大电流高频率任意波形电弧耦合超声能场激励装置及方法
阅读说明：本技术 大电流高频率任意波形电弧耦合超声能场激励装置及方法 (large-current high-frequency arbitrary waveform arc coupling ultrasonic energy field excitation device and method ) 是由 陆皓 华晨 于 2019-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种大电流高频率任意波形电弧耦合超声能场激励装置及方法,该装置与电焊机的电弧焊电源连接,所述的装置包括用于产生小信号超音频波形的信号生成组件和小信号波形放大组件,所述的小信号波形放大组件用于接收并放大小信号超音频波形,输出波形、振幅、频率相同的大电流高频率交变电流。与现有技术相比,本发明具有能够输出大电流高频率交变电流、输出电流稳定性好,当外部电流超载时安全性好等优点。(the invention relates to a large-current high-frequency arbitrary waveform electric arc coupling ultrasonic energy field excitation device and a method, wherein the device is connected with an electric arc welding power supply of an electric welding machine, the device comprises a signal generation assembly and a small-signal waveform amplification assembly, the signal generation assembly is used for generating a small-signal superaudio waveform, and the small-signal waveform amplification assembly is used for receiving and amplifying the small-signal superaudio waveform and outputting large-current high-frequency alternating current with the same waveform, amplitude and frequency. Compared with the prior art, the invention has the advantages of capability of outputting large-current high-frequency alternating current, good stability of output current, good safety when the external current is overloaded and the like.)
技术领域
本发明涉及一种电弧耦合超声能场激励装置及方法，尤其是涉及一种大电流高频率任意波形电弧耦合超声能场激励装置及方法。
背景技术
在电弧焊接过程中耦合超声能场是一种提高金属构件焊接品质的有效手段。对于核电机组建设、涡扇发动机制造等高端工程领域，电弧焊接被广泛用于生产不锈钢、低合金钢、Ni基合金、Ti合金等焊接构件。这些焊接构件用量大，通常在高温、高压强、高辐射、高载荷的工作环境中服役，故需要较高的安全鲁棒性。因此，迫切需要改善传统的电弧焊接工艺，提高焊接效率，改善焊接件的显微组织、提高焊接件的综合力学性能。超声能场是一种特殊的外加物理场，其本质是频率>＝20kHz的机械振动波及波的传递过程。当超声能场耦合于焊接熔池时，可以为焊接熔池带来特殊的物理效应，如射流搅拌、空化泡生长及***等，进而有望改变金属焊缝的形成过程，以人为干预、调控金属构件的焊接品质。超声能场耦合于电弧焊接过程的方法主要包括机械耦合和电气耦合两大方式。
其中，机械耦合超声能场的方式主要通过机械振动器外加换能器的形式，通过焊接工件、焊接电弧等中间媒介，将超声能场叠加于焊接熔池。例如，专利CN201710157697.7通过改装GTAW焊枪，将机械换能器发出的超声能场通过焊接电弧耦合于GTAW焊接过程。此类超声能场的耦合方式较为直观，但存在一些不足之处，例如机械振动器不宜长期在高温环境中工作、需要大幅改变焊枪结构、超声能场频率为离散值等。电气耦合超声能场的方式可以较好地避免这些缺陷。该方式通过在DC焊接电流中引入频率大于20kHz的交变电流，迫使焊接电弧发生周期性振动，进而将超声能场耦合于焊接熔池。例如，专利CN01143444.9通过在焊接电源两侧并联高频AC电源，将高频AC电流叠加于DC电流之上；专利CN201710157697.7研发了一种在GMAW电源上叠加高频AC电流的装置，AC电流频率为20～100kHz，电流峰峰值为100A。受益于交变电流的特性，超声能场的频率、振幅可以连续调节；产生高频交变电流的激励装置可以布置得离焊接电弧较远，不容易受焊接热影响；交变电流可以直接从焊枪的接头端导入，不需要改变焊枪结构。电气耦合超声能场在高频交变电流可控性、焊接适应性等方面具有较强的优势。
根据上述电气耦合超声能场的特点可知，实现电气方式产生超声能场的关键是设计制造一种超声能场激励装置，产生振幅幅值大、频率高、波形不失真、且振幅频率连续可调的交变电流。大功率、大电流、高频率任意波形电弧耦合超声能场激励装置可以产生功率更大、波形更完善的超声能场，有利于在电弧焊接过程中充分发挥外加超声能场的优势。但是，目前超声能场激励装置的频率通常低于100kHz，电流振幅较小且波形形貌质量较差，难以复现sine等电流形貌，不利于发挥超声能场的优势。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种大电流高频率任意波形电弧耦合超声能场激励装置及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种大电流高频率任意波形电弧耦合超声能场激励装置，该装置与电焊机的电弧焊电源连接，所述的装置包括用于产生超音频任意波形(电压0～5V、振幅-5～+5V、频率16～150kHz)的小信号生成组件和小信号波形放大组件，所述的小信号波形放大组件用于接收并放大小信号超音频波形，输出波形、振幅、频率相同的大电流高频率交变电流。
所述的小信号波形放大组件包括小信号超声频任意波形输入端、小信号波形预放大电路模块、大功率晶体管驱动矩阵模块和大功率管矩阵模块，所述的小信号超声频任意波形输入端与信号生成组件和小信号波形预放大电路连接，所述的小信号波形预放大电路模块与大功率晶体管驱动矩阵模块连接，所述的大功率晶体管驱动矩阵模块与大功率管矩阵模块连接，
所述的小信号超声频任意波形输入端用于接收小信号超音频波形，所述的小信号波形预放大电路模块用于预放大小信号超音频波形进而带载大功率晶体管驱动矩阵模块，所述的大功率晶体管驱动矩阵模块用于利用预放大后小信号超音频波形推动大功率管矩阵模块运行，所述的大功率管矩阵模块用于放大小信号超音频波形并输出波形、振幅、频率相同的交变电流波形。
所述的大功率晶体管驱动矩阵模块包括三级大功率驱动矩阵，所述的大功率管驱动矩阵包括列驱动矩阵和行驱动矩阵。
所述的大功率管矩阵模块包括N对大功率晶体管，每个所述的大功率晶体管内都附加均流电路网络，每对所述的大功率晶体管用于放大所述任意小信号波形输入端接受得到的小电压信号，输出波形、振幅、频率相同的交变电流波形，所述的均流电路网络用于保证每一个大功率管输出的电流振幅相同。
所述的信号生成组件包括工控机和数据采集卡，所述的工控机与数据采集卡连接，
所述的工控机用于设定小信号超音频波形的特征参数，所述的数据采集卡用于产生小信号超音频波形。
所述的数据采集卡内设有调理电路。
所述的装置包括高压引弧尖峰脉冲保护装置，所述的高压引弧尖峰脉冲保护装置包括TVS二极管和隔直电路，并且所述的高压引弧尖峰脉冲保护装置与大功率管矩阵模块和电弧负载连接，所述的高压引弧尖峰脉冲保护装置用于吸收和限制串入的引弧高压和外部尖峰脉冲高压。
一种大电流高频率任意波形电弧耦合超声能场激励方法，该方法包括：
S1：将装置通过高频动力线缆连接至焊接电弧负载的两端；
S2：将电弧焊电源作为直流焊接电流，将电焊机调节至恒流模式，并将电弧焊电源的连接至焊接电弧负载两端；
S3：工控机设定交变电流波形形貌、振幅大小、频率、相位的特征参数；
S4：启动电弧焊电源；
S5：当电弧焊电源稳定输出后，数据采集卡在工控机的控制下生成小信号超音频波形；
S6：小信号波形放大组件接收并放大小信号波形，输出波形、振幅、频率相同的大电流高频率交变电流波形；
S7：交变电流经过高压引弧尖峰脉冲保护装置耦合于焊接电弧负载中。
所述的S6具体包括：
S61：小信号超声频任意波形输入端接收小信号超音频波形；
S62：小信号波形预放大电路模块预放大小信号超音频波形；
S63：大功率晶体管驱动矩阵模块利用预放大后小信号超音频波形推动大功率管矩阵模块运行；
S64：大功率管矩阵模块放大小信号超音频波形并输出波形、振幅、频率相同的交变电流波形。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明利用小信号波形放大组件输出交变电流，电流峰值超过420A，频率可在较宽的超音频范围16kHz～150kHz内连续调节，波形失真度较小；
(2)本发明中的大功率管矩阵模块可以平衡每一对所述大功率晶体管的输出电流，保证输出电流的稳定性；
(3)本发明利用高压引弧尖峰脉冲保护装置，当外部电路，如电焊机引发的电压电流超载问题时，可以将电压限制在安全电压以下直至停止系统工作。
附图说明
图1为本发明的装置结构图；
图2为本发明装置的大功率管驱动矩阵的列驱动模块；
图3为本发明装置的大功率管驱动矩阵的行驱动模块；
图4为本发明装置的高压引弧尖峰脉冲保护装置；
其中，1、工控机，2、数据采集卡，3、小信号超声频任意波形输入端，4、小信号波形预放大电路模块，5、大功率晶体管驱动矩阵模块，6、大功率管矩阵模块，7、高压引弧尖峰脉冲保护装置，8、电弧负载，9、电焊机。
具体实施方式
下面结合附图1和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
一种大电流高频率任意波形电弧耦合超声能场激励装置，该装置与电焊机9的电弧焊电源连接，该装置能输出的超声能场频率范围为16～150kHz，输出的交变电流峰值大于等于420A。
该装置包括工控机1、数据采集卡2、小信号超声频任意波形输入端3、小信号波形预放大电路4模块、大功率晶体管驱动矩阵模块5、大功率管矩阵模块6和高压引弧尖峰脉冲保护装置7，数据采集卡2分别与工控机1和小信号超声频任意波形输入端3连接，小信号波形预放大电路4模块分别与小信号超声频任意波形输入端3和大功率晶体管驱动矩阵模块5连接，大功率管矩阵模块6分别与大功率晶体管驱动矩阵模块5和高压引弧尖峰脉冲保护装置7连接，高压引弧尖峰脉冲保护装置7与焊接电弧负载8连接，该装置输出电流的最大峰峰值为大于等于420A，输出波形最高频率为150kHz。
本实施例中，数据采集卡2与工控机1通过USB线缆连接，数据采集卡2与小信号超声频任意波形输入端3通过高频信号线缆相连，高压尖峰脉冲保护装置通过高频动力线缆连接至焊接电弧负载8两端。
数据采集卡2内设有调理电路，数据采集卡2用于产生振幅为-5V～5V、频率为16～150kHz的任意电压波形，包括但不限于sine波、三角波、锯齿波、方波、疏密波。
小信号超声频任意波形输入端3用于接收小信号超音频波形，小信号波形预放大电路4模块用于预放大小信号超音频波形进而带载大功率晶体管驱动矩阵模块5，大功率晶体管驱动矩阵模块5包括三级大功率驱动矩阵，所述的大功率管驱动矩阵包括列驱动矩阵和行驱动矩阵，大功率晶体管驱动矩阵模块5用于利用预放大后小信号超音频波形推动大功率管矩阵模块6运行。
大功率管矩阵模块6包括100对大功率晶体管，每个大功率晶体管内都附加均流电路网络，每对所述的大功率晶体管用于放大所述任意小信号波形输入端接受得到的小电压信号，输出波形、振幅、频率相同的交变电流波形，所述的均流电路网络用于保证每一个大功率管输出的电流振幅相同，以提高所述大功率管矩阵模块6的整体工作效率。
高压引弧尖峰脉冲保护装置7包括TVS二极管和隔直电路，并且所述的高压引弧尖峰脉冲保护装置7与大功率管矩阵模块6和电弧负载8连接，高压引弧尖峰脉冲保护装置7用于吸收和限制串入的引弧高压和外部尖峰脉冲高压，将外部窜入的高压限制在安全电压72V以下。
工控机1用于设定信号生成组件生成的小信号超音频波形的特征参数。
本实施例中，通过Hall电流传感器和数据采集卡利用虚拟仪器软件检测流经焊接电弧负载8的电流形貌，并在工控机1上显示。
一种大电流高频率任意波形电弧耦合超声能场激励方法，该方法包括如下步骤：
S1：将高压引弧尖峰脉冲保护装置7通过高频动力线缆连接至焊接电弧负载8的两端；
S2：将电弧焊电源作为直流焊接电流，将电焊机9调节至恒流模式，并将电弧焊电源的正负极连接至焊接电弧负载8两端；
S3：工控机1软件中设定交变电流波形形貌、振幅大小、频率、相位等特征参数；
S4：启动电弧焊电源；
S5：当电弧焊电源稳定输出后，数据采集卡2在工控机1的控制下生成小电压信号；
S6：小信号波形放大组件接收并放大小信号波形，输出波形、振幅、频率相同的交变电流波形
S7：交变电流经过高压引弧尖峰脉冲保护装置7耦合于焊接电弧负载8中。
步骤S6具体包括：
S61：小信号超声频任意波形输入端3接收小信号超音频波形；
S62：小信号波形预放大电路4模块预放大小信号超音频波形；
S63：大功率晶体管驱动矩阵模块5利用预放大后小信号超音频波形推动大功率管矩阵模块6运行；
S64：大功率管矩阵模块6放大小信号超音频波形并输出波形、振幅、频率相同的大电流高频率交变电流。
本实施例中，工控机1设定小信号交变电流为sine形貌，通过观察虚拟仪器显示的波形特征可知，流经焊接电弧负载8的电流中出现了波形失真度极小的sine电流形貌，电流峰峰值高达420A，频率达到了150kHz，表明超声能场已耦合于焊接过程中。随后对焊接的Ni基试样进行金相分析，发现Ni基合金的晶粒得到细化，脆性相减少。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。