS或氣冷、水冷選擇開關(guān)SA1（用氣冷時(shí)，閉合開關(guān)SA1;用水冷時(shí)，斷開開關(guān)SA1，水壓正常后，水壓會(huì)使保護(hù)開關(guān)SS閉合），向后級(jí)供電:經(jīng)電阻R1限流，工作指示燈HL1點(diǎn)亮，指示電焊機(jī)可以啟動(dòng)工作了;使控制變壓器T1初級(jí)得電，變壓后，經(jīng)整流器（VD1～VD4）整流，輸出直流電壓UCD，向多個(gè)控制電路供電;還做好了向高頻高壓引弧脈沖振蕩電路供電的準(zhǔn)備。具體控制過程如下:

（1）如果進(jìn)行“短焊”，就將短、長焊選擇開關(guān)SA2置于短焊檔，開關(guān)SA2呈斷開狀態(tài)。開始焊接時(shí)，按下焊接手把上的微動(dòng)開關(guān)SM，繼電器KM1線圈得電（正極端C→KM1線圈→常閉觸點(diǎn)KM2－4→微動(dòng)開關(guān)SM→常閉觸點(diǎn)KM2－3→負(fù)極端 D），繼電器KM1吸合，其常開觸點(diǎn) KM1－1、K KM1－2、KM1－3和 KM1－4隨之閉合:KM1－3閉合，使 VT1和 VT2導(dǎo)通，進(jìn)而接通繼電器 KM4，繼電器 KM4接通后，其常開觸點(diǎn) KM4－1和 KM4－2閉合，KM4－1閉合導(dǎo)致電磁氣閥線圈YV通電，開始供氬氣，此時(shí)指示燈HL2點(diǎn)亮;KM1－4閉合，促使控制焊接電源的主接觸器吸合，直流焊接電源正常工作，但電弧未引燃，A、B兩端電壓較高，接觸器KM3吸合（電弧未引燃時(shí)，焊接電源輸出端的電壓高，引燃后，其電壓降低，這是由焊接電源的下降外特性決定的。正極A→KM3線圈→R9→KM3－3→UAB→負(fù)極 B），進(jìn)而繼電器 KM5得電工作，接通了高頻振蕩器，使焊件與電極之間的空氣擊穿，引燃電弧。電弧引燃后，焊接電源輸出端的電壓（即電弧兩端的電弧電壓）降低，繼電器KM3因電弧電壓降低而釋放，KM3的常開觸點(diǎn)恢復(fù)開路，繼電器KM5的線圈失電，KM5的常開觸點(diǎn)也恢復(fù)開路，TB也就失電，使高頻引弧振蕩器停止工作，標(biāo)志著正常焊接開始了。焊接將近結(jié)束時(shí)，松開手把上的微動(dòng)開關(guān)SM，KM1釋放，整流弧焊機(jī)的輸出電壓逐步衰減，直至電弧熄滅。此時(shí)，KM4由于電容C8的放電而仍然吸合，繼續(xù)提供氬氣保護(hù)，直至KM4釋放，氣閥關(guān)閉，氬氣供給停止。

（2）如果進(jìn)行的是“長焊”，將開關(guān)SA2置于長焊檔，開關(guān)SA2閉合。按下焊把上的微動(dòng)開關(guān)SM，繼電器KM1吸合，電流路經(jīng)為:正極端C→KM1線圈→常閉觸點(diǎn)KM2－4→微動(dòng)開關(guān)SM→常閉觸點(diǎn)KM2－3→負(fù)極端D，隨之KM1－1閉合。松開微動(dòng)開關(guān)SM的瞬間，繼電器KM2吸合，電流路徑為:正極端C→KM1線圈→觸點(diǎn) KM1－1→KM2線圈→負(fù)極端 D，此時(shí)，KM1線圈與KM2線圈串聯(lián)且均吸合，常開觸點(diǎn) KM2－2和 KM2－5閉合，常閉觸點(diǎn) KM2－3和 KM2－4斷開。電焊機(jī)進(jìn)入長弧工作狀態(tài)。當(dāng)熄弧時(shí)，再次按下焊接手把上的微動(dòng)開關(guān)SM，微動(dòng)開關(guān)SM將KM1的線圈短路，使KM1的線圈失電，控制焊機(jī)主接觸器的常開觸點(diǎn)KM1－4恢復(fù)開路，焊機(jī)也失去供電，電弧熄滅。

1．3 故障診斷實(shí)例

例1:我市通用機(jī)械廠一臺(tái)NSA4－300型手工直流TIG焊機(jī)，出廠日期為2007年6月，最近突然出現(xiàn)引弧時(shí)只聽到控制箱中的高頻“嗤嗤”火花放電響聲，可是在焊槍鎢極與焊件之間沒有火花，不能引弧。

故障分析:從上述焊機(jī)故障現(xiàn)象來看，焊機(jī)的高頻振蕩電路本身沒有故障，因?yàn)樵跈C(jī)殼外部能聽到火花放電的“嗤嗤”聲，說明L－C振蕩電路已經(jīng)正常地振蕩起來，并且很強(qiáng)烈。那么，致使焊槍的鎢極與焊件之間沒有火花的原因可能在以下2個(gè)方面（圖2）:

（1）高頻振蕩器中耦合變壓器T2的磁路或二次繞組有故障，沒能將高頻振蕩信號(hào)感應(yīng)到振蕩器的輸出端上來。一般在焊機(jī)的負(fù)極輸出端串聯(lián)高頻引弧耦合變壓器，與并聯(lián)相比，提高了高頻火花的強(qiáng)度，但是，串聯(lián)接法要求耦合變壓器T2的二次繞組須用與焊接電路同樣粗的電纜線來繞之，T2的體積也要大許多。鑒于以上實(shí)際情況，故障點(diǎn)具體可能為:①可能是耦合變壓器的磁力（鐵氧體磁環(huán)）開裂（占結(jié)的半圓磁環(huán)可能因?yàn)檎辰觿├匣Ф_裂，也有可能受力作用產(chǎn)生脆裂），使T2的高頻磁通很弱;②可能是T2的二次繞組線圈兩端的接頭有開焊、虛焊或螺釘松脫掉頭現(xiàn)象。

（2）高頻信號(hào)傳輸電路的故障。這部分出故障，常見的有以下4個(gè)方面:①耦合電容C5、C6失效，致使高頻電路斷路;②耦合電容器與焊接電路連接不良，如斷頭、虛焊、螺釘松脫及接頭氧化電阻增大等，都會(huì)使電路不通或電阻增大，從而對(duì)高頻信號(hào)的傳輸產(chǎn)生影響;③高頻電流分流也可能產(chǎn)生對(duì)信號(hào)傳輸影響。高頻信號(hào)在傳輸過程中，電路與其他導(dǎo)線或金屬纏繞靠近，使高頻電流形成分路傳導(dǎo)或感應(yīng)而泄露，這樣引弧的高頻火化極度減弱，甚至不能夠引弧;④高頻電路過長即焊接電纜及地線過長時(shí)對(duì)信號(hào)電壓的影響。如果焊接電纜及地線過長，高頻振蕩器輸出端至焊接電路的連接導(dǎo)線也過長，這樣構(gòu)成的高頻信號(hào)傳輸總電路的電阻必然很大，導(dǎo)致高頻振蕩器的輸出信號(hào)電壓UG衰減嚴(yán)重。

故障排除方法:根據(jù)以上故障分析，檢查了磁環(huán)和耦合變壓器的二次側(cè)導(dǎo)線接頭，完整良好，無開裂和松動(dòng)現(xiàn)象，焊接電纜和搭鐵線長度與故障出現(xiàn)前一樣，沒有加長，也沒有與其他金屬物纏繞，仔細(xì)檢查耦合電容器C5、C6的焊點(diǎn)和周圍導(dǎo)線接頭，均沒發(fā)現(xiàn)異常。試探著更換耦合電容器C5、C6，焊機(jī)恢復(fù)正常。

2 交流TIG焊機(jī)中，引弧、穩(wěn)弧脈沖裝置的原理和故障診斷

2．1 交流TIG焊機(jī)維修基礎(chǔ)

與直流TIG焊機(jī)相比有兩大特點(diǎn):（1）工頻交流電流每秒鐘按正弦曲線規(guī)律變化50次、經(jīng)過零點(diǎn)100次（圖3），所以電弧在每一個(gè)周期里（尤其在負(fù)半波）都要重新引燃，致使電弧燃燒時(shí)不穩(wěn)定。為了保證焊接電弧的穩(wěn)定，在交流TIG焊機(jī)中都設(shè)置了引弧和穩(wěn)弧的脈沖電路;（2）在使用交流TIG焊機(jī)焊接鋁、鎂及其合金時(shí)，使用如圖3所示的電源波形供電:在正半波時(shí)鎢極為負(fù)，由于鎢的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)高，導(dǎo)熱性能差，所以鎢極溫度極高而尺寸又小，電子發(fā)射容易，其結(jié)果電弧的電壓低、電流大、導(dǎo)電時(shí)間長;在負(fù)半波時(shí)工件為負(fù)，工件熔點(diǎn)及沸點(diǎn)都低，同時(shí)尺寸大、散熱又快、電子發(fā)射困難，所以電弧電壓高、電流小、導(dǎo)電時(shí)間短。由于正負(fù)半波焊機(jī)電流不對(duì)稱，在交流TIG焊接回路中存在一個(gè)由于工件流向鎢極直流分流I，這種現(xiàn)象叫“電弧整流作用”。鎢極與工件的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、導(dǎo)熱性能差別越大，這種整流作用就越強(qiáng)，直流分量I也就越大。

因?yàn)榻涣鱐IG焊機(jī)多用于鋁、鎂及其合金的的焊接，簡單介紹這方面的一點(diǎn)常識(shí):鋁、鎂及其合金的焊接表面有一層致密的高熔點(diǎn)氧化膜，妨礙焊接正常進(jìn)行?？墒?，當(dāng)工件為負(fù)極時(shí)，被電弧分解形成質(zhì)量很大的氬正離子，以高速向陰極運(yùn)動(dòng)并撞擊陰極，可以破碎陰極上的氧化膜，使之被清除，形成表面美觀、成型良好的焊縫。氬離子對(duì)陰極工件的這個(gè)作用叫陰極破碎作用。

前述的直流分量I是因負(fù)半波焊接電流小及導(dǎo)電時(shí)間短而產(chǎn)生的，它會(huì)削弱陰極破碎作用，從而導(dǎo)致鋁、鎂及其合金的焊接困難。直流分流I形成的直流磁通會(huì)使焊機(jī)變壓器鐵芯易磁飽和，致使工作條件變壞，焊接電流畸變而影響電弧穩(wěn)定，還會(huì)使變壓器繞組加速發(fā)熱而溫升增大。因此，為了保證鋁、鎂及其合金工件的焊接質(zhì)量，改善焊機(jī)工作條件，在交流TIG焊機(jī)中都設(shè)有消除直流分量的裝置。常用的方法是在焊接回路中串聯(lián)電容，利用電容的隔直通交的特性，清除直流分量I。一般每安培焊接電流應(yīng)串聯(lián)300～400 μF的電容量。

在排除交流TIG焊機(jī)故障的思路背后，一定要有以上對(duì)交流TIG焊機(jī)的深刻認(rèn)識(shí)，有了此認(rèn)識(shí)，面對(duì)故障現(xiàn)象以及看原理圖和測量時(shí)就能做到重點(diǎn)突出、思路清晰、少走彎路。

圖3顯示:焊件電壓相對(duì)焊槍鎢極高，電壓為正，此時(shí)的半周為正極性半周;反之為負(fù)。理論上講，焊接電源提供的為正弦交流電u源，但實(shí)際的焊接電壓的波形是由u正和u負(fù)組成的，上下不對(duì)稱，左右也不對(duì)稱，從而造成焊接電流i（i負(fù)所示波形）正多負(fù)少。U引1、U引2均為穩(wěn)弧所用，正極性半周時(shí)的穩(wěn)弧脈沖U引1由正向焊接電壓提供，負(fù)極性半周時(shí)的穩(wěn)弧脈沖U引2由穩(wěn)弧脈沖裝置提供。在圖3中沒有顯示出引弧脈沖的波形，引弧脈沖的波形見圖4。

2．2 交流TIG焊機(jī)引弧、穩(wěn)弧脈沖裝置的工作機(jī)理

2．2．1 交流TIG焊機(jī)引弧裝置的工作機(jī)理

由圖5可見，電路中升壓變壓器T1可輸出800 V的高壓，經(jīng)整流橋整理，給電容C1充電，C1充滿最高可達(dá)1 120 V，C1上存儲(chǔ)的電能就是高壓脈沖的能源。當(dāng)需要引弧脈沖時(shí)，就使晶閘管VR觸發(fā)導(dǎo)通。C1上的高壓將通過VR向脈沖變壓器T2的一次線圈放電，形成脈沖。再由T2經(jīng)過1∶4升壓成為二次側(cè)的高壓脈沖（可達(dá)2～3 kV），經(jīng)串聯(lián)耦合給焊接回路，因而在鎢極與焊件之間，就有一個(gè)2～3 kV的高壓脈沖，可以擊穿氣隙而引燃電弧。C2的作用:串聯(lián)在焊接回路中用來消除直流分量。

工作中發(fā)現(xiàn)，如果引弧脈沖產(chǎn)生的時(shí)機(jī)不正時(shí)，即脈沖發(fā)生移相跑位，就會(huì)造成鎢極與焊件間有脈沖火花，但不能引弧。引弧脈沖何時(shí)產(chǎn)生最好?又是如何保證的呢?實(shí)驗(yàn)證明:引弧脈沖的最佳時(shí)刻是焊接空載電壓負(fù)半波波谷（90°相位）時(shí)刻，如圖4所示的A、B等波谷處，相當(dāng)于過零點(diǎn)后移90°相位。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖6所示。

圖6a是阻容移相電路，R1和C1串聯(lián)組成一級(jí)移相電路，為確保移相90°，由R2、RP和C2串聯(lián)組成二級(jí)移相電路，通過調(diào)節(jié)RP，使C2兩端電壓UC2的相位比電壓信號(hào)源兩端電壓UT1的相位滯后90°（逆時(shí)針相差90°）。UC2與UT1的波形一樣，用UC2去間接觸發(fā)圖5中的晶閘管VR要比用UT1滯后90°，從而滿足引弧高壓脈沖與電源電壓之間的相位關(guān)系。正常焊接中，引弧脈沖電路自動(dòng)停止工作。具體、完整的高頻高壓引弧脈沖裝置如圖7所示。

2．2．2 高頻高壓穩(wěn)弧脈沖裝置的工作機(jī)理

電弧一旦引燃，應(yīng)立即產(chǎn)生出穩(wěn)弧脈沖，解決電弧電流由正極到負(fù)極的過零點(diǎn)時(shí)，電弧重新引燃困難、電流出現(xiàn)斷續(xù)的現(xiàn)象（電弧電流由負(fù)極到正極的過零點(diǎn)時(shí)，電弧重新引燃容易，所以不需要穩(wěn)弧脈沖）。怎樣使穩(wěn)弧裝置準(zhǔn)確地產(chǎn)生高壓穩(wěn)弧脈沖呢?信號(hào)源取自哪里呢?

具體如圖8所示，穩(wěn)弧脈沖信號(hào)源取自電弧電壓，為防止高壓脈沖的沖擊，電弧電壓信號(hào)經(jīng)R3、C3和VS1組成的衰減器衰減之后，再向穩(wěn)弧脈沖觸發(fā)電路的VT1基極輸送。

當(dāng)焊件處于正極性半周內(nèi)時(shí)，VT1的基極電位為負(fù)（約為0．7 V左右，即穩(wěn)壓管VS1的正向壓降），VT1截止，R5上沒有電壓輸出，于是VR1不能觸發(fā)，脈沖發(fā)生電路不能工作。

當(dāng)焊件由正極性向負(fù)極性轉(zhuǎn)變時(shí)，焊接電流過零的瞬間，VT1的基極上輸入了一個(gè)正向的電壓信號(hào)，于是VT1導(dǎo)通，并在R5上輸出正電壓，使VR1觸發(fā)，C5經(jīng)晶閘管VR1、T2放電，并在T2的一次產(chǎn)生脈沖，同時(shí)在T2的二次產(chǎn)生雙脈沖，送往脈沖發(fā)生主電路，在T1次級(jí)（焊接電路中）產(chǎn)生高壓穩(wěn)弧脈沖，使電弧重燃，焊接電流連續(xù)了，電弧燃燒就穩(wěn)定了。

不難看出，在電路上，穩(wěn)弧脈沖和引弧脈沖雖然共用一套脈沖發(fā)生主電路，但是各自的觸發(fā)電路是分開的，引弧脈沖引弧成功后，自動(dòng)停止，穩(wěn)弧脈沖開始觸發(fā)并參與穩(wěn)弧。引弧脈沖和穩(wěn)弧脈沖的觸發(fā)時(shí)機(jī)也有所不同，引弧脈沖在負(fù)半周的波峰時(shí)刻，穩(wěn)弧脈沖在焊接電流的過零點(diǎn)（與時(shí)間軸的交點(diǎn)）。

2．3 故障診斷實(shí)例

例2:我市玄武巖石料廠的一臺(tái)NSA－500－1型手工交流鎢極氬弧焊機(jī)，焊機(jī)遭雨淋后引弧時(shí)聽不到引弧脈沖變壓器工作的“吱吱”響聲，無法引弧。

焊機(jī)故障分析:該焊機(jī)工作時(shí)，為了引弧和穩(wěn)弧，需要引弧脈沖電路連續(xù)工作，那么引弧脈沖變壓器T2工作時(shí)產(chǎn)生的“吱吱”聲就成為判斷其是否工作的一個(gè)很好標(biāo)志。上述故障焊機(jī)脈沖變壓器T2無“吱吱”聲，證明引弧脈沖主電路沒有工作，應(yīng)分別檢查引弧脈沖主電路和引弧脈沖觸發(fā)電路。首先檢查引弧脈沖觸發(fā)電路（圖8），測量C6兩端的電壓為3 V左右，證明脈沖觸發(fā)電路已工作。然后，用示波器測量觸發(fā)脈沖變壓器T3的輸出信號(hào)，有穩(wěn)定的輸出電壓信號(hào)，觸發(fā)脈沖電路無故障。再檢查引弧脈沖主電路，測量R9兩端的電壓，電壓值為“0”V，說明R9中無電流通過，可能是晶閘管 VR1或 VR2損壞。用電烙鐵取下 VR1和VR2，檢測發(fā)現(xiàn)VR1的陽極與陰極呈開路狀態(tài)。更換同型號(hào)的晶閘管后，R9兩端的電壓變?yōu)檎?，且試機(jī)恢復(fù)正常。

3 結(jié)語

現(xiàn)在，工作中的許多TIG焊機(jī)多為交、直兩用型的，在電路上集成了兩類焊機(jī)的控制原理，分析其故障時(shí)的思路是一樣的。

［1］鄭宜庭，黃石生．弧焊電源［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1991．