СПОСОБ ДУГОВОЙ СВАРКИ И ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК B23K9/173 B23K9/06 

Изобретение относится к сварочной технике и может быть использовано при дуговой сварке неподвижным плавящимся электродом длинномерных изделий большой толщины более 25 мм.

Из предшествующего уровня техники известен способ дуговой сварки плавящимся электродом (авторское свидетельство СССР N 1148741, кл. B 23 K 9/171, 1978), согласно которому питание сварочной дуги осуществляют от источника питания, имеющего в диапазоне рабочих режимов сварки крутопадающую внешнюю вольтамперную характеристику, а при снижении напряжения на дуге на 15-20% ниже заданного рабочего диапазона питание дуги осуществляют от источника с пологопадающей или жесткой внешней характеристикой.

Недостаток этого способа заключается в том, что он не может быть использован для выполнения сварных соединений в труднодоступных местах, поскольку необходимо обеспечить перемещение плавящегося электрода относительно свариваемых изделий. Кроме того, известный способ характеризуется низкой производительностью.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является способ дуговой сварки неподвижным плавящимся электродом (И.В. Зуев и др. Сварка плавлением по способу МЭИ, сварочное производство, 1988, N 8, с. 48), включающий установку в зазоре между свариваемыми изделиями плавящегося электрода, выполненного в виде пластины с нанесенным на обе ее противоположные поверхности диэлектрическим покрытием, подключение электрода и изделий к различным полюсам источника питания, зажигание дуги между торцом электрода, обращенным к корню шва, и изделиями и сварку.

Из предшествующего уровня техники известен также и источник питания для дуговой сварки плавящимся электродом (авторское свидетельство СССР N 181212, кл. B 23 K 9/06, 1965), содержащий силовой трансформатор, блок регулирования, дроссель насыщения с обмотками управления, рабочие обмотки которого включены параллельно между собой и последовательно с вентилями силового полупроводникового выпрямителя, и два источника опорного напряжения, причем первый источник опорного напряжения через переключатель полярности соединен с первой обмоткой управления дросселя насыщения, а вторая обмотка управления дросселя насыщения подключена к подвижным контактам двухполюсного переключателя, первая пара неподвижных контактов которого соединена со вторым источником опорного напряжения, а вторая пара неподвижных контактов переключателя соединена с выходными клеммами блока регулирования, на входе которого установлен датчик сварочного тока. Первая обмотка управления дросселя насыщения служит обмоткой смещения при пологопадающих внешних характеристиках источника питания и обмоткой предварительного намагничивания при крутопадающих характеристиках. Вторая обмотка управления дросселя насыщения является управляющей при пологопадающих внешних характеристиках, а при крутопадающих характеристиках является элементом цепи обратной связи по току сварки.

Недостаток известного способа дуговой сварки неподвижным плавящимся электродом заключается в том, что при сварке изделий большой толщины он не обеспечивает получения бездефектного сварного шва при питании сварочной дуги от известного источника питания, имеющего либо пологопадающую, либо штыковую внешнюю вольтамперную характеристику вследствие неравномерного выделения энергии при перемещении дуги относительно фронта плавления неподвижного электрода. Действительно, в процессе сварки неподвижным плавящимся электродом дуга совершает возвратно-поступательное перемещение по торцу электрода от корня шва до его верха и обратно. При этом длина дуги периодически меняется от минимального значения у корня шва до максимального значения вблизи верха шва. (Здесь следует отметить, что речь идет о сварке, при которой горение дуги происходит на распределенную сварочную ванну, так как только в этом случае можно исключить дефекты в виде пор в сварном шве). Изменение длины дуги в процессе сварки приводит к изменению напряжения на ней, а следовательно и к изменению погонной энергии, расходуемой источником питания с пологопадающей внешней характеристикой, так как с увеличением падения напряжения на дуге сварочный ток уменьшается. Если же в процессе сварки обеспечить стабилизацию величины сварочного тока, используя источник питания со штыковой внешней характеристикой, то процесс дуговой сварки неподвижным плавящимся электродом будет неустойчивым при коротких дугах, а именно вблизи корня шва. Дело в том, что при штыковых внешних характеристиках источника питания падение напряжения на короткой дуге (вблизи корня шва) может уменьшиться до нуля при неизменной величине сварочного тока.

Кроме того, при дуговой сварке деталей толщиной более 20 мм неподвижным плавящимся электродом с использованием источника питания с пологопадающей или крутопадающей внешней характеристикой в сварных швах верхняя часть неподвижного электрода остается непроплавленной из-за шунтирования дуги жидкой фазой металла. Физически это связано с тем, что по мере перемещения дуги вверх по электроду давление паров и газов в дуговом канале вблизи корня шва уменьшается. В результате чего расплавленный металл в нижней части распределенной сварочной ванны подтекает под неподвижный плавящийся электрод, происходит шунтирование дуги, находящейся в верхней части сварного шва, и возбуждение дуги у корня шва. Таким образом в рабочем диапазоне сварочных токов (600-1200) А при толщинах неподвижного плавящегося электрода 2-6 мм дуга не поднимается по торцу электрода более чем на 20 мм.

Известный способ не может быть использован для сварки изделий большой длины, так как в процессе сварки участок электрода между токоподводом и дугой успевает разогреться до температуры, при которой материал диэлектрического покрытия теряет электрическую прочность. В результате нарушения электрической изоляции между электродами и изделиями процесс сварки прекращается. При этом максимальная длина свариваемых изделий равна 150-250 мм.

Увеличение толщины диэлектрического покрытия плавящегося электрода позволяет, в принципе, уменьшить влияние нагрева на электрическую прочность покрытия. Однако в этом случае из-за большой разницы между объемом зазора между изделиями и объемом металла в плавящемся электроде качество шва будет низким вследствие нехватки металла.

Известен также источник питания для дуговой сварки с комбинированной внешней вольтамперной характеристикой (авторское свидетельство СССР N 1423313, кл. B 23 K 9/06, 1987), содержащий трансформаторно-тиристорный преобразователь энергии, датчики тока и напряжения сварки, задатчик, блок формирования сигнала обратной связи, блок формирования управляющего сигнала и блок ограничения максимального тока, причем датчики тока и напряжения сварки подключены соответственно к первому и второму входам блока формирования сигнала обратной связи, третий вход которого соединен с задатчиком, а выход через первый диод соединен с входом блока формирования управляющего сигнала, выход которого соединен с управляющим входом трансформаторно-тиристорного преобразователя энергии. Вход блока ограничения максимального тока соединен с датчиком тока, а выход через второй диод соединен с входом блока формирования управляющего сигнала. Блок формирования сигнала обратной связи выполнен в виде коммутатора с двумя входами и двумя выходами, двух идентичных узлов регулирования передаточных коэффициентов и сумматор-усилитель с четырьмя входами, выход которого является выходом блока формирования сигнала обратной связи. Входы коммутатора являются соответственно первым и вторым входами блока формирования сигнала обратной связи, при этом первый выход коммутатора соединен с первым входом сумматора усилителя, а второй выход коммутатора соединен с входом первого узла регулирования передаточных характеристик, выход которого соединен с третьим входом сумматора-усилителя. Вход второго узла регулирования передаточных характеристик является третьим входом блока формирования сигнала обратной связи и соединен со вторым входом сумматора-усилителя, четвертый вход которого соединен с выходом второго узла регулирования передаточных характеристик. Кроме того, первый и второй узлы регулирования передаточных коэффициентов снабжены средствами синхронного регулирования передаточных коэффициентов. При включении известного источника питания перед возбуждением дуги устанавливают выходную характеристику, оптимальную для возбуждения дуги (например, падающую). После возбуждения дуги вручную или автоматически по сигналам от ЭВМ устанавливают выходную характеристику источника, необходимую для конкретного технологического процесса (например, пологопадающую при сварке плавящимся электродом). В конце же сварочного цикла осуществляют переход к другой характеристике, оптимальной для окончания процесса, например, при сварке работами к возрастающей.

Недостаток этого источника питания заключается в том, что использование его при осуществлении известного способа дуговой сварки неподвижным плавящимся электродом не обеспечивает получения бездефектных швов при сварке изделий большой толщины, поскольку в данном источнике питания отсутствуют средства, обеспечивающие синхронизацию периодического изменения длины дуги в процессе сварки с изменением наклона выходной вольтамперной характеристики источника питания. Иными словами, отсутствует возможность синхронно с перемещением дуги по торцу электрода осуществлять изменение подводимой к дуге энергии, обеспечивающей стабильность процесса сварки.

Цель изобретения разработать способ дуговой сварки неподвижным плавящимся электродом и источник питания для его осуществления с такой зависимостью режимных параметров питания дуги от ее длины (пространственного положения относительно торца электрода), которая обеспечила бы стабильность процесса сварки деталей большой толщины (более 20 мм) и длины, а следовательно и качество сварочного соединения. При этом конструктивное выполнение источника питания обеспечило бы синхронное с перемещением дуги по торцу электрода изменение режимных параметров питания дуги.

Цель достигается тем, что в способе дуговой сварки, включающем установку в зазоре между свариваемыми изделиями плавящегося электрода, выполненного в виде пластины с нанесенным на обе ее противоположные поверхности диэлектрическим покрытием, подключение электрода и изделий к различным полюсам источника питания, зажигание дуги между торцом электрода, обращенным к корню шва, и изделиями и сварку, согласно изобретению, питание сварочной дуги осуществляют от источника питания с комбинированной выходной вольтамперной характеристикой, причем зажигают сварочную дугу на пологопадающем участке выходной характеристики источника питания с последующим переходом в диапазоне номинальных сварочных токов на крутопадающий участок выходной характеристики, а при удалении дуги от корня шва на расстояние, большее 15-20 мм, сварку ведут на пологовозрастающем участке выходной характеристики источника питания.

Выгодно в процессе перемещения дуги относительно фронта плавления электрода плавно или ступенчато изменять наклон пологопадающего и пологовозрастающего участков выходной характеристики источника питания. Целесообразно плавящийся электрод подключать к соответствующему полюсу источника питания в нескольких точках, расположенных на одинаковом расстоянии l друг от друга по длине электрода, при этом l должно удовлетворять условию:
l ≅ V_св•τ
где V_св скорость сварки, м/с;
τ время, необходимое для нагрева сварочным током материала плавящегося электрода до заданной предельной температуры, с.

Ширину же плавящегося электрода выбирают из условия:

где h ширина плавящегося электрода, м;
H толщина свариваемых изделий, м;
Δ толщина диэлектрического покрытия, м;
d толщина плавящегося электрода, м.

Цель достигается тем, что источник питания для дуговой сварки, содержащий управляемый транформаторно-тиристорный преобразователь энергии, датчики тока и напряжения сварки, управляемый блок формирования сигнала обратной связи, блок формирования управляющего сигнала и задатчик, причем датчики тока и напряжения сварки и задатчик подключены соответственно к первому, второму и третьему входам управляемого блока формирования сигнала обратной связи, а выход блока формирования управляющего сигнала соединен с управляющим входом преобразователя энергии, согласно изобретению, дополнительно содержит многоканальный амплитудный дискриминатор, вход которого соединен с датчиком напряжения сварки, а каждый его выход соединен с соответствующим управляющим входом блока формирования сигнала обратной связи, выход которого соединен с входом блока формирования управляющего сигнала.

В предпочтительном варианте амплитудный дискриминатор выполнен двухканальным, а управляемый блок формирования сигнала обратной связи выполнен в виде трех усилителей с регулируемым коэффициентом усиления, двух вычитающих каскадов, первого нормально-разомкнутого управляемого ключа и второго нормально-замкнутого управляемого ключа, причем вход первого усилителя, соединенные между собой входы второго и третьего усилителей и неинвертирующий вход первого вычитающего каскада являются соответственно первым, вторым и третьим входами управляемого блока формирования сигнала обратной связи, выходом которого является выход второго вычитающего каскада, а управляющими входами управляющие входы первого и второго ключей, выходы которых соединены с инвертирующим входом второго вычитающего каскада, неинвертирующий вход которого соединен с выходом первого усилителя, выход второго усилителя соединен с входом первого управляемого ключа, а выход третьего усилителя с инвертирующим входом первого вычитающего каскада, выход которого соединен с входом второго управляемого ключа.

Предложенный способ дуговой сварки неподвижным плавящимся электродом обеспечивает получение бездефектного сварного шва при сварке деталей большой толщины за счет того, что при перемещении дуги по участку торца неподвижного электрода, примыкающего к корню шва, питание дуги осуществляется от источника с пологопадающей внешней характеристикой, т.е. в режиме, обеспечивающем устойчивость процесса дуговой сварки при коротких дугах. При повышении напряжения дуги до заданной величины (зависящей от параметров свариваемых деталей) изменяется и режим ее питания: при дальнейшем перемещении дуги вверх ток дуги поддерживается постоянным. Это обеспечивает увеличение подводимой к дуге электрической мощности при монотонном увеличении ее длины. При повышении напряжения дуги выше заданного значения, что соответствует расстоянию от корня шва до дуги порядка 15-20 мм, режим питания дуги опять изменяется. Теперь он соответствует режиму питания дуги от источника с возрастающей внешней вольтамперной характеристикой, что обеспечивает поддержание давления газовой среды в дуговом канале вблизи корня шва на уровне, исключающем шунтирование длинной дуги расплавленным металлом.

При этом предлагаемый источник питания с комбинированной внешней характеристикой (пологопадающей в диапазоне низких напряжений и повышенных токов, крутопадающей (штыковой) в диапазоне рабочих токов и возрастающей в диапазоне высоких напряжений и повышенных токов) позволяет использовать падение напряжения на дуге в качестве параметра, характеризующего мгновенное пространственное положение дуги, и осуществлять синхронно с перемещением дуги по торцу электрода изменение выходной характеристики, а следовательно и подводимой к ней энергии, обеспечивающей стабильность процесса сварки и высокое качество сварного шва.

Подключение неподвижного плавящегося электрода к соответствующему полюсу источника питания в нескольких точках, расположенных на определенном расстоянии друг от друга по длине электрода, позволяет снизить температуру разогрева электрода током сварки за счет шунтирования электрода токоподводами. Это обеспечивает получение бездефектного шва при сварке деталей большой длины.

Выполнение же неподвижного плавящегося электрода высотой большей, чем толщина свариваемых изделий, позволяет избежать дефектов, вызванных нехваткой металла электрода.

На фиг.1 приведена схема осуществления предполагаемого способа; на фиг.2 блок-схема источника питания для дуговой сварки неподвижным плавящимся электродом; на фиг.3 блок-схема двухканального амплитудного дискриминатора; на фиг. 4 функциональная схема управляемого блока формирования сигнала обратной связи; на фиг.5 внешняя статическая вольтамперная характеристика источника питания; на фиг. 6 зависимость профиля оплавления неподвижного электрода в зависимости от внешней характеристики источника питания.

Соединяемые изделия 1 и 2 толщиной Н (фиг.1) расположены с зазором друг относительно друга. В зазоре между соединяемыми изделиями 1 и 2 установлен плавящийся электрод 3 толщиной -δ, на обе противоположные поверхности которого нанесены диэлектрические покрытия 4 толщиной -Δ. Снизу к изделиям 1 и 2 прижата подкладка 5. Неподвижный плавящийся электрод 3 снабжен токоподводами 6, расположенными на одинаковом расстоянии l друг от друга по всей его длине, а изделия 1 и 2 электрически соединены между собой. При этом изделия 1 и 2 подсоединены к одному полюсу источника питания, а электрод 3 к другому, как показано на чертеже. Кроме того на фиг.1 показаны электрическая дуга 7 и расплавленный металл 8.

Источник питания для дуговой сварки неподвижным плавящимся электродом содержит управляемый трансформаторно-тиристорный преобразователь 9 энергии, датчик 10 тока, датчик 11 напряжения, линейный дроссель 12, выходные клеммы 13, блок 14 формирования управляющего сигнала, управляемый блок 15 формирования сигнала обратной связи, амплитудный дискриминатор 16 и задатчик 17.

Управляемый трансформаторно-тиристорный преобразователь 9 энергии содержит трансформатор с одной первичной и двумя вторичными обмотками, подключенные к силовым тиристорам, при этом выход преобразователя 9 энергии, вход датчика 10 тока и линейный дроссель 12 соединены последовательно и подключены к выходным клеммам 13, параллельно которым подключен вход датчика 11 напряжения. Вход 18 синхронизации блока 14 формирования управляющего сигнала соединен с сетевым входом преобразователя 9 энергии, управляющий вход которого соединен с выходом блока 14. Первый вход 19 управляемого блока 15 формирования сигнала обратной связи соединен с выходом датчика 10 тока, второй вход 20 с выходом датчика 11 напряжения, третий вход 21 с выходом задатчика 17. Выход датчика 11 напряжения соединен также с входом 22 двухканального амплитудного дискриминатора 16, выходы 23 и 24 которого подключены соответственно к управляющим входам 25 и 26 управляемого блока 15 формирования сигнала обратной связи, выход 27 которого соединен с входом блока 14 формирования управляющего сигнала.

Двухканальный амплитудный дискриминатор 16 (фиг.3) включает первый регулируемый источник 28 напряжения, второй регулируемый источник 29 напряжения, компаратор 30 нижнего уровня и компаратор 31 верхнего уровня, при этом выход первого регулируемого источника 28 напряжения соединен с первым входом компаратора 30 нижнего уровня, выход второго регулируемого источника 29 напряжения соединен с первым входом компаратора 31 верхнего уровня, вторые входы компараторов 30 и 31 соединены с входом 22 дискриминатора 16. Выход компаратора 30 и выход компаратора 31 являются соответственно выходами 23 и 24 двухканального амплитудного дискриминатора 16. Здесь следует отметить, что число каналов амплитудного дискриминатора 16 зависит от числа точек перегиба (числа участков с различным наклоном) на выходной вольтамперной характеристике источника питания, а число точек перегиба зависит от целого ряда факторов, а именно: от номенклатуры соединяемых деталей, вида соединения, материала деталей, электрода и покрытия и т.п. Блок-схема многоканального амплитудного дискриминатора является хорошо известной из технической литературы (Физический энциклопедический словарь, 1960, т.1, М. Советская энциклопедия, с. 54).

Управляемый блок 15 (фиг.4) формирования сигнала обратной связи содержит первый 32, второй 33 и третий 34 усилители с регулируемым коэффициентом усиления, первый 35 и второй 36 вычитающие каскады, первый нормально-разомкнутый управляемый ключ 37 и второй нормально-замкнутый управляемый ключ 38. Вход первого усилителя 32 с регулируемым коэффициентом усиления соединен с первым входом 19 управляемого блока 15 формирования сигнала обратной связи, входы второго 33 и третьего 34 усилителей с регулируемым коэффициентом усиления соединены между собой и подключены ко второму входу 20 блока 15, а неинвертирующий вход первого вычитающего каскада 35 соединен с третьим входом 21 блока 15. Выход первого усилителя 32 с регулируемым коэффициентом усиления соединен с неинвертирующим входом второго вычитающего каскада 36, выход которого соединен с выходом 27 блока 15. Выход второго усилителя 33 с регулируемым коэффициентом усиления соединен с входом первого управляемого ключа 37, а выход третьего усилителя 34 соединен с инвертирующим входом первого вычитающего каскада 35, выход которого соединен с входом второго управляемого ключа 38, управляющий вход которого соединен с управляющим входом 25 блока 15. Управляющий вход 26 блока 15 соединен с управляющим входом ключа 37, при этом выходы ключей 37 и 38 соединены с инвертирующим входом второго вычитающего каскада 36.

Внешняя статическая вольтамперная характеристика источника питания (фиг. 5) содержит участок 39 пологопадающей характеристики, участок 40 крутопадающей (штыковой) характеристики и участок 41 возрастающей характеристики. Эта характеристика является оптимальной для сварки изделий большой толщины (более 20 мм) неподвижным плавящимся электродом в случае линейных швов.

Зависимость профиля оплавления неподвижного плавящегося электрода 3 от вида внешней вольтамперной характеристики источника питания представлена на фиг. 6, где 42 и 43 профили оплавления электрода 3 при различных пологопадающих внешних характеристиках источника питания, 44 профиль оплавления электрода 3 при питании дуги от источника с комбинированной внешней характеристикой: штыковой в диапазоне рабочих токов и пологопадающей в диапазоне низких напряжений и повышенных токов, 45 профиль оплавления электрода 3 при питании дуги от предложенного источника питания.

Способ осуществляют следующим образом.

Соединяемые изделия 1 и 2 устанавливают с зазором друг относительно друга. В зазоре размещают плавящийся электрод 3. Для исключения возникновения дуги между боковыми поверхностями электрода 3 и изделиями 1 и 2 на боковые поверхности электрода 3 наносят диэлектрические покрытия 4. Плавящийся электрод 3 имеет, как правило, толщину d (2-6) мм, а в качестве диэлектрического покрытия используют: мелко помолотый флюс толщиной (0,8-1,2) мм, флюсовую ленту толщиной (0,2-0,3) мм или фторопластовую ленту толщиной (0,25-0,3) мм. Для полного заполнения стыка свариваемых деталей металлом необходимо, чтобы ширина h неподвижного плавящегося электрода 3 была больше толщины Н свариваемых изделий. При этом должно выполняться следующее условие:

где Δ толщина диэлектрических покрытий, d толщина электрода 3.

После установки подкладки 5 осуществляют подключение электрода 3 и электрически соединенных между собой изделий 1 и 2 к клеммам 13 источника питания, при этом электрод 3 подсоединяют к одному полюсу источника, а изделия 1 и 2 к другому полюсу.

Вдоль всей длины электрода 3 на одинаковом расстоянии l друг от друга размещают токоподводы 6, причем l должно удовлетворять соотношению l ≅ V_св•τ, где V_св скорость сварки, τ время, необходимое для нагрева сварочным током материала электрода 3 до заданной предельной температуры, зависящей от материала диэлектрических покрытий 4. Здесь следует отметить, что поскольку скорость сварки в способе с неподвижным плавящимся электродом велика, поэтому тепло сварочной дуги не влияет на тепловое состояние электрода 3.

Далее в зависимости от толщины и теплофизических свойств материала свариваемых изделий устанавливают значения коэффициентов передачи усилителей 32, 33 и 34 таким образом, чтобы для изделий толщиной 6-12 мм из аустенитной стали, низколегированной и малоуглеродистой стали наклон участка 39 выходной характеристики источника был равен: (0,05-0,1) В/А, а наклон участка 41 был равен (0,09-0,12) В/А. Для деталей толщиной (12-20) мм наклон участка 39 выходной характеристики должен быть равен: (0,07-0,08) В/А, а участка 41: (0,07-0,09) В/А. Для более толстых деталей (20-30) мм наклон участка 39 должен быть равен: (0,05-0,07) В/А, а участка 41: (0,07-0,09) В/А. При толщинах более 30 мм наклоны участков 39 и 41 выходной характеристики источника соответственно равны: ±(0,05-0,07) В/А. Затем регулировкой выходного напряжения регулируемых источников напряжения 28 и 29 устанавливают значения напряжений на дуге, при которых должен осуществляться переход с одного участка выходной характеристики на другой, при этом величина U₁ слабо зависит от толщины свариваемых деталей и лежит в диапазоне 20-25 В. Величина же U₂ с ростом толщины свариваемых деталей монотонно уменьшается: с 40 В при толщине деталей 6-12 мм до 32 В при толщине деталей 20-30 мм. Величину сварочного тока I_o устанавливают в диапазоне 750-900 А.

Процесс сварки изделий 1 и 2 начинают с возбуждения электрической дуги между нижней поверхностью электрода 3 и изделиями 1 и 2. Для этого между изолированным электродом 3 и изделиями 1 и 2 устанавливают, например, металлическую перегораемую вставку и включают источник питания, который работает следующим образом.

Управляемый трансформаторно-тиристорный преобразователь 9 энергии преобразует энергию электрической сети в сварочное напряжение и ток, величина которых зависит от сигналов, подаваемых на его управляющий вход с выхода блока 14 формирования управляющего сигнала. На вход блока 14 формирования управляющего сигнала с выхода 27 управляемого блока 15 формирования сигнала обратной связи подается сигнал разности сигнала обратной связи по току и сигнала обратной связи по напряжению. Глубина обратной связи по току регулируется путем изменения коэффициента усиления усилителя 32. Глубина обратной связи по напряжению регулируется путем изменения коэффициентов усиления усилителей 33 и 34 и выходного напряжения задатчика 17. Вид же обратной связи (по току или по току и напряжению) зависит от того, в каком положении находятся управляемый нормально-замкнутый ключ 38 и управляемый нормально-разомкнутый ключ 37. Управление ключами 37 и 38 осуществляется по сигналам, поступающим на управляющие входы 25 и 26 управляемого блока 15 формирования сигнала обратной связи соответственно с выходов 23 и 24 двухканального амплитудного дискриминатора 16, который содержит компаратор 30 нижнего уровня и компаратор 31 верхнего уровня напряжения, подаваемого на его вход 22 с выхода датчика напряжения 11.

При зажигании электрической дуги она имеет минимальную длину, а следовательно напряжение на выходе датчика 11 напряжения будет много меньше U₁ и на выходе 23 компаратора 30 нижнего уровня и выходе 24 компаратора 31 верхнего уровня сигналы будут равны нулю. Следовательно, управляемый ключ 38 будет находиться в замкнутом положении, а управляемый ключ 37 в разомкнутом положении, а на выходе 27 управляемого блока 15 формирования сигнала обратной связи будет иметь место первый комплексный сигнал обратной связи по току и напряжению:

где комплексный сигнал обратной связи, соответствующий участку 39 выходной характеристики источника питания;
U_т сигнал на выходе датчика 10 тока;
U_з сигнал на выходе задатчика 17;
U_н сигнал на выходе датчика 11 напряжения;
K₁ коэффициент передачи усилителя 32;
K₃ коэффициент передачи усилителя 34.

Из (1) следует, что чем меньше напряжение U_н, тем глубже величина обратной связи по напряжению, так как большая величина вычитается из сигнала обратной связи по току K₁U_т. Иными словами, чем меньше напряжение на дуге, тем больше угол открытия тиристоров в преобразователе 9 энергии, а следовательно и ток электрической дуги. Поэтому при пуске предложенного источника питания величина выходного тока будет значительно превышать ток уставки (I_o), в результате металлическая вставка между электродом и деталями практически мгновенно (≈ 10^-2 с) испарится, а между нижней поверхностью электрода 3 и деталями 1 и 2 возникнет электрическая дуга. Расплавленный металл с электрода 3 переносится вниз, образуя распределенную сварочную ванну 8, удерживаемую от вытекания из стыка с помощью подкладки 5. Замыкания жидкой фазы и нижнего конца электрода 3 не происходит из-за наличия давления паров в дуговом канале, которое пропорционально квадрату сварочного тока.

По мере расплавления электрода происходит перемещение дуги 7 вверх по торцу электрода 3, при этом горение дуги 7 происходит на распределенную сварочную ванну 8. При перемещении дуги вверх от корня шва происходит увеличение ее длины, а следовательно и увеличение падения напряжения на ней. В момент времени, когда напряжение на дуге превысит величину U₁, на выходе 23 компаратора 30 нижнего уровня появится сигнал, под действием которого управляемый ключ 38 разомкнется и на выходе 27 управляемого блока 15 формирования сигнала обратной связи будет иметь место сигнал обратной связи по току:
U_ос= Uтос

При дальнейшем перемещении электрической дуги по торцу электрода ее длина продолжает увеличиваться, а следовательно увеличивается и падение напряжения на ней. В момент времени, когда напряжение на дуге превысит величину U₂, на выходе 24 компаратора 31 верхнего уровня появится сигнал, под действием которого сработает управляемый ключ 37, а на выходе 27 управляемого блока 15 формирования сигнала обратной связи будет иметь место второй комплексный сигнал обратной связи по току и напряжению:

где комплексный сигнал обратной связи, соответствующий участку 41 выходной характеристики источника питания;
U_т сигнал на выходе датчика 10 тока;
U_н сигнал на выходе датчика 11 напряжения;
K₁ коэффициент передачи усилителя 32;
K₂ коэффициент передачи усилителя 33.

Из (3) следует, что чем больше напряжение U_н, тем глубже величина обратной связи по напряжению, а значит больше угол открытия силовых тиристоров в преобразователе 9 энергии, а следовательно ток электрической дуги. Загиб верхнего участка 41 выходной характеристики обусловлен ограничением по мощности преобразователя 9 энергии.

Наличие возрастающего участка 41 на выходной характеристике источника питания обеспечивает поддержание величины давления газовой среды в дуговом канале вблизи корня шва на уровне, достаточном для удержания жидкой фазы. Иными словами позволяет за счет увеличения тока дуги исключить подтекание жидкой фазы под электрод, приводящее к шунтированию дуги, находящейся вверху шва.

В источнике питания для дуговой сварки неподвижным плавящимся электродом целесообразно использовать в выходной цепи линейный дроссель 12, так как, если период пульсации мгновенной мощности источника будет больше 10^-3 с, то на время пульсации будет происходить остановка движения дуги, в результате чего плавление электрода и перенос металла в сварочную ванну будет происходить неравномерно. Неравномерное плавление электрода является причиной дефектов сварного шва.

Благодаря предложенному подключению электрода 3 к соответствующему полюсу источника питания (фиг. 1) сварочный ток в основном будет течь через ближайший к дуге токоподвод 6, так как остальная часть электрода 3 зашунтирована электрическими проводниками, подсоединенными к токоподводам 6. По мере расплавления электрода 3 происходит нагрев током сварки только ближайшего к дуге участка электрода 3, максимальная длина которого равна l. За время расплавления участка электрода 3 длиной l нагрев диэлектрических покрытий 4 не будет превышать величину, при которой материал покрытия теряет электрическую прочность. Таким образом, предложенный способ обеспечивает сварку изделий практически любой длины.

В практике встречаются случаи, когда необходимо осуществлять сварку изделий сложного профиля, при этом необходимо обеспечить одинаковую зону шва по всей толщине свариваемых изделий. В этом случае целесообразно, чтобы участки 39 и 41 внешней вольтамперной характеристики источника питания имели плавно изменяющийся или ступенчато-изменяющийся наклон. Благодаря этому можно обеспечить получение сварных швов с оптимальной околошовной зоной, а также обеспечить наилучшие условия горения дуги на сварочную ванну. В этом случае должно быть увеличено число каналов в амплитудном анализаторе 16, а управляемый блок 15 формирования сигнала обратной связи должен содержать большее количество усилителей с регулируемым коэффициентом усиления, большее количество вычитающих каскадов, большее количество управляемых ключей. Это зависит от числа точек перегиба на получаемой выходной вольтамперной характеристике источника.

На фиг.6 показаны профили плавления неподвижного электрода 3 в зависимости от вида внешней характеристики источника питания дуговой сварки. Из приведенных данных следует однозначная взаимосвязь между формой внешней характеристики источника питания и профилем плавления электрода: форма плавления электрода повторяет форму внешней характеристики источника питания. При использовании предложенного способа и источника питания обеспечивается наиболее оптимальное по высоте оплавление электрода, что приводит к повышению качества сварного шва и позволяет осуществлять дуговую сварку неподвижным плавящимся электродом изделий больших толщин (более 25 мм).

Использование: при дуговой сварке неподвижным плавящимся электродом длинномерных изделий большой толщины, более 25 мм. Сущность изобретения: способ дуговой сварки включает установку в зазоре между свариваемыми изделиями плавящегося электрода, выполненного в виде пластины с нанесенным на обе ее противоположные поверхности диэлектрическим покрытием, подключение электрода и изделий к различным полюсам источника питания, зажигание дуги между торцом электрода, обращенным к корню шва, и изделиями и сварку. Питание сварочной дуги осуществляют от источника питания с комбинированной выходной вольтамперной характеристикой, причем зажигают сварочную дугу на пологопадающем участке выходной характеристики источника питания с последующим переходом в диапазоне номинальных сварочных токов на крутопадающий участка выходной характеристики, а при удалении дуги от корня шва на расстояние, большее 15-20 мм, сварку ведут на пологовозрастающем участке выходной характеристики источника питания. Плавящийся электрод подключают к соответствующему полюсу источника питания в нескольких точках, расположенных на одинаковом расстоянии l друг от друга по длине электрода, при этом l удовлетворяет условию: l ≅ V_св•τ, где V_св - скорость сварки, τ - время, необходимое для нагрева сварочным током материала плавящегося электрода до заданной предельной температуры, зависящей от температурной зависимости электрической прочности материала диэлектрического покрытия. Кроме того, в процессе перемещения дуги относительно фронта плавления электрода плавно или ступенчато изменяют наклон пологопадающего и пологовозрастающего участков выходной характеристики источника питания. Источник питания содержит трансформаторно-тиристорный преобразователь энергии, датчики тока и напряжения сварки, блок формирования сигнала обратной связи, блок формирования управляющего сигнала, задатчик и амплитудный дискриминатор. Схема управления позволяет изменять наклон выходной характеристики источника питания в процессе сварки. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ дуговой сварки, включающий установку в зазоре между свариваемыми деталями плавящегося электрода, выполненного в виде пластины с нанесенным на обе ее противоположные поверхности, соприкасающиеся с разделкой, диэлектрическим покрытием, подключение электрода и деталей к различным полюсам источника питания, зажигание дуги между торцем электрода, обращенным к корню шва, и деталями, и сварку, отличающийся тем, что питание сварочной дуги осуществляют от источника питания с комбинированной выходной вольтамперной характеристикой, причем зажигают сварочную дугу на пологопадающем участке выходной характеристики источника питания с последующим переходом в диапазоне номинальных сварочных токов на крутопадающий участок выходной характеристики, а при удалении дуги от корня шва на расстояние больше 15 20 мм сварку ведут на пологовозрастающем участке выходной характеристики источника питания. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе перемещения дуги относительно фронта плавления электрода плавно или ступенчато изменяют наклон пологопадающего или пологовозрастающего участков выходной характеристики источника питания. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что плавящийся электрод подключают к соответствующему полюсу источника питания в нескольких точках, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга по длине электрода. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что расстояние l между точками подключения электрода к соответствующему полюсу источника питания выбирают из условия
l≅ v_св•τ,
где v_св скорость сварки, м/с;
τ время, необходимое для нагрева сварочным током материала плавящегося электрода до заданной предельной температуры, с. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ширину h плавящегося электрода выбирают из условия

где H толщина свариваемых деталей, м;
Δ толщина диэлектрического покрытия, м;
d толщина плавящегося электрода, м. 6. Источник питания для дуговой сварки, содержащий управляемый трансформаторно-тиристорный преобразователь энергии, датчики тока и напряжения сварки, управляемый блок формирования сигнала обратной связи, блок формирования управляющего сигнала и задатчик, причем датчики тока и напряжения сварки и задатчик подключены соответственно к первому и третьему входам управляемого блока формирования сигнала обратной связи, а выход блока формирования управляющего сигнала соединен с управляющим входом преобразователя энергии, отличающийся тем, что он дополнительно содержит многоканальный амплитудный дискриминатор, вход которого соединен с датчиком напряжения сварки, а каждый его выход соединен с соответствующим входом формирования сигнала обратной связи, выход которого соединен с входом блока формирования управляющего сигнала. 7. Источник питания по п. 6, отличающийся тем, что амплитудный дискриминатор выполнен двухканальным, а управляемый блок формирования сигнала обратной связи выполнен в виде трех усилителей с регулируемым коэффициентом усиления, двух вычитающих каскадов, первого нормально разомкнутого управляемого ключа и второго нормально замкнутого управляемого ключа, причем вход первого усилителя, соединенные между собой входы второго и третьего усилителей и неинвертирующий вход первого вычитающего каскада являются соответственно первым, вторым и третьим входами управляемого блока формирования сигнала обратной связи, выходом которого является выход второго вычитающего каскада, а управляющими входами управляющие входы первого и второго ключей, выходы которых соединены с инвертирующим входом второго вычитающего каскада, неинвертирующий вход которого соединен с выходом первого усилителя, выход второго усилителя соединен с входом первого управляемого ключа, а выход третьего усилителя с инвертирующим входом первого вычитающего каскада, выход которого соединен с входом второго управляемого ключа.