Способ возбуждения сварочной дуги переменного тока и устройство для его осуществления

 

Использование: изобретение относится к электродуговой сварке металлов плавящимся электродом и предназначено для сварки конструкций из стали и цветных металлов малых толщин. Сущность изобретения: способ возбуждения сварочной дуги переменного тока заключается в предварительной ионизации дугового промежутка возбуждающим высоковольтным импульсом. Возбуждающий высоковольтный импульс подают с частотой, равной частоте переменного тока источника питания одновременно с началом подачи тока источнику питания, полярностью, одинаковой полярности напряжения холостого хода источника питания. Устройство для возбуждения сварочной дуги переменного тока содержит источник питания, накопительный элемент, тиристорный коммутатор, высоковольтный трансформатор, импульсный трансформатор, формирователь запускающих импульсов, В устройство введены выпрямитель, регулятор тока и дроссель, причем начало и конец первичных и вторичных обмоток трансформаторов и дросселя соединены таким образом, чтобы обеспечилось совпадение полярностей высоковольтного импульса и напряжения холостого хода. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электродуговой сварке металлов плавящимся электродом и предназначено для сварки конструкций из стали преимущественно малых толщин.

Известный способ питания дуги переменного тока, выбранный в качестве аналога, описанный в а.с. 753569, кл. В 23 К 9/067, характеризуется тем, что используют в цепи питания трансформатора дроссель и конденсатор, причем дроссель и конденсатор настраивают на резонансную частоту, отличную от частоты питания сети, а разность частот определяют по отношению рабочего тока к току короткого замыкания в зависимости от технологического процесса.

К недостаткам указанного аналога следует отнести отсутствие подачи на дуговой промежуток инициирующего высокого напряжения.

Известный способ возбуждения электрической дуги, выбранный в качестве аналога, описанный в а. с. СССР 1613263, кл. В 23 K 9/08, характеризуется тем, что дугу возбуждают высоковольтным импульсом, имеющим амплитуду напряжения 5-15 кВ, короткий передний фронт и пологопадающий задний фронт.

Недостатком представленного аналога является то, что при мощности источника питания, недостаточной для горения электрической дуги, высоковольтный импульс не обеспечит условий для возбуждения и горения дуги.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявленному способу является, выбранный в качестве прототипа, способ возбуждения сварочной дуги переменного тока, описанный в а.с. СССР 561639, кл. В 23 K 9/067.

Способ возбуждения сварочной дуги переменного тока, заключающийся в предварительной ионизации дугового промежутка возбуждающим высоковольтным импульсом.

Существенным для прототипа является подача напряжения источника питания на дуговой промежуток импульсами, начало и конец которых синхронизируют соответственно с наименьшими и наибольшими расчетными значениями угла сдвига между напряжением холостого хода источника питания и током дуги, а после возбуждения дуги напряжение источника питания подают непрерывно.

Недостатком указанного прототипа является то, что при снижении мощности источника питания за счет импульсной подачи напряжения на дуговой промежуток в фазу, при которой значение тока близко к нулю, снижается вероятность стабильного возбуждения дуги. Тем более фаза и полярность ионизирующего импульса не определены.

Известное устройство, выбранное в качестве аналога, генератор высокого напряжения для бесконтактного инициирования сварочной дуги, описанное в заявке Польши 270986, МКИ В23K, публикация 89.09.04, 18, характеризуется тем, что в генераторе вторичная обмотка импульсного трансформатора включена последовательно в цепь сварки источника тока, последовательно с первичной обмоткой трансформатора включены тиристор и конденсатор, заряжаемый преобразователем напряжения, вход которого соединен с выходом блока управления. На входе блока управления включен шунт, соединенный с источником тока.

К недостаткам указанного аналога следует отнести то, что повышающая обмотка высоковольтного трансформатора включена последовательно в цепь сварки источника тока, что является неэкономичным с точки зрения расхода медного обмоточного провода, так как повышающая обмотка потребует большого числа витков.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявленному устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для возбуждения и стабилизации горения сварочное дуги, описанное в а.с. СССР 1346366, кл. В 23 K 9/06.

Устройство для возбуждения сварочной дуги переменного тока, содержащее источник питания, первая входная клемма которого подключена к клемме входного переменного напряжения, а первая выходная клемма источника питания подключена к первой выходной клемме, тиристорный коммутатор, анод которого подключен к концу первичной обмотки высоковольтного трансформатора, начало первичной обмотки которого подключено к первому выводу накопительного элемента, а управляющий электрод тиристорного коммутатора подключен к первому выходу формирователя запускающих импульсов, первый вход которого соединен с началом вторичной обмотки импульсного трансформатора.

К недостатку представленного прототипа следует отнести о, что полярность возбуждающего высоковольтного импульса, инициирующего дугу, и полярность напряжения холостого хода источника питания не совпадают, что при снижении мощности источника питания будет снижаться эффективность возбуждения и стабилизации горения сварочной дуги.

Технический результат заключается в том, что заявленный способ и устройство для его реализации обеспечивает проведение электросварочных работ на малых токах, порядка 25-30 Ампер, что дает возможность сваривать конструкции из тонколистных металлов.

Технический результат достигается тем, что в способе возбуждения сварочной дуги переменного тока, заключающимся в предварительной ионизации дугового промежутка возбуждающим высоковольтным импульсом, в отличие от прототипа, возбуждающий высоковольтный импульс подают с частотой равной частоте переменного тока источника питания вместе с началом подачи тока источнику питания, полярностью одинаковой с полярностью напряжения холостого хода источника питания.

В устройстве для возбуждения сварочной дуги переменного тока, содержащем источник питания, первая входная клемма которого подключена к клемме входного переменного напряжения, а первая выходная клемма источника питания подключена к первой выходной клемме, тиристорный коммутатор, анод которого подключен к концу первичной обмотки высоковольтного трансформатора, начало первичной обмотки которого подключено к первому выводу накопительного элемента, а управляющий электрод тиристорного коммутатора подключен к первому выходу формирователя запускающих импульсов, первый вход которого соединен с началом вторичной обмотки импульсного трансформатора, в отличие от прототипа, вторая клемма источника питания подключена к первому входу регулятора тока, второй вход которого подключен к первому входу выпрямителя и к первой клемме входного переменного напряжения, вторая клемма входного переменного напряжения подключена к первому выходу регулятора тока, второму входу выпрямителя и концу первичной обмотки импульсного трансформатора, начало первичной обмотки которого через ограничительный элемент подключено к второму выходу регулятора тока, конец вторичной обмотки импульсного трансформатора подключен к второму входу формирователя запускающих импульсов и к первому выходу выпрямителя, второй выход которого через ограничительный элемент подключен к первому выводу накопительного элемента, второй вывод которого подключен к второму выходу формирователя запускающих импульсов и к катоду тиристорного коммутатора, причем конец вторичной обмотки высоковольтного трансформатора подключен ко второй выходной клемме и к концу обмотки дросселя, начало обмотки которого подключено ко второй выходной клемме источника питания, первая выходная клемма которого подключена к началу вторичной обмотки высоковольтного трансформатора, причем первая выходная клемма источника питания подключена к свариваемой конструкции, а вторая выходная клемма к электроду.

В устройстве для возбуждения сварочной дуги переменного тока, в отличие от прототипа, вместо источника питания используется трансформатор, в котором начало и конец первичной обмотки соответствуют первой и второй входным клеммам источника питания, а начало и конец вторичной обмотки трансформатора соответствуют первой и второй выходным клеммам источника питания.

Сущность заявленного способа заключается в том, что высоковольтный импульс подают одновременно с подачей тока, когда полярность высоковольтного импульса совпадает с полярностью переменного напряжения источника питания, вследствие чего на дуговом промежутке происходит сложение мощностей источника питания и высоковольтного импульса, искровой разряд высоковольтного импульса переходит в дуговой источника питания и обеспечивает достаточные энергетические условия для стабильного горения дуги. Устройство, реализуемое заявленный способ, обеспечивает формирование высоковольтных импульсов одновременно с подачей переменного тока к источнику питания в тот диапазон фаз, когда полярность напряжения источника питания и полярность высоковольтного импульса совпадают, причем частота подачи высоковольтного импульса равна частоте переменного тока.

На фиг. 1 представлена временная диаграмма функционирования способа возбуждения сварочной дуги переменного тока, где: U напряжение холостого хода источника питания; A высоковольтный возбуждающий импульс; На фиг.2 представлена функциональная схема устройства возбуждения сварочной дуги переменного тока.

На фиг. 3 представлена электрическая принципиальная схема примера конкретного исполнения устройства согласно фиг.2.

Способ осуществляется следующим образом.

Источник питания сварочной дуги формирует переменное напряжение холостого хода 50-70 В минимальный сварочный ток должен быть 60-100 А/6/. В этом случае источник питания должен выдавать мощность в сварочную цепь 4200-8000 Вт. При сварке конструкций из тонколистных металлов толщиной 0,5-1,5 мм электродуговой сваркой сварочный ток должен быть от 15-35 А, с целью исключения теплового прожега металла. Такой сварочный ток может применяться, в частности при сварке автомобильного металла /толщина металла 0,5-1,5 мм/, при котором металлический лист не прожигается, но в этом ситуации не будет хватать энергии на дуговом промежутке для устойчивого горения дуги.

Для устойчивого горения дуги, когда источник питания не выдает достаточную энергию на дуговой промежуток, заявленный способ обеспечивает подпитку энергии дугового промежутка, определяемую источником питания, энергией возбуждаемого высоковольтного импульса, вырабатываемого устройством возбуждения электрической сварочной дуги переменного тока.

На фиг.1 представлена временная диаграмма функционирования способа возбуждения электрической дуги переменного тока.

На вход источника питания подается переменное напряжение промышленной частоты. Источник питания формирует напряжение холостого хода (U согласно диаграмме фиг.1) и управляется по первичной цепи через регулятор тока, построенный на симисторе и времязадающей RC-цепочке, обеспечивающий фазозадерживающее включение источника питания. На фиг.1 показана подача напряжения с задержкой по фазе в каждой полуволне переменного напряжения. Ток на индуктивности отстает от напряжения на и также, как напряжение имеет подачу с фазовой задержкой на вход источника питания. Высоковольтный импульс А положительной полярности подается к дуговому промежутку в диапазон фаз от О до π+2πk, где k-1,2,п, когда напряжение U холостого хода имеет положительный знак, одновременно с подачей тока i к источнику питания (см.диаграмму фиг. 1). Источник питания выдает мощность на дуговой промежуток равную Высоковольтный импульс, подаваемый на дуговой промежуток, имеет мощность где: С емкость накопительного элемента устройства возбуждения сварочной дуги, U_o напряжение заряда накопительного элемента.

Δt время разряда накопительного элемента.

На дуговом промежутке эти мощности складываются
Причем при одинаковых полярностях напряжения источника питания и высоковольтного импульса искровой разряд высоковольтного импульса переходит в дуговой источник питания и обеспечивает стабильное возбуждение и горение электрической дуги.

Высоковольтный импульс формируется осциллятором, который представляет цепь второго порядка, а именно, имеет емкость в качестве накопительного элемента и индуктивность высоковольтного трансформатора, во вторичной цепи которого, подключенной параллельно дуговому промежутку, возникает высокочастотный колебательный процесс.

Переходной процесс в цепи осциллятора описывается по закону /7/

где: L индуктивность высоковольтного трансформатора,
R активное сопротивление его обмотки.

С емкость накопительного элемента.

Откуда свободный ток

или

после несложных преобразований можно получить максимальное время переходного процесса

необходимое для оценки мощности высоковольтного импульса.

Учитывая большие потери во вторичной цепи высоковольтного трансформатора, колебания в нем затухают очень быстро. Поэтому в заявленном способе высоковольтный импульс имеет конкретную полярность.

При конкретных значениях элементов схемы осциллятора и конкретной мощности источника питания дадим оценку энергетического состояния дугового промежутка. При емкости накопительного элемента С=0,68 мкф значение тока разряда из уравнения /5/ составляет 180 Ампер.

Из уравнения /6/ время переходного процесса составляет
t_max 0,85·10^-6 С
Далее из уравнения /3/ определяем мощность высоковольтного импульса, прикладываемого к дуговому промежутку

где: U_o 400В напряжение заряда накопительного элемента осциллятора. Таким образом осциллятор формирует высоковольтный импульс мощностью 64 кВт за время 0,85 мкс.

Источник питания выдает мощность по уравнению /1/
P_и.п=U·i=60В·40А=2400 Вт
где: U напряжение холостого хода равное 60 В,
i сварочный ток равный 40 А.

В соответствии с уравнением /3/ мощность, подводимая к дуговому промежутку в момент выдачи высоковольтного импульса равна
Р=64·10³+2,4·10³= 66,4·10³
Для обеспечения надежных условий перехода искрового разряда в дуговой необходимо увеличение мощности источника напряжения /8/. т.е. осциллятор, как источник высокого напряжения, создает напряжение искрового пробоя положительной полярности, одновременно мощность на дуговом промежутке увеличивается за счет положительной полярности напряжения источника питания и происходит дуговой разряд. При подаче напряжения отрицательной полярности от источника питания, мощность источника напряжения, сформировавшее напряжение искрового пробоя, уменьшится до нуля, тем самым, нет будут созданы условия для перехода искры в дуговой разряд.

На фиг.2 представлено устройство, реализующее способ возбуждения сварочной дуги переменного тока.

Устройство содержит источник 1 питания, входная клемма которого включена через регулятор 2 тока, один из входов которого через ограничительный 3 элемент соединен с началом первичной обмотки импульсного 4 трансформатора, вторичная обмотка которого через формирователь 5 запускающих импульсов соединен с тиристорным 6 коммутатором, выпрямитель 7 через ограничительный 8 элемент соединен с накопительным 9 элементом и началом первичной обмотки высоковольтного 10 трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к дросселю 11 параллельно дуговому промежутку.

Устройство работает следующим образом. К входным клеммам устройства подается переменное напряжение 220 В частоты 50 Гц. Это напряжение прикладывается к регулятору 2 тока, который в соответствии с регулируемой фазовой задержкой подключает источник 1 питания сети переменного тока, подавая к входным клеммам напряжение U и ток i в соответствии с временной диаграммой фиг. 1. С выходных клемм источника 1 питания к дуговому промежутку прикладывается напряжение холостого хода формы, соответствующей напряжению U фиг. 1. Причем выходная клемма источника питания соединена с началом обмотки воздушного дросселя 11, конец обмотки которого подключен к дуговому промежутку. Дроссель 11 играет двоякую роль: во-первых, он является индуктивной нагрузкой для высоковольтного 10 трансформатора и его индуктивностью определяется длина дуги, во-вторых, дроссель обеспечивает крутопадающую характеристику источника 1 питания и является высокочастотным фильтром, препятствующим прохождению помех в промышленную сеть питания 220 В. Напряжение питания поступает на вход выпрямителя 7, который его выпрямляет и подает через ограничительный 8 на накопительный 9 элемент, в качестве которого использован конденсатор. Этот конденсатор заряжается до напряжения, примерно, 400 В. Регулятор 2 тока одновременно с подачей тока к источнику 1 питания формирует запускающие импульсы и через ограничительный 3 элемент подает их на первичную обмотку импульсного 4 трансформатора, со вторичной обмотки которого импульсы поступают на вход формирователя 5 запускающих импульсов. Импульсный 4 трансформатор обеспечивает гальваническую развязку первичной цепи источника 1 питания, где переменное напряжение, от цепи источника 1 питания, где переменное напряжение, от цепи осциллятора, который работает на постоянном напряжении, формируемым выпрямителем 7. Причем блоки 4-10 образуют осциллятор, формирующий высокое напряжение на дуговом промежутке. Формирователь 5 запускающих импульсов выдает импульсы положительной полярности по отношению к катоду тиристорного 6 коммутатора на его запускающий электрод. При включении от запускающего импульса тиристорного 6 коммутатора происходит разряд накопительного 9 элемента через первичную обмотку высоковольтного 10 трансформатора и тиристорный 6 коммутатор. Причем емкость накопительного 9 элемента и индуктивность высоковольтного 10 трансформатора подбираются таким образом, чтобы в разрядной цепи накопительного 9 элемента возник колебательный процесс и произошел его перезаряд. Это способствует большему накоплению энергии высоковольтным 10 трансформатором и соответственно передаче ее со вторичной обмотки к дуговому промежутку (см. фиг.1, импульсы А).

Регулятор 2 тока, управляющий фазовой регулировкой тока в первичной цепи источника 1 питания, одновременно с подачей тока источнику питания выдает короткие импульсы в осциллятор для формирования запускающих высоковольтных импульсов. Начало и конец обмоток индуктивных элементов, в частности, источника 1 питания, импульсного 4 трансформатора, дросселя 11 обозначены на схеме согласно фиг.2 и имеют принципиальное значение, т.к. в этом случае обеспечивается подача высоковольтного импульса А в диапазон фаз от 0 до π+2πk,+, где к= 1,2,п, полярность которого совпадает с полярностью напряжения холостого хода источника 1 питания.

На фиг.3 представлена электрическая принципиальная схема устройства согласно фиг. 2. В этом устройстве в качестве источника 1 питания использован трансформатор мощностью 300-350 Вт, в котором первая и вторая входные клеммы соответствуют началу и концу первичной обмотки трансформатора, а первая и вторая выходные клеммы соответствуют началу и концу вторичной обмотки трансформатора, регулятор 2 тока выполнен на резисторах 13, 14, конденсаторе 15, динисторе 16 и симисторе 17, формирователь 5 запускающих импульсов выполнен в виде однополупериодного выпрямителя на диодах 18, 19, тиристорный 6 коммутатор выполнен на тиристоре 20 и резисторе 21, выпрямитель 7 выполнен в виде диодного моста на диодах 22-25; высоковольтный 10 трансформатор выполнен без сердечника для обеспечений колебаний высокой частоты во вторичной цепи трансформатора.

При подаче напряжения 220 В, 50 Гц к регулятору 2 тока через резисторы 13, 14 заряжается конденсатор 15 до напряжения включения динистора 16. При включении динистора 16 конденсатор 15 разряжается через него и управляющий электрод симистора 17, при этом формируются короткие управляющие импульсы в цепи первичной обмотки импульсного 4 трансформатора и в цепи электрода управления симистора 17, который открывается с фазовой задержкой и подключает к сети первичную обмотку трансформатора 1, во вторичной цепи которого формируется напряжение холостого хода, прикладываемое к дуговому 12 промежутку. Переменное напряжение прикладывается к выпрямителю 7, который формирует постоянное напряжение для работы осциллятора. Постоянное напряжение с выхода выпрямителя 7 через резистор 8 заряжает конденсатор 9. Одновременно с открытием симистора 17 запускающие импульсы через резистор 3 подаются в первичную обмотку импульсного 4 трансформатора, со вторичной обмотки которого импульсы подаются в формирователь 5 запускающих импульсов. На диодах 18,19 импульсы выпрямляются и подаются на управляющий электрод тиристора 20, который включается и через первичную обмотку высоковольтного 10 трансформатора происходит разряд конденсатора 9. Во вторичной обмотке высоковольтного 10 трансформатора наводится высоковольтное напряжение, которое прикладывается к дуговому 12 промежутки одновременно с подачей напряжения холостого хода трансформатора 1.

Фаза подачи напряжения холостого хода, соответственно возбуждающего высоковольтного импульса, определяется положением переменного резистора 14, которым определяется величина сварочного тока.

Итак, возбуждающий высоковольтный импульс подается с частотой 50 Гц в диапазон фаз, при котором его полярность совпадает с полярностью напряжения холостого хода, что создает дополнительную добавку энергии на дуговом промежутке, соответственно создает условия для надежного перехода искрового разряда высоковольтного импульса в дуговой разряд источника питания.

Эффект при использовании заявленного способа и устройства, реализующего его, заключается в следующем:
осциллятор формирует длинную и стабильную дугу, что создает условия для образования ровного непрерывающего шва, отсутствует перегрев металла, соответственно не образуется крупнозернистая структура и металл не теряет пластичность и ударную вязкость; такие условия дают возможность использовать его в авторемонтном промысле без применения газовой среды; шов становится прочным, не корродирует, не теряет ударной вязкости;
наличие осциллятора позволяет проводить сварку цветных металлов в газовой среде;
малые габариты, вес /6-8 кГ/ и малое энергопотребление позволяет широко использовать аппарат в народном промысле, подключая его к бытовым электросетям.

Формула изобретения

1. Способ возбуждения сварочной дуги переменного тока, заключающийся в предварительной ионизации дугового промежутка возбуждающим высоковольтным импульсом, отличающийся тем, что возбуждающий высоковольтный импульс подают с частотой, равной частоте переменного тока источника питания вместе с началом подачи тока источнику питания, полярностью, одинаковой с полярностью напряжения холостого хода источника питания.

2. Устройство для возбуждения сварочной дуги переменного тока, содержащее источник питания, первая входная клемма которого подключена к первой клемме входного переменного напряжения, а первая выходная клемма источника питания к первой выходной клемме, тиристорный коммутатор, анод которого подключен к концу первичной обмотки высоковольтного трансформатора, начало первичной обмотки которого подключено к первому выводу накопительного элемента, а управляющий электрод тиристорного коммутатора подключен к первому выходу формирователя запускающих импульсов, первый вход которого соединен с началом вторичной обмотки импульсного трансформатора, отличающееся тем, что оно снабжено регулятором тока, двумя ограничительными элементами, выпрямителем и дросселем, причем вторая входная клемма источника питания подключена к первому входу регулятора тока, второй вход которого подключен к первому входу выпрямителя и к первой клемме входного переменного напряжения, вторая клемма входного переменного напряжения подключена к первому выходу регулятора тока, второму входу выпрямителя и концу первичной обмотки импульсного трансформатора, начало первичной обмотки которого через первый ограничительный элемент подключено к второму выходу регулятора тока, конец вторичной обмотки импульсного трансформатора подключен к второму входу формирователя запускающих импульсов и первому выходу выпрямителя, второй выход которого через второй ограничительный элемент подключен к первому выводу накопительного элемента, второй вывод которого подключен к второму выходу формирователя запускающих импульсов и к катоду тиристорного коммутатора, причем конец вторичной обмотки высоковольтного трансформатора подключен к второй выходной клемме и к концу обмотки дросселя, начало обмотки которого подключено к второй выходной клемме источника питания, первая выходная клемма которого подключена к началу вторичной обмотки высоковольтного трансформатора, причем первая выходная клемма источника питания подключена к свариваемой конструкции, а вторая выходная клемма к электроду.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что источник питания выполнен в виде трансформатора, в котором начало и конец первичной обмотки подключены к первой и второй входным клеммам источника питания, а начало и конец вторичной обмотки трансформатора к первой и второй выходным клеммам источника питания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3