ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ Российский патент 1998 года по МПК B23K9/06 

Изобретение относится к области сварочного производства и предназначено для дуговой сварки и может быть использовано в различных отраслях машиностроения, при производстве строительных и монтажных работ, а также в малых производствах и в фермерских хозяйствах.

Известно, что для ручной дуговой сварки покрытым и неплавящимся электродом оптимальной является внешняя характеристика сварочного источника питания с пологопадающим участком при напряжении выше рабочего и с отношение тока короткого замыкания к току рабочего режима (горения дуги) 1,2 - 1,5. При этом обеспечивается возможность оперативного изменения тока путем изменения (манипуляции) длинной дуги. Это улучшает условия переноса капель металла с электрода в сварочную ванну [1].

Известно также, что наибольшая устойчивость дуги при прочих равных условиях достигается при использовании источников питания, имеющих минимальное время реакции контура регулирования тока /2/.

Известны источники питания сварочной дуги, имеющие описанную выше внешнюю характеристику [2, 3].

Недостатком этих источников является использование для формирования внешней (вольт-амперной) характеристики дополнительных контуров регулирования, которые из условий сохранения устойчивости системы имеют время реакции значительно больше, чем основной контур. Это ухудшает устойчивость дуги при напряжениях выше рабочего.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому источнику питания является источник питания для дуговой сварки, содержащий: транзисторный инвертор, вторичный выпрямитель, сглаживающий реактор, соединенные каскадно, а также датчик тока, сумматор, функциональный генератор и блок управления инвертором. Блок управления имеет следующие внешние связи: вход ограничения тока подключен к датчику току, вход задания - к выходу сумматора, выход опорного напряжения соединен с первым входом сумматора, а выход тактовой частоты - с входом синхронизации функционального генератора. При этом выход функционального генератора подключен к первому входу сумматора (см. Источник питания для дуговой сварки положительное решение 94-015103/08 (015027)), [4] .

Ток, в этом источнике питания, ограничивается путем непосредственного компарирования мгновенного значения сигнала с выхода датчика тока. Необходимая внешняя характеристика источника питания формируется без использования дополнительных контуров регулирования, благодаря наложению на опорное напряжение периодического сигнала с выхода функционального генератора, синхронизированного тактовой частотой блока управления. При такой структуре контур регулирования имеет апериодическую переходную характеристику с временем реакции не более одного периода тактовой частоты. Высокое быстродействие обеспечивает стабильное горение дуги и ее большую разрывную длину.

Недостатком этого источника питания является чрезвычайно большая скорость нарастания тока в момент замыкания каплей дугового промежутка. Это приводит к возникновению значительных электродинамических сил, которые препятствуют перетеканию металла капли с электрода в сварочную ванну, отбрасывая ее к электроду, что способствует росту размеров капли и увеличивает потери электродного металла на разбрызгивания.

Изобретение направлено на повышение технологических свойств процесса дуговой сварки путем автоматического установления заданной величины тока короткого замыкания с оптимальными скоростями его нарастания и спада, что улучшает процесс переноса электродного металла и снижает потери его на разбрызгивание.

Это достигается тем, что в известный источник питания для дуговой сварки, содержащий транзисторный инвертор, вторичный выпрямитель, сглаживающий фильтр, соединенные каскадно, датчик тока, сумматор, функциональный генератор, выход которого соединен с первым входом сумматора, и блок управления, имеющий выход опорного напряжения, выход управляющих сигналов, соединенный с соответствующим входом транзисторного инвертора, выход тактовой частоты, соединенный с входом синхронизации функционального генератора, а также входы ограничения тока и задания, подключенные соответственно к выходам датчика тока и сумматора. В источник введены формирователь напряжения задания, опорный вход которого соединен с выходом опорного напряжения блока управления, коммутатор с двумя входами, подключенными соответственно к выходам заданного и повышенного задания формирователя напряжений задания, компаратор соединенный выходом с управляющим входом коммутатора, а также интегратор, вход которого соединен с выходом коммутатора, а выход - со вторым входом сумматора.

На фиг. 1 приведена функциональная блок-схема источника питания; на фиг. 2 - внешние вольт-амперные характеристики источника питания с траекториями рабочей точки; на фиг. 3 - осциллограмма выходного тока источника питания при сварке с короткими замыканиями дугового промежутка во время перехода капли с электрода в сварочную ванну.

Позиции на чертеже обозначают: 1 - транзисторный инвертор; 2 - вторичный выпрямитель; 3 - сглаживающий реактор; 4 - датчик тока; 5 - блок управления; 6 - выход управляющих сигналов; 7 - вход ограничения тока; 8 - вход задания сварочного тока; 9 - выход опорного напряжения; 10 - выход тактовой частоты; 11 - сумматор; 12 - функциональный генератор; 13 - формирователь напряжения задания; 14 - коммутатор; 15 - выход рабочего задания напряжения источника; выход повышенного задания напряжения источника; 17 - компаратор; 18 - датчик напряжения нагрузки; 19 - интегратор; 20 - внешняя вольт-амперная характеристика источника питания при заданном значении режима; 21 - внешняя вольт-амперная характеристика источника питания при повышенном задании режима; 22 - положение рабочей точки во время горения дуги (плавлении электрода); 23 - траектория рабочей точки во время касания каплей металла электрода со сварочной ванной и образования перемычки; 24 - положение рабочей точки в момент касания капли электродного металла с металлом сварочной ванны; 25 - траектория рабочей точки во время нарастания тока процесса от заданного значения до повышенного задания; 26 - положение рабочей точки при коротком замыкании дугового промежутка каплей расплавленного металла после достижения заданного повышенного задания; 27 - траектория рабочей точки во время разрыва перемычки между электродом и сварочной ванны; 28 - положение рабочей точки после разрыва перемычки; 29 - траектория рабочей точки при спаде задания с повышенного до заданного режима сварки; 30 - участок тока дуги, соответствующий заданному значению; 31 - участок тока дуги соответствующий заданному значению режима сварки; 31 - участок с заданной скоростью нарастания тока после образования короткого замыкания дугового промежутка; 32 - участок тока при коротком замыкании; 33 - участок тока с заданной скоростью спада тока после разрыва перемычки между электродом и сварочной ванной.

Транзисторный инвертор 1, вторичный выпрямитель 2, сглаживающий фильтр 3 соединены каскадно. Блок управления 5 имеет следующие внешние связи: выход управляющего сигнала 6 соединен с соответствующим входом инвертора 1; вход ограничения тока 7 подключен к выходу датчика тока 4; вход задания 8 соединен с выходом сумматора 11; выход тактовой частоты 10 соединен с выходом синхронизации функционального генератора 12. При этом первый вход сумматора 11 подключен к выходу функционального генератора 12.

Для улучшения технологических свойств процесса сварки в источник питания введены следующие элементы; формирователь напряжения задания 13 с выходами заданного значения 15, соответствующего заданному режиму сварки, и повышенного задания 16; коммутатор 14, первый и второй входы которого подключены к выходам 15, 16; компаратор 17, соединенный своим выходом с управляющим входом коммутатора 14; датчик напряжения нагрузки 18, подключен к входу компаратора 17; интегратор 19, вход которого соединен с выходом 14. При этом выход опорного напряжения 9 блока управления 5 соединяется с опорным входом формирователя напряжения задания 13, а второй вход сумматора 11 - с выходом интегратора 19.

Устройство работает следующим образом. Формирователь напряжения задания 13 из опорного напряжения на выходе 9 блока управления 5 вырабатывает постоянное напряжение, соответствующее заданному значению режиму сварки и повышенному заданиям (выходы 15, 16). Компаратор 17 имеет порог срабатывания, при котором переключение происходит только в моменты коротких замыканий при близком к нулю напряжении на нагрузке. Интегратор 19 имеет единичный коэффициент передачи по постоянному току и обеспечивает заданную скорость изменения напряжения на выходе при скачкообразном переключении напряжения на входе. На входе задания 8 блок управления 5 присутствует сумма напряжения с выхода интегратор 19 и периодического сигнала необходимой формы и амплитуды с выхода функционального генератора 12. Параметры выходного сигнала функционального генератора 12 подобраны так, что обеспечивается внешняя характеристика источника питания с падающим участком при напряжении выше рабочего и "штыковым" участком при напряжениях ниже рабочего (линии 20 и 21 на фиг. 2).

В исходном состоянии, во время горения дуги (плавление электрода) напряжение на выходе датчика 18 выше порога срабатывания компаратора 17. В этом состоянии вход интегратора 19 через коммутатор 14 подключен к выходу заданного значения 15. На выходе интегратора 19 и втором входе сумматора 11 присутствует это же напряжение заданного значения. Рабочая точка (заданный режим сварки) находится в положении 2 на характеристики 20 (фиг. 2), а величина тока соответствует линии 30 (см. фиг. 3).

После расплавления достаточного количества металла на электроде образуется капля, которая вытягивается в сторону сварочной ванны и касается ее, замыкает межэлектродный промежуток и рабочая точка с большой скоростью перемещается по траектории 23 в положение 24. При этом напряжение на входе коммутатора 17 становится ниже порога срабатывания и, в результате переключения компаратора 17 и коммутатора 14, напряжение на выходе интегратора 19 скачком изменяется от заданного значения (выход 15) до повышенного (выход 16). Напряжение на выходе интегратора 19 начинает возрастать с заданной скоростью, оптимальной для формирования перемычки между каплей и сварочной ванной. Интервал времени, в течение которого происходит нарастание тока короткого замыкания, соответствует участку 31 на кривой изменения тока (см. фиг. 3), при этом рабочая точка перемещается по траектории 25 на фиг. 2. Когда напряжение на выходе интегратора 19 достигает напряжения задания повышенного на выходе 16, его рост прекращается, рабочая точка останавливается в положении 26 на характеристике 21. В оставшееся время до разрыва перемычки величина тока короткого замыкания остается постоянной участок 32 (см. фиг. 3), что способствует плавному перетеканию жидкого металла с электрода в сварочную ванну. В момент разрыва жидкой перемычки рабочая точка с большой скоростью перемещается по траектории 27 в положение 28 на характеристике 21, соответствующей повышенному заданию. Благодаря возросшему напряжению на нагрузке компаратор 17 и коммутатор 14 переключаются в исходное (заданное) состояние, напряжение на входе интегратора 19 скачком снижается с повышенного до заданного. Напряжение на выходе интегратора 19 начинает снижаться с заданной скоростью, пока не достигнет напряжения заданного задания. Соответствующий спад тока показан на участке 33, при этом рабочая точка перемещается по траектории 29 в исходное положение 22.

Назначение и работа остальных элементов источника питания не отличается от прототипа.

Отношение тока короткого замыкания к току дуги устанавливается отношением повышенного задания к заданному на выходах 16, 15 формирователя напряжения задания 13. Скорость изменения тока в начале и конце короткого замыкания определяется постоянной времени интегратора 19, которая в общем случае может быть различной при нарастании и спаде входного сигнала.

Совокупность введенных элементов позволяет добиться оптимального сочетания кратности тока короткого замыкания и скорости его изменения без снижения быстродействия в других режимах.

Использование новых элементов в системе управления инверторным источником питания выгодно отличает предлагаемый источник питания для дуговой сварки, так как позволяет автоматически изменять параметры режима в оптимальных заданных пределах, что улучшает технологические свойства процесса сварки, обеспечивая оптимальные условия образования жидкой перемычки между электродом и сварочной ванной, перехода металла с электрода в сварочную ванну с минимальными его потерями на разбрызгивание, а стабилизация параметров режима сварки обеспечивает устойчивость процесса сварки и повышение качества сварного соединения.

Источник информации
1. Справочник по сварке /под редакцией Соколова том 1, стр. 168, М.: Машиностроение 1960.

2. А.С. N 1687395 Кл. 5 B 23 K 9/10, Б.И. N 40, 1991 г.

3. А.С. N 1586869 Кл. 5 B 23 K 9/10, Б.И. N 31, 199 г.

4. Источник питания для дуговой сварки /положительное решение по заявке 94-015103/08 (015027).

Использование: различные отрасли машиностроения, производство строительных и монтажных работ, малые предприятия и фермерские хозяйства. Сущность изобретения: в источник, содержащий транзисторный инвертор, вторичный выпрямитель, сглаживающий реактор, соединенные каскадно, датчик тока, сумматор, функциональный генератор, выход которого соединен с первым входом сумматора, и блок управления, имеющий вход опорного напряжения, выход управляющих сигналов, соединенный с соответствующим входом транзисторного инвертора, выход тактовой частоты, соединенный с входом синхронизации функционального генератора, подключенного к выходам соответственно датчика тока и сумматора, введены формирователь напряжения задания, опорный вход которого соединен с выходом опорного напряжения блока управления, коммутатор с первым и вторым входами, подключенными соответственно к выходам заданного и повышенного заданий формирователя напряжения задания, компаратор, соединенный выходом с управляющим входом коммутатора, а также интегратор, вход которого соединен с выходом коммутатора, а выход - со вторым входом сумматора. 3 ил.

Источник питания для дуговой сварки, содержащий транзисторный инвертор, вторичный выпрямитель, сглаживающий фильтр, соединенные каскадно, датчик тока, сумматор, функциональный генератор, выход которого соединен с первым входом сумматора, и блок управления, имеющий выход опорного напряжения, выход управляющих сигналов, соединенный с соответствующим входом транзисторного инвертора, и выход тактовой частоты, соединенный с входом синхронизации функционального генератора, подключенного к входу сумматора, отличающийся тем, что источник питания снабжен формирователем напряжения задания, опорный вход которого соединен с выходом опорного напряжения блока управления, коммутатором с первым и вторым входами, подключенными соответственно к выходам заданного и повышенного задания формирователя напряжения задания, компаратором, вход которого соединен с управляющим входом коммутатора, источник питания снабжен также интегратором, вход которого соединен с выходом коммутатора, а выход с вторым входом сумматора.