Способ механизированной дуговой сварки в активных газах и устройство для его осуществления

Изобретение относится к способу и устройству механизированной дуговой сварки в активных газах, характеризующемуся периодическим чередованием этапов дугового разряда и короткого замыкания, и может использоваться при выполнении швов в любых пространственных положениях, например, при сварке стыков трубопроводов. Изобретение направлено на управление ванной расплавленного металла для достижения качественного формирования сварного шва. На стадии дугового разряда успокоение ванны достигается благодаря стабилизации напряжения за счет двух вложенных циклов автоматического управления, из которых первый обеспечивает стабилизацию напряжения собственно дуги, а второй - стабилизацию среднего сварочного напряжения. На стадии короткого замыкания успокоение ванны достигается снижением электродинамического воздействия на ванну благодаря уменьшению размеров переносимых капель за счет согласования с естественной частотой образования капель частоты импульсных воздействий на каплю и ванну посредством формирования провала тока, запускающего процесс переноса, и последующего пика тока короткого замыкания, обеспечивающего отрыв капли от электрода. В устройстве выходы основной силовой цепи и цепи высоковольтной подпитки объединены и подключены через датчик тока к внешним зажимам. Выход датчика тока соединен с первым измерительным входом микропроцессорного регулятора. Выход датчика напряжения соединен со вторым измерительным входом микропроцессорного регулятора. Первый управляющий выход микропроцессорного регулятора соединен с управляемым входом тиристорного выпрямительного блока. Второй управляющий выход микропроцессорного регулятора соединен с управляемым входом первого магнитного пускателя, выход блока настройки режимов соединен с первым информационным входом микропроцессорного регулятора. Цепь низковольтной подпитки устройства образована последовательным соединением третьего выхода трансформатора, второго магнитного пускателя, второго диодного выпрямительного блока и управляемого дросселя. Выход цепи низковольтной подпитки соединен с входом датчика тока. Четвертый управляющий выход микропроцессорного регулятора соединен с управляемым входом второго магнитного пускателя. Третий управляющий выход микропроцессорного регулятора соединен с управляемым входом управляемого дросселя. Выход датчика напряжения внешней обратной связи соединен с третьим измерительным входом. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области дуговой сварки плавящимся электродом, в частности к способу и устройству для дуговой сварки в углекислом газе и смесях на его основе с короткими замыканиями дугового промежутка. Изобретение может использоваться при выполнении швов в любых пространственных положениях, например при сварке стыков трубопроводов.

Качественное формирование сварного шва независимо от его пространственного положения - нижнего, вертикального или потолочного - является основной целью сварочных аппаратов. При достижении ее необходимо обеспечить стабилизацию сварочной ванны. Сварочная ванна образуется при смешивании расплавленного основного и электродного металла, а ее размеры, форма и местоположение на кромках соединяемых деталей задаются сварщиком, который систематически и целенаправленно осуществляет манипуляции горелкой с электродной проволокой, управляя тепло- и массопереносом, а также давлением дуги на ванну. Успешное управление ванной со стороны сварщика возможно только в случае ограничения спонтанных динамических воздействий на нее, вызванных бросками тока и напряжения, а также короткими замыканиями капель электродного металла с ванной. Т.е. управление сварочным процессом для ограничения динамических воздействий должно учитывать как особенности дугового режима, так и режима короткого замыкания. Это особенно сложно при использовании тиристорных источников питания в силу их фазового управления с бросками тока. В известных изобретениях проблема успокоения ванны при сварке в активных газах решается благодаря стабилизации так называемого сварочного напряжения, а также с помощью управления переносом капель электродного металла.

Известны технологические способы механизированной сварки в активных газах, у которых высокая стабильность напряжения обеспечивается с помощью автоматического регулятора в составе тиристорного выпрямителя или инверторного источника за счет обратной связи по напряжению, снимаемому с внешних зажимов источника (Гладков Э.А. Управление процессами и оборудованием при сварке. М.: Академия, 2006, 432 с.).

Недостатком таких способов является то, что они оперируют сигналами обратной связи, усредненными за чрезмерно длительный период изменения напряжения, и поэтому имеют сравнительно низкое быстродействие, характерное для аналоговых систем управления. Кроме того, они не обеспечивают достаточного успокоения ванны, поскольку не учитывают отдельно особенностей протекания дуговой и контактной стадий сварочного процесса и поэтому не отрабатывают возмущений, вызванных короткими замыканиями крупных капель на ванну.

Известен способ сварки в углекислом газе при частых технологических коротких замыканиях каплями на ванну (Ю.Н.Сараев. Управление переносом электродного металла при дуговой сварке с короткими замыканиями дугового промежутка, "Автоматическая сварка", 1988, №12, с.16-23), в котором для эффективного успокоения ванны расплавленного металла используется система программного управления, реализующая сложный цикл изменения тока (фиг.2) для обеспечения управляемого переноса электродного металла. Данный алгоритм управления позволяет ослабить чрезмерно динамичное механическое воздействие на ванну, сопровождающее при отсутствии управления перенос капли расплавленного металла в момент ее короткого замыкания с ванной. До включения алгоритма управления на стадии дугового разряда за счет плавления электродного металла образуется крупная капля сбоку от оси электрода, а ванна давлением дуги оттесняется из-под электрода. Для того чтобы предотвратить взрывной характер переноса, в конце этой стадии предусмотрено снижение тока (пауза) на время t_п, при этом реактивное давление паров на каплю снижается, а сама капля приближается к ванне. В начале короткого замыкания в интервале t_кн ток резко снижают, что гарантирует слияние капли с ванной. Затем напряжение источника восстанавливают, что приводит к нарастанию тока короткого замыкания в интервале t_к и перетеканию капли в ванну. В конце стадии короткого замыкания на время t_кк ток снова снижают, что обеспечивает разрыв перемычки между каплей и электродом без газодинамического удара. Вслед за этим напряжение источника восстанавливают или даже кратковременно повышают для надежного повторного зажигания дуги. Такое управление переносом при сварке в углекислом газе позволяет существенно снизить разбрызгивание и улучшить формирование шва при высокой устойчивости процесса.

Известен также способ управления дуговой сваркой с короткими замыканиями дугового промежутка (Патент США 4954691. Метод и устройство для управления сваркой с короткими замыканиями дугового промежутка, оп. 04.09.1990), в котором используется датчик напряжения, контролирующий приближение капли к ванне. Способ получил название STT (сварка с переносом за счет сил поверхностного натяжения), поскольку именно это явление при известном способе активно участвует в переносе капли в ванну. Поскольку капля переходит без газодинамического удара о поверхность расплавленного металла, то не происходит расплескивания ванны. Высокая регулярность управляемого переноса позволяет увеличить частоту и снизить массу переносимых капель, а успокоение ванны, особенно при сварке в вертикальном и потолочном положениях, облегчает удержание ванны от стекания.

Недостатком обоих вышеописанных способов является сложность управления режимами сварки. Как следует из графика сварочного тока на фиг.2, необходимо настроить четыре временных параметра, а кроме них еще не менее пяти энергетических параметров (скорость подачи проволоки, среднее напряжение, базовый и импульсный токи, а также скорость спада тока). К тому же процесс возможен только при быстродействии регулятора тока не хуже 0,5 мс, что удается реализовать лишь у инверторного источника. Поэтому процесс STT рекомендуется при относительно низких сварочных режимах, например при токе не более 150 А.

Известно устройство для сварки в углекислом газе (И.И.Заруба, В.П.Латанский, В.М.Сидоренко. Новый тип сварочного выпрямителя, "Автоматическая сварка", 1995, №5, с.53-57), в котором используется основной источник питания сварочной дуги в виде неуправляемого диодного выпрямителя и постоянно включенный параллельно ему дополнительный источник питания (цепь низковольтной подпитки), предназначенный для увеличения тока в момент короткого замыкания каплей. Это увеличение тока обеспечивает надежное сбрасывание капли с электрода за счет электродинамической силы при первом же касании капли и, следовательно, не дает ей задержаться на электроде. Такая задержка к следующему моменту касания привела бы к образованию уже более крупной капли, перенос которой сопровождается длительным и мощным коротким замыканием и сильным расплескиванием ванны. Срабатывание низковольтной подпитки происходит параметрически - при падении напряжения основного источника до 14 В, т.е. ниже величины минимального напряжения горения дуги, и поэтому она вступает в действие только с начала короткого замыкания.

Недостатком такого источника является невысокая эффективность низковольтной подпитки, поскольку на дуговой стадии процесса она успокоению ванны не способствует, а при отсутствии стабилизации сварочного напряжения у простейшего диодного выпрямителя плавление проволоки оказывается нерегулярным, и капли при касании ванны не всегда имеют достаточный размер и форму для их надежного сбрасывания.

Прототипом, наиболее близким к заявляемому способу и устройству, является универсальный источник (Патент РФ 44074. Сварочный тиристорный выпрямитель, оп. 27.02.2005). Источник содержит основную цепь питания сварочной дуги, выполненную на тиристорном выпрямительном блоке и сглаживающем дросселе, и цепь высоковольтной подпитки, выполненную на диодном выпрямительном блоке с балластным реостатом. Высоковольтная подпитка и сглаживающий дроссель поддерживают горение дуги в интервалах спада тока в тиристорах. Система управления выпрямителя построена на основе микропроцессорного регулятора, что придает выпрямителю при сварке в активных газах следующие достоинства: высокая стабильность сварочного напряжения, отсутствие длительных провалов сварочного тока и высокое быстродействие, ограничиваемое только периодичностью включения тиристоров. Управление переносом электродного металла в моменты коротких замыканий каплями осуществляется оптимизацией пиковых значений тока короткого замыкания в зависимости от диаметра электродной проволоки и скорости ее подачи.

Однако при относительно регулярном образовании капель такой процесс нельзя считать абсолютно управляемым, поскольку регулятор воздействует на каплю, уже коснувшуюся ванны, но не инициирует само это касание. Кроме того, стабилизация напряжения при его измерении за несколько периодов образования и переноса капель включает в усреднение и этапы горения дуги и этапы коротких замыканий и, следовательно, не гарантирует стабилизации длины дуги и достижения каплями одинаковых размеров к моменту касания с ванной, а поэтому не обеспечивает надежного успокоения ванны.

Задачей заявляемого изобретения является качественное формирование сварного шва в любых пространственных положениях независимо от действия как внешних, так и внутренних возмущений. Внешние возмущения могут быть вызваны колебаниями напряжения сети, неравномерностью подачи электродной проволоки, а также перемещениями горелки сварщиком. Внутренние возмущения объясняются циклическим характером переноса электродного металла - на стадии дугового разряда происходит плавление электрода и образование капли на его торце, а на стадии короткого замыкания - энергичное электродинамическое воздействие на каплю и ее перенос в ванну.

В соответствии с заявляемым изобретением успокоение ванны на стадии дугового разряда достигается как стабилизацией собственно напряжения дуги, так и стабилизацией так называемого сварочного напряжения, т.е. усредненного за несколько периодов дугового разряда и короткого замыкания. Внутренний, более короткий цикл автоматического управления обеспечивает стабилизацию напряжения дуги при образовании каждой капли и таким образом способствует стабилизации длины дуги и образованию до момента короткого замыкания одинаковых и притом мелких капель. Внешний цикл автоматического управления стабилизирует среднее сварочное напряжение и реагирует на более продолжительные внешние возмущения, что также способствует образованию мелких капель. Успокоение ванны на стадии короткого замыкания достигается за счет искусственного запуска процесса переноса с частотой, соответствующей естественной частоте образования мелких капель, перенос которых еще не вызывает чрезмерного силового воздействия на ванну. С этой целью к моменту достижения каплей расчетного размера в кривой тока формируется провал, что приводит к снижению давления дуги на каплю и ванну и их сближению, а затем с момента их слияния формируется импульс тока, способствующий сбрасыванию капли с электрода в ванну.

При этом длительность цикла стабилизации напряжения дуги принимают меньше интервала непрерывного горения дуги между переносами капель, а длительность цикла стабилизации среднего сварочного напряжения устанавливают на порядок больше.

Частоту следования импульсных воздействий рассчитывают из условия f=1,5 V_п/d_э, где f - частота следования импульсов, Гц; V_п - скорость подачи электродной проволоки, мм/с; d_э - диаметр электродной проволоки, мм, и выбирают из ряда ближайших частот 150; 125; 100; 87,5; 75; 67,5; 60 и 50 Гц. Это обеспечивает согласование частоты импульсных воздействий, запускающих процесс переноса, с естественной частотой образования капель расплавленного электродного металла и тем самым уменьшает их размер. Это, в свою очередь, снижает электродинамическое воздействие на ванну на стадии короткого замыкания.

Частоту следования импульсных воздействий для предотвращения постоянного намагничивания железа трансформатора тиристорного выпрямителя принимают предпочтительно из ряда частот 150; 125; 87,5 и 60 Гц.

Заявляемый способ сварки осуществляется с помощью заявляемого устройства. Решение технической задачи достигается за счет того, что устройство для механизированной дуговой сварки в активных газах, содержащее трансформатор, основную силовую цепь, образованную последовательным соединением первого выхода трансформатора, тиристорного выпрямительного блока и дросселя, цепь высоковольтной подпитки, образованную последовательным соединением второго выхода трансформатора, первого магнитного пускателя, первого диодного выпрямительного блока и балластного реостата, микропроцессорный регулятор с несколькими входами и выходами, при этом выходы основной силовой цепи и цепи высоковольтной подпитки объединены и подключены через датчик тока к внешним зажимам, выход датчика тока соединен с первым измерительным входом микропроцессорного регулятора, а выход датчика напряжения соединен со вторым измерительным входом микропроцессорного регулятора, первый управляющий выход микропроцессорного регулятора соединен с управляемым входом тиристорного выпрямительного блока, второй управляющий выход микропроцессорного регулятора соединен с управляемым входом первого магнитного пускателя, согласно изобретению снабжено цепью низковольтной подпитки, образованной последовательным соединением третьего выхода трансформатора, второго магнитного пускателя, второго диодного выпрямительного блока и управляемого дросселя, при этом выход цепи низковольтной подпитки соединен с входом датчика тока, четвертый управляющий выход микропроцессорного регулятора соединен с управляемым входом второго магнитного пускателя, третий управляющий выход микропроцессорного регулятора соединен с управляемым входом управляемого дросселя, а выход датчика напряжения внешней обратной связи соединен с третьим измерительным входом.

Алгоритм управления основной силовой цепью с использованием микропроцессорного регулятора обеспечивает два вложенных цикла стабилизации: собственно напряжения дуги и усредненного сварочного напряжения, а также запуска процесса переноса с заданной частотой посредством пропуска включения одного тиристора.

Введение датчика внешней обратной связи, измеряющего напряжение в непосредственной близости к электрической дуге, позволяет устранить влияние активного и реактивного сопротивлений сварочных кабелей на результат измерения и, тем самым, повысить точность и быстродействие стабилизации напряжения.

Цепь высоковольтной подпитки повышает устойчивость дугового процесса, а цепь низковольтной подпитки оптимизирует перенос при коротком замыкании.

Таким образом, техническая задача решается тем, что на стадии дугового разряда успокоение ванны достигается путем стабилизации напряжения за счет двух вложенных циклов автоматического управления, из которых первый обеспечивает стабилизацию напряжения собственно дуги, а второй - стабилизацию среднего сварочного напряжения, а на стадии короткого замыкании осуществляют успокоение ванны путем снижения электродинамического воздействия на ванну за счет уменьшения размеров переносимых капель, для чего обеспечивают согласование с естественной частотой образования капель частоты импульсных воздействий на каплю и ванну посредством формирования провала тока, запускающего процесс переноса, и последующего пика тока короткого замыкания, приводящего к отрыву капли от электрода.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена блок-схема сварочного тиристорного выпрямителя;

фиг.2 - общеизвестный график изменения сварочного тока с управляемым переносом металла и кинограмма этого процесса;

фиг.3 - графики изменения тока и напряжения по заявляемому алгоритму;

фиг.4 - графики формирования импульсов с различной частотой следования по заявляемому алгоритму;

фиг.5 - осциллограммы сварочного тока и напряжения при сварке в нижнем положении;

фиг.6 - осциллограммы сварочного тока и напряжения при вертикальной сварке сверху вниз.

Сварочный тиристорный выпрямитель (фиг.1) содержит силовой источник переменного напряжения, который выполнен в виде трехфазного трансформатора 1. Трехфазный трансформатор 1 имеет секцию из трех первичных обмоток (на чертеже вход трансформатора), запитанных от сети, а также секцию основных вторичных обмоток (первый выход трансформатора), секцию первых дополнительных вторичных обмоток (второй выход трансформатора) и секцию вторых дополнительных вторичных обмоток (третий выход трансформатора).

Основная силовая цепь содержит последовательно соединенные первый выход трансформатора 1, тиристорный выпрямительный блок 2 и дроссель 3. Цепь высоковольтной подпитки содержит последовательно соединенные второй выход трансформатора 1, магнитный пускатель 4, диодный выпрямительный блок 5 и балластный реостат 6. Цепь низковольтной подпитки содержит последовательно соединенные третий выход трансформатора 1, магнитный пускатель 7, диодный выпрямительный блок 8 и управляемый дроссель 9. Выходы цепей основной, низковольтной и высоковольтной подпиток объединены и через датчик 10 тока соединены с выходом 11 сварочного тиристорного выпрямителя. Второй выход 12 сварочного тиристорного выпрямителя заземлен и соединен (не показано) с диодным выпрямительным блоком 8, диодным выпрямительным блоком 5 и тиристорным выпрямительным блоком 2.

Сварочный тиристорный выпрямитель содержит микропроцессорный регулятор 13, выполненный на микроконтроллере с согласующими элементами. Первый управляющий выход 14 микропроцессорного регулятора 13 соединен с управляющим входом тиристорного выпрямительного блока 2. Второй управляющий выход 15 микропроцессорного регулятора 13 соединен с управляющим входом магнитного пускателя 4. Третий управляющий выход 16 микропроцессорного регулятора 13 соединен с управляющим входом магнитного пускателя 7. Четвертый управляющий выход 17 микропроцессорного регулятора 13 соединен с управляющим входом управляемого дросселя 9. Пятый управляющий выход 18 микропроцессорного регулятора 13 соединен с управляющим входом автоматического выключателя 19. Измерительные входы 20, 21 и 22 микропроцессорного регулятора 13 соединены соответственно с выходами датчика 10 тока, датчика 23 напряжения и датчика 24 напряжения внешней обратной связи. Вход датчика 23 напряжения подключен к выходу 11 сварочного тиристорного выпрямителя. Вход датчика 24 напряжения внешней обратной связи подключен наиболее близко к сварочной дуге, для этого один провод входа крепится к гибкому токоподводящему шлангу сварочной горелки 25, подключенной через кабель 26 к выходу 11 сварочного тиристорного выпрямителя, а второй провод входа - к свариваемой детали 27. Микропроцессорный регулятор 13 имеет установочные входы для задания режимов работы, вход 28 используется для настройки режима с панели управления, вход 29 - для подстройки напряжения с пульта дистанционного управления, а вход 30 - для включения сварочного тиристорного выпрямителя на сварку.

Предварительно запускают автоматический выключатель 19, в результате чего возникает напряжение на входе и всех выходах трансформатора 1. Затем с панели управления выполняют настройку параметров сварочного процесса с использованием установочного входа 28 микропроцессорного регулятора 13. Для начала сварки по сигналу 30 от кнопки на сварочной горелке 25 микропроцессорный регулятор 13 через первый управляющий выход 14 подает сигнал на управляемый вход тиристорного выпрямительного блока 2, что приводит к запуску основной силовой цепи, в результате чего переменное напряжение с первого выхода трансформатора 1 выпрямляется тиристорным блоком 2, сглаживается дросселем 3 и поступает на сварочную горелку 25.

В цепи высоковольтной подпитки напряжение с секции первых дополнительных вторичных обмоток трансформатора 1 через магнитный пускатель 4 подается на диодный выпрямительный блок 5, где выпрямляется, при этом ток ограничивается сопротивлением балластного реостата 6. Подключение к сварочной горелке высоковольтной подпитки осуществляется микропроцессорным регулятором 13 путем формирования соответствующего сигнала на втором управляющем выходе 15, который включает магнитный пускатель 4. Цепь высоковольтной подпитки имеет крутопадающую вольтамперную характеристику с характерными точками (I=0, U=80-100 B и U=0, I=10-30 А). Ток высоковольтной подпитки заполняет провалы между включениями тиристоров выпрямительного блока 2 и этим способствует устойчивому горению сварочной дуги.

В цепи низковольтной подпитки напряжение, подаваемое с секции вторых дополнительных вторичных обмоток трансформатора 1 через магнитный пускатель 7, выпрямляется в диодном блоке 8, при этом пиковый ток низковольтной подпитки ограничивается управляемым дросселем 9. Подключение к сварочной горелке низковольтной подпитки производится микропроцессорным регулятором 13 путем включения магнитного пускателя 7 от сигнала с третьего управляющего выхода 16, а изменение индуктивности управляемого дросселя 9 - от сигнала с четвертого управляющего выхода 17. Цепь низковольтной подпитки имеет пологопадающую вольтамперную характеристику с характерными точками (I=0, U=10-15B и U=0, I=100-300A). Параметры низковольтной подпитки выбраны так, что при горении сварочной дуги она запирается основной силовой цепью и вступает в работу лишь в интервалах короткого замыкания каплями, способствуя их энергичному переносу.

Микропроцессорный регулятор 13 в процессе сварки непрерывно измеряет и анализирует сварочный ток и сварочное напряжение. Для этого сигнал обратной связи по току от датчика 10 тока и сигналы обратной связи по напряжению от датчиков 23 и 24 напряжения поступают на измерительные входы 20, 21 и 22 микропроцессорного регулятора 13, где они сравниваются с сигналами задания. В соответствии с настроенным режимом сварки микропроцессорный регулятор 13 формирует и подает с первого управляющего выхода 14 сигналы в тиристорный выпрямительный блок 2, регулирующие моменты включения каждого тиристора в соответствующий интервал переменного напряжения, устанавливая тем самым необходимый сварочный ток и напряжение.

Сварочный процесс при механизированной сварке в углекислом и других активных газах циклический (фиг.3). Он состоит из периодически повторяющихся этапов дугового разряда длительностью 7-50 мс, в течение которых в основном идет плавление электродной проволоки с образованием капли, и этапов короткого замыкания (контактного) длительностью 1-10 мс, в течение которых происходит перенос капли в ванну. Заявленным изобретением успокоение ванны обеспечивается на обоих этапах.

На этапе дугового разряда успокоение ванны достигается благодаря стабилизации напряжения за счет двух вложенных циклов числового управления, из которых первый обеспечивает стабилизацию напряжения дуги U_д, а второй - стабилизацию сварочного напряжения U_св, т.е. усредненного напряжения для стадий дугового и контактного процессов (фиг.3,а). Внутренний цикл микропроцессорного регулятора с периодом дискретности Т_д1 не учитывает напряжение U_кз короткого замыкания и должен быстро реагировать на изменения длины дуги и стабилизировать ее напряжение. Внутренний цикл регулирования поддерживает напряжение U_д за счет его сравнения с заданным U_зд=U_зсв+ΔU, где U_зсв - заданное среднее сварочное напряжение, a ΔU - поправка напряжения для учета коротких замыканий. Ошибка регулирования вычисляется здесь как разность между средним за T_д1 напряжением U_д без включения интервалов короткого замыкания и напряжением U_зд. Внешний же цикл регулирования имеет период дискретности Т_д2 и учитывает напряжения U_д и U_кз. Ошибка регулирования во внешнем цикле формируется как разность между усредненным за период Т_д2 фактическим напряжением U_св и заданным сварочным напряжением U_зсв. Внешний цикл также используется для вычисления поправки ΔU, необходимой для работы внутреннего цикла. Период дискретности Т_д2 на порядок больше T_д1, а поправка ΔU>0. Эти значения выбираются программой микропроцессорного регулятора автоматически в зависимости от принятого диаметра сварочной проволоки, например для диаметра 1,2 мм - ΔU=3 В, Т_д1=6,4 мс, Т_д2=51,2 мс. Благодаря стабилизации сварочного напряжения и особенно напряжения дуги стабилизируется и длина дуги, а поэтому обеспечивается и достижение каплями приблизительно одинаковых размеров к моменту их касания с ванной.

На этапе короткого замыкания для успокоения сварочной ванны управление с помощью микропроцессорного регулятора создает условия для надежного слияния капли с ванной и энергичный, но не взрывной ее перенос в ванну. С этой целью алгоритмом управления микропроцессорного регулятора периодически организуются пропуски во включениях одного из тиристоров (фиг.3,б). В результате в кривой тока возникает провал, в течение которого капля смещается к оси электрода, а ванна подтекает под электрод, что в совокупности создает благоприятные условия для слияния капли с ванной. Далее вступает в действие низковольтная подпитка, ранее запертая более высоким напряжением основной силовой цепи. Благодаря высокому току низковольтной подпитки, а затем и включению очередного тиристора основной силовой цепи формируется пиковый импульс тока короткого замыкания, способствующий разрыву перемычки между каплей и электродом и переходу капли в ванну. В многофазных (трех- и шестифазных) выпрямителях частота следования импульсов, образующихся естественным образом при поочередном включении тиристоров, соединенных с фазами трансформатора основной силовой цепи а+, с-, b+, a-, c+, b- и т.д., составляет 300 Гц. Если пропускать включения отдельных тиристоров, то реализуются частоты 150; 125; 100; 87,5; 75; 67,5; 60 и 50 Гц, дольные от исходной частоты 300 Гц (фиг.4). Например, импульсы с частотой 150 Гц получаются при включении тиристоров через один. Из вышеприведенного списка частоты 150; 125; 87,5 и 60 Гц предпочтительны с точки зрения нормальной работы трансформатора основной силовой цепи без опасности постоянного намагничивания его железа. Регулярный перенос мелкими каплями без длительных коротких замыканий и чрезмерных динамических воздействий на ванну можно обеспечить, если согласовать частоту пропусков во включении тиристоров, запускающих процесс переноса, с естественной частотой образования капель заданного размера. Если принять оптимальным диаметр сферической капли, равный диаметру электродной проволоки d_э, то при известной скорости подачи электродной проволоки V_п необходимую частоту пропусков можно определить по соотношению f=1,5V_п/d_э. Для большинства рациональных режимов сварки в диапазоне диаметров проволоки от 0,8 до 2 мм и скоростей подачи от 3 до 7 м/мин расчетная частота составляет от 50 до 200 Гц.

В подтверждение эффективности изобретения была выполнена серия экспериментов по сварке в углекислом газе проволоками диаметром от 0,8 до 1,6 мм на токах от 100 до 350 А. Для иллюстрации функционирования описанного алгоритма управления на фиг.5 приведены осциллограммы тока и напряжения, полученные при сварке в нижнем положении проволокой марки Св-08Г2С диаметром 1,2 мм при скорости ее подачи 3 м/мин, заданном сварочном напряжении 18 В и частоте управляющих импульсов 150 Гц с использованием универсального выпрямителя марки ВДУ-306МТ и полуавтомата марки ПДГО-512. Видно, что система управления действительно обеспечивает высокую стабильность напряжения дуги в интервалах между короткими замыканиями каплями. Относительные отклонения напряжения дуги, усредненные за 1-3 с, составляют не более ±0,3В (1,7% от среднего значения). На кривой тока обнаруживаются провалы с частотой 150 Гц, вызванные пропусками во включении каждого второго тиристора. Из них в 120 случаях после провала следует пик тока и интервал короткого замыкания каплей длительностью 2,3±0,4 мс, свидетельствующие о переносе малых капель диаметром менее 1 мм. Для сравнения, при неуправляемом переносе частота составляет 50-80 Гц, к тому же перенос здесь не столь регулярен. Разбрызгивание электродного металла в управляемом процессе не превышает 1%, тогда как в неуправляемом процессе составляет 3-6%.

Фиг.6 иллюстрирует процесс при сварке вертикального шва на том же режиме. И в этом случае обеспечивается регулярный перенос электродного металла мелкими каплями с частотой 93 Гц при длительности короткого замыкания каплями 3,4±0,5 мс. Визуально и при сварке в нижнем и в вертикальном положениях обнаруживается высокая устойчивость ванны в зазоре соединяемых деталей, легкое управление ее формой и положением.

Сварщики и технологи признали пригодность разработанного способа для выполнения корневого шва на неповоротных стыках магистральных трубопроводов, поскольку при высоком качестве проплавления обеих кромок, традиционно характерном для сварки в углекислом газе, в управляемом процессе удается благодаря отсутствию отекания ванны сформировать на весу шов без натеков, подрезов и прожогов в любых пространственных положениях, наблюдающихся на неповоротном кольцевом шве - нижнем, вертикальном, потолочном и всех промежуточных.

1. Способ механизированной дуговой сварки в активных газах, характеризующийся периодическим чередованием этапов дугового разряда и короткого замыкания, включающий плавление электродной проволоки и образование сварочной ванны энергией основной силовой цепи, образованной последовательным соединением первого выхода трансформатора, тиристорного выпрямительного блока и дросселя, поддержание непрерывного горения дуги в моменты спада тока, которое обеспечивают цепью высоковольтной подпитки, образованной последовательным соединением второго выхода трансформатора, первого магнитного пускателя, первого диодного выпрямительного блока и балластного реостата, и регулирование режима и автоматическое управление процессом, которое выполняют с помощью микропроцессорного регулятора, отличающийся тем, что на стадии дугового разряда осуществляют успокоение ванны путем стабилизации напряжения за счет двух вложенных циклов автоматического управления, из которых первый обеспечивает стабилизацию напряжения собственно дуги, а второй - стабилизацию среднего сварочного напряжения, при этом на стадии короткого замыкании осуществляют успокоение ванны путем снижения электродинамического воздействия на ванну за счет уменьшения размеров переносимых капель, для чего осуществляют согласование естественной частоты образования капель с частотой импульсных воздействий на каплю и ванну посредством формирования провала тока, запускающего процесс переноса, и последующего пика тока короткого замыкания, обеспечивающего отрыв капли от электрода.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность цикла стабилизации напряжения дуги принимают меньше интервала непрерывного горения дуги между переносами капель, а длительность цикла стабилизации среднего сварочного напряжения устанавливают на порядок больше.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту следования импульсных воздействий рассчитывают из условия f=1,5 V_п/d_э,
где f - частота следования импульсов, Гц;
V_п - скорость подачи электродной проволоки, мм/с;
d_э - диаметр электродной проволоки, мм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту следования импульсных воздействий при использовании многофазных тиристорных выпрямительных блоков принимают из ряда частот 150; 125; 100; 87,5; 75; 67,5; 60 и 50 Гц.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что для предотвращения постоянного намагничивания трансформатора тиристорного сварочного выпрямителя частоту следования импульсных воздействий принимают предпочтительно из ряда частот 150; 125; 87,5 и 60 Гц.

6. Устройство для механизированной дуговой сварки в активных газах, содержащее трансформатор, основную силовую цепь, образованную последовательным соединением первого выхода трансформатора, тиристорного выпрямительного блока и дросселя, цепь высоковольтной подпитки, образованную последовательным соединением второго выхода трансформатора, первого магнитного пускателя, первого диодного выпрямительного блока и балластного реостата, микропроцессорный регулятор с несколькими входами и выходами, при этом выходы основной силовой цепи и цепи высоковольтной подпитки объединены и подключены через датчик тока к внешним зажимам, выход датчика тока соединен с первым измерительным входом микропроцессорного регулятора, а выход датчика напряжения соединен со вторым измерительным входом микропроцессорного регулятора, первый управляющий выход микропроцессорного регулятора соединен с управляемым входом тиристорного выпрямительного блока, второй управляющий выход микропроцессорного регулятора соединен с управляемым входом первого магнитного пускателя, отличающееся тем, что оно снабжено цепью низковольтной подпитки, образованной последовательным соединением третьего выхода трансформатора, второго магнитного пускателя, второго диодного выпрямительного блока и управляемого дросселя, при этом выход цепи низковольтной подпитки соединен с входом датчика тока, четвертый управляющий выход микропроцессорного регулятора соединен с управляемым входом второго магнитного пускателя, третий управляющий выход микропроцессорного регулятора соединен с управляемым входом управляемого дросселя, а выход датчика напряжения внешней обратной связи соединен с третьим измерительным входом.