Устройство для формирования импульсов сварочного тока

Изобретение относится к электродуговой сварке плавящимся и неплавящимся электродом, в частности к устройствам формирования импульсов тока, обеспечивающих горение дуги в динамическом режиме, и может быть использовано в различных отраслях машиностроения. Устройство содержит трехфазный выпрямитель (1) с жесткой внешней характеристикой и регулируемым напряжением холостого хода. К его выходным клеммам подключена батарея конденсаторов (2). Формирующий элемент (3) в виде искусственной формирующей линии (ИФЛ) состоит из n ячеек, каждая из которых состоит из последовательно включенных конденсатора и дросселя. Дроссель последней ячейки выполнен в виде быстронасыщающегося дросселя (6). ИФЛ (3) включена в диагональ тиристорного однофазного моста, образованного зарядно-перезарядными тиристорами (7, 8, 9, 10) а другая диагональ моста включена последовательно в сварочную цепь. При поочередном отпирании пар тиристоров находящихся в противоположных плечах тиристорного моста, импульсы тока перезаряда, по форме близкие к прямоугольной, протекают через дуговой промежуток. Изобретение позволяет генерировать импульсы сварочного тока с параметрами обеспечивающими устойчивое горение дуги в динамическом режиме, надежность работы устройства и повышает энергетические показатели за счет исключения этапа предварительного заряда конденсаторов формирующей линии. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к электродуговой сварке, а именно к устройствам для сварки дугой горящей в динамическом режиме как неплавящимся, так и плавящимся электродами.

Известно устройство формирования импульсов сварочного тока (Зайцев А.И., Князьков А.Ф. О формировании импульсов тока. Доклады к 1-й конференции по автоматизации производства. Томск 1969. - c.97-104), состоящее из трехфазного мостового полууправляемого выпрямителя, питаемого от трехфазного понижающего трансформатора, накопительного устройства в виде искусственно формирующей линии, состоящей из n ячеек, каждая из которых состоит из последовательно включенных конденсатора и дросселя, причем у всех ячеек свободные выводы обкладок конденсаторов соединены вместе и подключены к минусу полууправляемого выпрямителя, а точки соединения конденсатора и дросселя последующих ячеек соединены со свободными выводами дросселей предыдущих ячеек, причем начало искусственной формирующей линии подключено к плюсу полууправляемого выпрямителя через последовательно включенный зарядный дроссель, а окончание формирующей линии - через разрядный тиристор к сварочному электроду. Форма тока импульса близка к трапецеидальной.

Недостатками такого устройства являются: цикл работы состоит из заряда искусственной формирующей линии через зарядный дроссель и затем ее разряд на дуговой промежуток через разрядный тиристор, причем для нормальной работы длительность заряда как минимум на порядок должна быть больше длительности разряда, что ограничивает частоту следования импульсов, а также наличие предварительного заряда ухудшает энергетические показатели устройства; кроме того, при большой частоте возможен срыв генерирования и протекание сквозного тока через дугу непосредственно от выпрямителя.

Известно устройство для формирования импульсов сварочного тока (Патент RU №2294269 от 27.10.2005) являющееся наиболее близким аналогом предполагаемого изобретения, содержащее полууправляемый трехфазный мостовой выпрямитель, питаемый от трехфазного понижающего трансформатора, зарядный дроссель, зарядный и разрядный тиристоры и накопительное устройство. Накопительное устройство представляет собой искусственно формирующую линию, состоящую из n ячеек, каждая из которых состоит из последовательно включенных конденсатора и дросселя. Начало формирующей линии через зарядный дроссель и зарядный тиристор подключено к полууправляемому выпрямителю, а окончание - через разрядный быстронасыщающийся дроссель, одновременно являющийся дросселем последней ячейки линии, и через разрядный тиристор - к сварочной дуге.

Недостатками такого устройства являются: в процессе работы для формирования импульса тока требуется предварительный заряд конденсаторов, через зарядный тиристор, что ограничивает максимальную частоту следования импульсов, и разряд через разрядный тиристор на дуговой промежуток. При этом импульсы тока, протекающие через быстронасыщающийся дроссель являются однополярными, что снижает эффективность использования материала сердечника быстронасыщающегося дросселя.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для формирования импульсов тока, обеспечивающих устойчивое горение дуги в динамическом режиме и повышение качества сварного соединения, и энергетических показателей устройства.

Поставленная задача решается следующим образом: устройство для формирования импульсов состоит из трехфазного мостового выпрямителя с жесткой внешней характеристикой и регулируемым напряжением холостого хода, батареи конденсаторов, формирующего элемента. В качестве формирующего элемента используется искусственная формирующая линия из n ячеек, каждая из которых состоит из последовательно включенных конденсатора и дросселя. При этом свободные выводы обкладок конденсаторов соединены вместе, а точки соединения конденсатора и дросселя последующих ячеек соединены со свободными выводами дросселей предыдущих ячеек. Дроссель последней ячейки выполнен в виде быстронасыщающегося дросселя, индуктивность которого в насыщенном состоянии равна индуктивности дросселей ячеек, и зарядно-разрядных тиристоров. Зарядно-разрядные тиристоры соединены в однофазную мостовую схему. В одну диагональ, которой между точками образованными соединением катодов и анодов тиристоров мостовой схемы, подключена искусственная формирующая линия свободным выводом обмотки дросселя насыщения и общей точкой соединения обкладок конденсатора. Другая диагональ тиристорного моста, между точками соединения анодов и точками соединения катодов, включена последовательно в сварочную цепь.

При разряде такой предварительно заряженной линии на дуговой промежуток ток импульса приобретает форму импульса, близкую к колокообразной с плоской вершиной, причем длительность среза импульса в несколько раз больше длительности фронта импульса, благодаря чему не нарушается ламинарное истечение защитного газа. При этом исключается этап предварительного заряда формирующего элемента, что обеспечивает возможность получения максимально возможной частоты при установленной длительности импульса и улучшение энергетических показателей устройства, а также повышения качества сварного соединения. Дуга, горящая в динамическом режиме, по сравнению с дугой постоянного тока имеет ряд преимуществ. Малая длительность протекания тока между электродами, в сравнении с длительностью перехода дугового разряда в устойчивое состояние, не позволяет диаметру активного пятна на металле достигнуть величины соответствующей мгновенным значениям тока и напряжения. А дуговой разряд в этом случае характеризуется при равных других условиях большей плотностью вводимой энергии и большей проплавляющей способностью. Глубина проплавления увеличивается не менее чем на 30% [Славин Г.А., Столпнер Е.А. Некоторые особенности дуги питаемой кратковременными импульсами тока // Сварочное производство. - 1974. - №2. - С.3-5].

Принципиальная схема предлагаемого устройства для формирования импульсов сварочного тока представлена на фиг.1.

Форма импульсов сварочного тока представлена на фиг.2.

Устройство состоит из трехфазного понижающего выпрямителя 1, обладающего жесткой характеристикой и регулируемым напряжением холостого хода, к выходным клеммам которого для уменьшения внутреннего сопротивления подключена батарея конденсаторов 2, формирующего элемента 3 в виде искусственной формирующей линии, состоящей из n L_я-C_я ячеек, каждая из которых состоит из последовательно включенных конденсатора 5 и дросселя 4, причем свободные выводы обкладок конденсаторов соединены вместе, а точки соединения конденсатора и дросселя предыдущих ячеек соединены со свободными выводами дросселя последующих ячеек, а в качестве последнего дросселя использован быстронасыщающийся дроссель 6, индуктивность которого в насыщенном состоянии равна индуктивности дросселей ячеек. Зарядно-перезарядные тиристоры 7, 8, 9, 10 соединены в мостовую схему, в диагональ которой между точками соединения анодов с катодами тиристоров включена искусственная формирующая линия - к одной точке общей точкой соединения обкладок конденсаторов, а к другой оставшимся свободным выводам быстронасыщающегося дросселя. Другая диагональ тиристорного моста включена последовательно в сварочную цепь. Благодаря включению искусственной формирующей линии в диагональ тиристорного моста и наличию батареи конденсаторов, подключенной к выходным клеммам выпрямителя, при поочередном включении пар тиристоров, находящихся в противоположных плечах Т моста 7, 10 и 8, 9, будет происходить перезаряд искусственно формирующей линии на противоположную полярность через дуговой промежуток, без предварительного ее заряда от источника питания минуя дуговой промежуток.

Устройство работает следующим образом. При подаче управляющих импульсов на тиристоры 7 и 10, находящихся в противоположных плечах тиристорного моста конденсаторы 5 имеют заряд с минусом на нижних обкладках и с плюсом на верхних обкладках. Конденсатор 2 всегда заряжен от выпрямителя 1 с плюсом на верхней обкладке. При открытии тиристоров 7 и 10 под действием суммарного напряжения источника питания 1 и напряжения заряженных конденсаторов 5 происходит перезаряд искусственной формирующей линии по цепи: плюс выпрямителя 1 - тиристор 7 - искусственно формирующая линия 3 - быстронасыщающийся дроссель 6 - тиристор 10 - изделие 11 - дуговой промежуток (между изделием и электродом) - электрод 12 - минус выпрямителя. В конце процесса перезаряда полярность конденсаторов 5 сменится на противоположную - плюс на нижних обкладках, минус на верхних обкладках.

При открытии пары тиристоров 9 и 8 процесс перезаряда искусственной формирующей линии происходит аналогично.

Емкость конденсатора 2 намного больше суммарной емкости конденсаторов 5, поэтому внутреннее сопротивление выпрямителя не будет оказывать заметного влияния на процесс перезаряда искусственной формирующей линии.

При очередном открытии пар тиристоров 7 и 10, 9 и 8 через дуговой промежуток будет протекать импульс тока перезаряда искусственной формирующей линии, что исключает необходимость предварительного ее заряда от источника 1.

Форма импульса будет близкой к прямоугольной.

Амплитуда импульсов приближенно определяется по выражению [Ицкохи Я.С., Овчинников Н.И. Импульсные и цифровые устройства. - М.: Советское радио. 1972. С.592]:

где U - напряжение источника питания 1;

U_c - напряжение заряда формирующей линии;

U_d - напряжение дугового промежутка;

- волновое сопротивление формирующей линии;

L_я - индуктивность дросселя ячейки формирующей линии;

C_я - емкость конденсатора ячейки формирующей линии.

Длительность импульса определяется выражением [Ицкохи Я.С., Овчинников Н.И. Импульсные и цифровые устройства. - М.: Советское радио. 1972. С.592]:

где n - количество ячеек формирующей линии.

Активная длительность фронта импульса определяется по формуле [Ицкохи Я.С., Овчинников Н.И. Импульсные и цифровые устройства. - М.: Советское радио. 1972. С.592]:

Активная длительность среза импульсов найдем из выражения [Ицкохи Я.С., Овчинников Н.И. Импульсные и цифровые устройства. - М.: Советское радио. 1972. С.592]:

Амплитуда импульсов устанавливается напряжением холостого хода источника питания 1. Максимальная частота следования импульсов ограничивается длительностью импульсов и определяется выражением:

Предлагаемое устройство обеспечивает устойчивое горение дуги в динамическом режиме, что в свою очередь позволяет улучшить качество сварного соединения и энергетические показатели работы за счет следующих преимуществ по сравнению с известными:

- сварка ведется дугой горящей в динамическом режиме, что обеспечивает локальный ввод тепла в изделие;

- широки регулировочные возможности по частоте следования импульсов (за счет исключения этапа предварительного заряда конденсаторов формирующей линии);

- исключение возможности протекания сквозного тока через дуговой промежуток;

- улучшение энергетических показателей за счет исключения этапа предварительного заряда искусственно формирующей линии;

- исключается остаточное намагничивание сердечника быстронасыщающегося дросселя, так как ток импульсов, через его обмотки, поочередно протекает в противоположных направлениях.

Устройство для формирования импульсов сварочного тока, состоящее из трехфазного выпрямителя с жесткой внешней характеристикой и регулируемым напряжением холостого хода, формирующего элемента в виде искусственной формирующей линии, состоящей из n ячеек, каждая из которых состоит из последовательно включенных конденсатора и дросселя, и зарядно-разрядных тиристоров, при этом свободные выводы обкладок конденсаторов соединены вместе, а точки соединения конденсатора и дросселя последующих ячеек соединены со свободными выводами дросселей предыдущих ячеек, причем дроссель последней ячейки выполнен в виде быстронасыщающегося дросселя, индуктивность которого в насыщенном состоянии равна индуктивности дросселей ячеек, отличающееся тем, что зарядно-разрядные тиристоры соединены в однофазную мостовую схему, в одну диагональ которой между точками, образованными соединением катодов и анодов тиристоров мостовой схемы, подключена искусственная формирующая линия свободным выводом обмотки дросселя насыщения и общей точкой соединения обкладок конденсатора, а другая диагональ тиристорного моста между точками соединения анодов и точками соединения катодов включена последовательно в сварочную цепь, причем параллельно выходным клеммам трехфазного выпрямителя подключена батарея конденсаторов.