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制造方法及图纸

本发明专利技术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，本发明专利技术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。

High current and high frequency arbitrary waveform arc coupling ultrasonic energy field excitation device and method

The invention relates to a large current high frequency arbitrary waveform arc coupling ultrasonic energy field excitation device and method, the device is connected with the arc welding power source of the electric welding machine, the device includes a signal generating component for generating small signal ultrasonic frequency waveform and a small signal waveform amplifying component, the small signal waveform amplifying component is used for receiving and amplifying large and small signal ultrasonic frequency waveform and outputting High frequency alternating current with the same waveform, amplitude and frequency. Compared with the prior art, the invention has the advantages of being able to output large current, high frequency alternating current, good stability of output current, good safety when the external current is overloaded, etc.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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、空化泡生长及爆破等，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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，本专利技术具有如下优点：(1)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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为本专利技术的装置结构图；图2为本专利技术装置的大功率管驱动矩阵的列驱动模块；图3为本专利技术装置的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，其特征在于，所述的装置包括用于产生小信号超音频任意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。/n

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，所述的装置包括用于产生小信号超音频任意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。


2.根据权利要求1所述的一种大电流高频率任意波形电弧耦合超声能场激励装置，其特征在于，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(3)、小信号波形预放大电路模块(4)、大功率晶体管驱动矩阵模块(5)和大功率管矩阵模块(6)，所述的小信号超声频任意波形输入端(3)与信号生成组件和小信号波形预放大电路(4)连接，所述的小信号波形预放大电路模块(4)与大功率晶体管驱动矩阵模块(5)连接，所述的大功率晶体管驱动矩阵模块(5)与大功率管矩阵模块(6)连接；
所述的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，所述的小信号波形预放大电路模块(4)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)，所述的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，所述的大功率管矩阵模块(6)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。


3.根据权利要求2所述的一种大电流高频率任意波形电弧耦合超声能场激励装置，其特征在于，所述的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。


4.根据权利要求2所述的一种大电流高频率任意波形电弧耦合超声能场激励装置，其特征在于，所述的大功率管矩阵模块(6)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。


5.根据权利要求1所述的一种大电流高频率任意波形电弧耦合超声能场激励装置，其特征在于，所述的信号生成组件包括工控机(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆皓，华晨，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31