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第十章 二氧化碳氣體保護焊機工作原理第一節 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構圖 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 焊機添加了送絲結構及相應的送絲控制電路，在焊接過程中實 現了半自動化，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、輸出電壓可調節，可使兩者達到良 好匹配，提高了焊接質量，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，而推拉結合式的送絲軟管可 達 15 米，為了保正送絲穩定，相應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，便于監視和控制，便于實現自動化。 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，產生大電流，使得焊絲頂端熔化； ③焊絲與工件間形成電弧； ④焊絲送出，電弧變短； ⑤焊絲再次接觸工件。如此周而復始。 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，燃弧如此周而復始，從而使得弧 焊電源經常在負載短路，空截三態間轉換，因此，要獲得良好的引弧，燃弧和熔滴過渡狀 態，必須對電源的動特性提出如下要求： ①焊接電壓可調，以適應不同焊接需求； 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變化，而不影響電源穩定和焊接 質量； ④滿足送絲電機的供電需求； ⑤平穩可調的送絲速度，以滿足不同焊接需求，保證焊接質量； ⑥滿足其它焊接要求，如手開關控制，焊接電流、電壓顯示，2T/4T 功能，反燒時間 調節，焊絲選擇，完善的指示與保護系統等等。

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不斷地在負載、短路、空截三態間轉換（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，有以下優點： ①弧長變化時引起較大的電流變化，因而電弧自調節作用強，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節。通過改變占空比調節電壓，改變送絲速度 來調節電流，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有利于防止焊絲回燒和粘絲。因為電弧回燒時，隨著電弧拉長，電弧電流很快減小， 使得電弧在來回燒到導電嘴前已熄滅，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 集成脈寬調制器工作原理 集成脈寬調制器工作原理： 、 通常采用脈寬調制器調節脈寬，以達到調節輸出電壓的目的；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，調制器中，利 用脈寬調制器的特性 控制開關電源的開 關，從而達到穩定輸 出的脈寬。

3843 集成 脈寬調制器是一種單 端輸出電路控制型電 路，其內部結構框圖 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，在施密特觸發器的控制下，電源電壓大于 16V 時，芯片工 作，低于 10V 時關閉。6V 的啟動、關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。輸入端設置了一個 34V 的齊納穩壓管，保證其內部電路絕對在 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： 其同相輸入端接內部+2.5V 基準電壓， 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，以控制廣大器閉環增益， 并起到穩定的作用。 電流比較器： 電流比較器：用于電流感應和限制，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為電壓信號） ，其與誤差放大器 的輸出電壓經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僅出現一個單控制脈沖， 防止了噪聲干擾和開關管的超功耗。 由圖可知， 由圖可知，當電流比較器輸出高電平時，鎖存器復位，關閉輸出（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脈寬調制：3843 脈寬調制器的 6 腳外接開關器件，當開關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，從而調節開關管導通時間，即占空比。 2、他激式開關電源工作原理： 、他激式開關電源工作原理： 圖 10.4 為他激式開關電源原理圖:圖 10.4 工作原理： 工作原理： (1) 充能：主電源開關閉合后，電源經變壓器 T 的初級線圈 N1 供電給功率開關管 Q1 的 漏極。同時，UC3843 集成 PWM 的 7 腳也獲得電源電壓經分壓后（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，使得開關管 Q1 導 通。此時，電源給 N1 充電，電能轉化為磁能儲存于變壓器中。第 41 頁 共 47 頁(2) 開關管斷開： 3843 的 6 腳輸出脈沖的頻率由內部電路的振蕩頻率 （由 C6 和 R8 決定） ， 經一定時間，第一個高電平結束，轉為輸出低電平，使開關管截止。

(3) 放能：開關管 Q1 截止，由于電感（線圈 N1）的續流作用，N1 繼續給電容 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 上的感應電動勢 方向為上正下負，二極管 D4 導通，給負載供電并向 C10 充電。由于穩壓管 D5 的穩 而 （續 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移，等到 兩者的端電壓的大小再發生變化時，電感向電容充能，如此反復，形成正弦振蕩（阻 尼振蕩） 而且， 。 每當電容向電感充電時， 線圈都通過 N2 向負載供電并各電容 C10 N1 充電。 (5) 穩壓輸出：在 N1 向 N2 供能時，負載從變壓器中得到能量，當 N2 上的感應電動勢 反向（上負下正）時，電容 C10 向負載供電，從而，在負載上得到穩定的電壓供給。 (6) 開關管導通，再次充能：在 3843 的輸出脈沖控制下，開關管 Q1 再次導通，回復到 初始狀態。

如此周而復始，負載得到持續的穩定的能量供給。 (7) 穩壓：當負載變化時，輔助電源（他激式開關電源）的輸出電壓、電流都將發生變化。 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 內部的電 流比較器輸出值也發生改變，由此而改變了 6 腳的輸出脈寬。例如：當負載變大時， 電流變小，使得 3843 內部的電流比較器輸出低電平，使鎖存器鎖存，降低占空比， 開關關斷時間長，使得振蕩次數加大，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，在開關導通時，在 N2 上感應到的感應電動勢 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）穩壓管被擊穿，光耦 U2 動作，觸發可控硅 VS，可控硅陰陽 兩極導能，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 入使得開關管漏源電流過大，此時，在 R12 上形成的壓降也變大，3843 內部的電流 比較器的同相輸入端（3 腳）電位變高，當大于 1V 時，電流比較器輸出翻轉，變為 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，關閉開關管，從而保護了功率開關管。

(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生的電 流尖鋒（當 N1 電流方向改變時，由于電感續流和漏感的作用，會產生尖鋒）避免開 關管造成誤動作，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補償的作用。接上一定的控制電 路， 可以控制因電網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 集成穩壓器件，可以輕易得到 Q2 的直流穩壓電，以滿足不 同負載的需求。 (10)特征波形：當負載變化時，3843 的輸出脈沖的脈寬、電流比較器的同相輸入信號， 開關管漏極波形都隨著改變，反應了電路對輸出變化的應變能力和調整能力。 當負載變大時，脈沖變窄，開關管的導通時間變短，則線圈 N1 與電容 C8、cds 間的 振蕩次數變多，這樣，負載獲得能量補充的次數也變多，一周期內獲得能量變大。 當負載變小時，脈沖變寬，開關管導能野變長，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，就能得到穩定的電壓供給。而且，開 關管的控制脈沖的脈寬與輸出的波動有良好的線性關系，所以，電路對負載的反應 靈敏，線性調整好。 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，以滿足不同的環境、人為要求； 2、送絲速度平穩，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 開關控制電路，MIG 焊機要求手開關具有： 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、送絲機構控制電路工作原理 脈寬調制器（ 1、TL494 脈寬調制器（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，送絲機構控制電路也采用了調 節脈寬輸出（送絲速度）并輸出反饋而穩定輸出的方式。MIG 焊機的送絲控制電路采用 TL494PWM 作為主控器件，其內部結構框圖如圖 10.6 所示。

工作原理： ①振蕩信號產生：TL494 中有一振蕩器，其振蕩信號由陰容器件產生，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（控制）的基準電壓由 PWM 比較器的同相輸入端輸入。只需改變外電路的給定值，即可調節基準電壓，從而 調節脈寬。 ③死區時間控制：TL494 較 CW3525 更優秀的一點在于增添了一個死區比較器，它可以 控制兩路輸出脈沖之間的死區時間，以滿足不同開關的需求。它與 PWM 比較器的輸 出（都為脈沖信號）作為數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，而死區時間比較器與 PWM 比較器的輸出狀態都受到振蕩信號和 基準電壓的控制，這樣，改變死區比較器某一輸入端的值，即可改變其與另一輸入端 的輸入值之間的關系（大于、等于或小于） ，從而改變死區時間比較器的輸出狀態。通 常，在死區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，即以之控制死區時間，這樣，改變外接電第 43 頁 共 47 頁阻的值即可改變死區時間。

另外，它還可以設計成電源軟起動控制及不死保護控制電 路等。 ④輸出穩定控制：調節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，但由于電網波動，負載變化等因素，會導致輸出電壓、電流變化。于是為穩定輸 出，TL494 通過運放對輸出回路進行采樣，采樣的值與設定的穩定的一個基準電壓比 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，能適當改變脈寬，使得輸出穩定。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。當該端為高電平時，兩路輸出分別由 觸發器的 Q 和 G 端控制，形成雙端輸出方式，當 13 腳為低電平時，觸發器失去作用， 兩路輸出同時同 PWM 比較器后的或門輸出控制，同步地工作，兩路并聯輸出。兩路 并聯輸出時，輸出驅動電流較大。 2、手開關控制電路工作原理 、 圖 10.8 是 MIG 焊機手開關控制原理圖，它完成手開關通斷控制，2T、4T 轉換，電磁閥 的通斷控制等功能。圖 10.8 ①手開關的開通與關斷狀態 當手開關合上時， 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。

當手開關打開時， 12V 直流電直接加到 UB 的反相輸入端， UB 的輸出變為低電平， 使 同時，UB 也輸出低電平（零電位） 。 另外：在手開關處對電源接有兩個二極管（D1、D2） ，是為了防止手開關抖動而產生 誤導而設置的。由于焊接工人或其它原因，手開關產生抖動時，接觸觸點后又馬上斷開， 這時，觸點上便產生很大的電壓，使得二極管導通，而不致于使 UB 因高電壓損壞或因 手開關抖動而改變輸出狀態。 ②2T、4T 轉換控制： 由圖中可看出，當 2T/4T 開關打到 2T 時，12V 電源加到 D 觸發器的復位端（R） ，使 得 D 觸發器復位，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，而手開關打開時， 無輸入信號，即 2T 功能。第 44 頁 共 47 頁當 2T/4T 開關打到 4T 時，觸發器正常工作。手開關合上時，UB 輸出狀態由低電平轉 為高電平，使得 D 觸發器觸發，輸出高電平，手開關打開，UB 的輸出狀態由高電平（ “1” ） 轉變為低電平（ “0”，但 D 觸發器是在脈沖的上升沿觸發點，此時 D 觸發器輸出狀態保 ） 護高電平。

而 Q 為低電平，D 為高電平。當手開關再次按下時，時鐘脈沖由低（ “0”，變 ） 高（ “1”，D 觸發器觸發，而 D 輸入端為高電平，由 Qn+1=Dn 可知，輸出仍為高電平。 ） ③電磁閥的開關控制： 電磁閥的開關控制電路由 Q1、R13、C2、Q2 組成，當手開關控制電路輸出高電平信 號時，使得 Q1 導通，給電容 C2 充電，使得開關管 Q2 的柵極電位升高而導通，24V 直流 電壓使得電磁閥動作，讓氣體通過。 當手開關打開后，手開關控制電路無輸出（輸出低電平） ，使得 Q1 截止，但于電容 C2 的儲能作用，Q2 仍然導通，電容 C2 通過 R13 緩慢放電，當電容 C2 的端電壓降到一定 程度時，電磁閥關閉，停止供氣。實現氣體的延時，保證焊接質量，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的通電延時，使焊機在手開關斷開后，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成金屬球，影響下次焊 接。 其原理是調節使電流延時適當的時間，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的控制之下。當手開關關斷時，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 導通，電容 C2 放電，使得 RW1 的非可變端（穩壓管的負端）電位上升，當上升到超過 5.1V 時，Q3 導 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 的關系電位器非可變端的電位緩慢上升，使得手 開關關斷時，使得芯片 3525 并非馬上封波而停止主電路輸出，而是經過一定的時間，該 時間由 C2 及 RW 的值決定，這樣，調節 RW 的值即可調節電流延時時間，即反燒時間。第 45 頁 共 47 頁