3.2 氩弧焊电源
3.2.1 交流钨极氩弧焊机
（1）普通交流钨极氩弧焊机
普通交流氩弧焊机是最简单的焊接电源，它主要是焊接变压器（弧焊变压器），弧焊变压器的伏安特性通常为恒流特性。这种交流焊接变压器，可分为动铁芯式和动圈式两大类。
①动铁芯式弧焊变压器 动铁芯式弧焊变压器的结构如图3-4所示。变压器的一次与二次线圈分别绕在“口”形铁芯的两侧，并在“口”形铁芯中间加入一个可以移动的梯形铁芯，称为动铁芯。
图3-4 动铁芯式弧焊变压器结构示意图
常用动铁芯式焊接变压器的型号及主要技术数据见表3-1。
表3-1 常用动铁芯式焊接变压器型号及主要技术数据
②动圈式焊接变压器 动圈式焊接变压器的结构如图3-5所示。变压器的一次和二次线圈都分成两组。当一次和二次线圈之间的距离变化时，变压器的漏感改变，两者之间的漏感越小，串联的电阻也越小。
图3-5 动圈式焊接变压器结构示意图
动圈式结构中，通常是固定二次线圈，移动一次线圈，这是因为一次线圈的电流较小，电缆的截面积也相应小些，比较容易移动。
动圈式焊接变压器的型号及主要技术数据见表3-2。
表3-2 动圈式焊接变压器的型号及主要技术数据
（2）方波交流钨极氩弧焊机
方波交流钨极氩弧焊机有：磁放大器式；二极管整流式；晶闸管整流式；逆变式。
①磁放大器式方波交流钨极氩弧焊机 其原理示意图如图3-6所示。其中T为主变压器，L1为交流绕组，L2为控制绕组。通过改变L2中的直流电流，可以得到所需陡降外特性和调节焊接电流。另外，使L工作于磁饱和状态，便可得到近似方波的焊接电流。
图3-6 磁放大器式方波交流钨极氩弧焊机原理图
②二极管整流式方波交流钨极氩弧焊机 其原理示意图如图3-7所示。T为主变压器，L1为电感，L2为储能电感。L1控制决定了外特性和调节焊接电流，流过电感L2的电流为直流。
图3-7 二极管整流式方波交流钨极氩弧焊机原理图
该电路可输出接近于矩形波的电流，无法实现电流的缓升缓降，由于电弧稳定性不十分理想，仍需另设稳弧装置。
③晶闸管式方波交流钨极氩弧焊机 其原理图如图3-8所示，其电路形式与二极管整流式类似，只不过是用晶闸管取代二极管，基本原理相同。
图3-8 晶闸管整流式方波交流钨极氩弧焊机原理图
这种焊机陡降外特性的获得，是通过控制晶闸管导通来实现的，能产生较好的方波交流电流。
3.2.2 直流钨极氩弧焊机
直流钨极氩弧焊设备的电源大多由焊接整流器供给。焊接整流器的种类繁多，其外观和内部结构差异甚大，但基本结构是由输入电路、降压电路、整流电路、输出电路和外特性控制电路等部分组成，如图3-9所示。
图3-9 焊接整流器的结构框图
（1）硅整流式直流氩弧焊机
硅整流式直流氩弧焊机的整流元件是硅整流二极管，它的作用是将变压器降压后的交流低压电转换成直流电，根据焊接电流调节和外特性，获得不同形式的直流焊接电源。
它的交流电源是焊接变压器（动铁芯式和动圈式），其中，动圈式比动铁芯式焊接规范稳定，振动和噪声小；缺点是不太经济。
（2）磁放大器式硅整流钨极氩弧焊机
磁放大器是利用铁磁材料的磁导率随直流磁场强度变化而改变特性来放大直流信号的。磁放大器也称饱和电抗器，通过调节铁芯的磁饱和程度，改变其电感值的大小，达到调节电流和下降特性的目的。磁放大器式硅整流焊机原理框图如图3-10所示。磁放大器的工作原理如图3-11所示。
图3-10 磁放大器式硅整流焊机原理框图
图3-11 磁放大器工作原理
（3）晶闸管式直流钨极氩弧焊机
晶闸管式直流钨极氩弧焊机主回路采用晶闸管整流，利用晶闸管的可控整流性能，使焊接电源外特性变化且焊接规范参数的调节比较容易。所以是目前国内外应用较广泛的一种整流方式。
这种焊机由以下几部分组成：主回路、触发电路、程序控制电路、外特性控制电路。
①主回路 主回路的作用是将输入的交流电能转换成符合焊接要求的直流电能。它包括主变压器、整流电路、滤波电感。常用的整流电路有三相桥式全控整流电路和带平衡电抗器的双反星形可控整流电路。三相桥式全控整流电路如图3-12所示；带平衡电抗器的双反星形可控整流电路如图3-13所示。
图3-12 三相桥式全控整流电路
图3-13 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路
②触发电路 触发电路的作用是使晶闸管导通，并能可靠工作，因此对触发电路有如下要求：
a.晶闸管阳极、阴极之间应加正极脉冲信号；
b.触发信号应有足够的功率；
c.触发脉冲应有一定的宽度，并能移相且有一定的移相范围；
d.触发脉冲在时间上应与晶闸管电源电压同步。
触发电路的类型较多，主要有：单结晶体管触发电路、晶体管触发电路、运算放大器式触发电路。每种触发电路基本由脉冲产生电路、同步电路、移相电路和脉冲输出电路组成。
③外特性控制电路 直流氩弧焊机需要陡降外特性，曲线形状是通过电流反馈来控制的。电流反馈闭环控制系统框图如图3-14所示。
图3-14 电流反馈闭环控制系统框图
④程序控制电路 程序控制电路是根据直流氩弧焊的工艺需要而设置的，如焊接时必须先给气，后通电，然后采用高频引弧，有时还要求焊接电流缓升。焊接结束时，先断电，后断气，有时还要求焊接电流缓降至零。上述过程中各部分的时间要求独立可调，在实际使用中，这些部分将由延时电路和继电器完成。
⑤引弧电路 直流氩弧焊机可用以下几种方法引燃电弧。
a.短路引弧。依靠钨极和引弧板接触引弧，这种方法引弧时钨极烧损大，端部易受损伤，所以不常采用。
b.高频引弧。利用高频振荡器产生高频电压击穿钨极与工件之间的间隙引燃电弧。目前高频为150kHz左右，高压为3kV左右。
c.脉冲引弧。利用脉冲发生器产生10kV、频率为50～100Hz的脉冲高压，以击穿钨极与工件之间的间隙引燃电弧。
典型晶闸管式直流钨极氩弧焊机（YC-150TMVTA）为晶闸管式单相小型直流TIG焊机，用于手工TIG焊。该机具有收弧控制、温度保护等功能，便于移动，适合流动作业，焊接小型工件。其主要技术数据如表3-3所示。
表3-3 YC-150TMVTA型氩弧焊机主要技术数据
该焊机的安装示意如图3-15所示。
图3-15 安装示意
（4）晶体管式直流钨极氩弧焊机
晶体管式直流钨极氩弧焊机的特点是：利用功率晶体管或场效应管与辅助电路配合获得所需的外特性及焊接电流调节。这种焊机有如下特点。
①可制成各种外特性的焊机，适应不同焊接方法的需要。
②焊接电流既可以是直流，也可满足各种工艺要求的波形焊机。
③适于作脉冲氩弧焊机，多种参数可调，且可精确控制。
④不足之处是控制电路复杂，常为多管并联使用，所要求的条件严格。
模拟式晶体管式直流钨极氩弧焊机的原理框图如图3-16所示。
图3-16 模拟式晶体管式直流钨极氩弧焊机的原理框图
3.2.3 逆变式直流氩弧焊机
在电路中，将直流转换成交流的过程称为逆变，用以实现这种转换的电路，称为逆变电路。逆变式直流氩弧焊机的原理框图见图3-17。
图3-17 逆变式直流氩弧焊机的原理框图
（1）逆变电源的优点
①高效节能、体积小、重量轻。逆变技术的根本在于频率的提高，一般为20kHz左右。所以逆变电源主变压器体积大大减小，重量降低。
②逆变电源采用开关控制，比模拟控制功率损耗小得多。
③特性便于控制。由于工作频率高，逆变电源有良好的动态响应，可进行高速控制。
④逆变电源的效率高达80％～90％，功率因数高，可降低电能消耗。
⑤调节快，所有焊接工艺参数可进行无级调节。
（2）逆变电源的分类
根据逆变电源所采用的功率开关器件种类不同，可分成以下四类：
①晶闸管逆变电源；
②晶体管逆变电源；
③场效应管逆变电源；
④绝缘门极双极晶体管（IGBT）逆变电源。
晶闸管逆变电源由于受限于器件本身的工作频率，场效应管逆变电源有多管并联等技术问题，目前已经不采用。IGBT逆变电源已经成为当前的主要方式，它具有输出容量大、驱动功率小、适合大功率逆变电源等优点。
（3）逆变电源主回路基本形式
①单端式 按中频变压器二次侧整流二极管连接方式不同，单端逆变电源又分为单端正激逆变电路和单端反激逆变电路。图3-18为单端正激逆变电路。
图3-18 单端正激逆变电路示意
②推挽式 推挽式电路如图3-19所示。该电路采用两只功率开关管，能获得较大的功率输出，且两组输入驱动电路不需绝缘，从而简化了驱动电路和过电流保护措施。但开关功率必须承受较高的电压，对器件要求严格，故采用不多。
图3-19 推挽式逆变电路示意
③半桥式 半桥式电路的功率开关器件承受电压不高，所需驱动功率较小，所以在中等功率焊接电源中获得广泛应用。其电路如图3-20所示。
图3-20 半桥式逆变电路示意
④全桥式 全桥式电路使用的功率开关器件及辅助元件较多，电路复杂，四组驱动电路需绝缘。但对功率开关器件承受电压要求低，可获得大功率输出。全桥式逆变电路如图3-21所示。
图3-21 全桥式逆变电路示意
（4）典型钨极氩弧焊机的主要技术数据
VG-200BLHOE型钨极氩弧焊机主要技术数据见表3-4。
表3-4 VG-200BLHOE型钨极氩弧焊机主要技术数据
常用逆变式钨极氩弧焊机型号及技术数据见表3-5。
表3-5 逆变式钨极氩弧焊机型号及技术数据
3.2.4 脉冲钨极氩弧焊机
脉冲钨极氩弧焊机是在普通钨极氩弧焊机基础上发展起来的。这类焊机基本上都是在直流氩弧焊机的基础上，加以脉冲控制来实现脉冲功能的，可以通过脉冲参数（幅度、宽度、占空比）的调节，有效地控制焊接时消耗的能量、熔池形状、熔深、熔池凝固速度等，同时减小热影响区。在薄板焊接、全位置焊接、异种金属材料焊接、窄间隙焊接、单面焊双面成形等焊接工艺中有明显的优势。
为了实现上述功能，脉冲钨极氩弧焊机首先要有脉冲发生器，以产生频率、宽度、幅度符合要求的脉冲波形，并控制主回路，使焊接电源输出脉冲电流。
（1）直流脉冲钨极氩弧焊机
直流脉冲钨极氩弧焊机的种类较多，但它们的共同特点是：在直流氩弧焊机的基础上加以脉冲控制。其控制方法有以下几种。
①磁放大器式直流脉冲钨极氩弧焊机 磁放大器式焊接电源动特性较差，时间常数大，只能产生低频脉冲电流。其方法是在磁放大器的控制绕组中加入低频脉冲信号，便可在主电路中获得低频脉冲电流。低频脉冲信号的产生有多种方式，最常用的是晶体管脉冲发生器和晶闸管脉冲发生器。
②晶闸管式直流脉冲氩弧焊机 因晶闸管控制性能好，可灵活地改变脉冲频率、占空比、峰值电流，还可以获得较小的时间常数，以提高脉冲频率。目前主要有两种形式脉冲电源，一是交流相控型，二是直流斩波型。以上两种形式各有特点，主要区别是晶闸管在脉冲电源主回路中的作用不同，交流相控型晶闸管接在交流回路中，通过控制晶闸管导通角来改变电流峰值和占空比。直流斩波型是晶闸管作为开关，接在电源和负极之间。
③晶体管式直流脉冲氩弧焊机 用晶体管作为控制元件的优点十分突出，它比晶闸管有更快的反应速度，脉冲频率大大提高，控制幅度也很精确。晶体管电源可分为开关式和模拟式两种。
以上两种方式，都需要脉冲发生器，同时在电路中加入各种控制功能，即可完成脉冲宽度、峰值电流、脉冲频率等参数的调节。
（2）交流钨极脉冲氩弧焊机
在交流钨极脉冲氩弧焊机中，交流脉冲波形是通过接在交流焊接回路中的交流断续器来控制的，交流断续器实际上就是一个交流开关，目前，最常用的是两支晶体管反并联构成。通过控制电路，控制晶闸管的导通及过零自然关断，起到了交流开关的作用。
交流钨极脉冲氩弧焊机的电路是由两大部分组成，一是带有交流开关的主电路，二是交流开关控制电路。控制电路中设置了脉冲频率、占空比、脉冲幅度等调节功能。
（3）YC-300WP5HGE型焊机介绍
YC-300WP5HGE型焊机是在日本松下20世纪末期产品的基础上提高改进的交直流脉冲钨极氩弧焊机。该焊机用双380V交流电源供电，主回路的设计在直流部分采用晶闸管全波整流，交流采用两只晶闸管反并联，两回路同时接好，通过分别控制相应晶闸管的触发信号实现交、直流输出。这样，避免了用闸刀开关切换交、直流的不便，提高了电路的可靠性。本机有四种工作状态，即直流TIG、交流TIG、直流手工焊、交流手工焊。同时具有高频引弧、收弧控制、输出电流缓冲、缓降、脉冲焊、点焊等功能。焊机有水冷、空冷两种，适宜中、薄板的焊接。
YC-300WP5HGE型焊机的主要技术数据见表3-6。
表3-6 YC-300WP5HGE型焊机主要技术数据
