УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВАРКИ МОДУЛИРОВАННЫМ ТОКОМ Российский патент 2005 года по МПК B23K9/10 

Изобретение относится к электродуговой сварке, а именно к устройствам для модулирования сварочного тока, и может быть использовано в сварочных процессах с автоматическим и полуавтоматическим регулированием параметров.

Одним из перспективных направлений в области электродуговой сварки является применение и усовершенствование модуляторов сварочного тока, обеспечивающих пульсацию в сварочной дуге при использовании управляемых источников тока.

В практике сварочного производства чаще всего используют различные виды импульсной модуляции, при которой изменяется какой-либо из параметров импульсов (амплитуда, длительность, фаза, период следования импульсов) или несколько параметров одновременно.

Известно устройство для сварки модулированным током, содержащее сварочный трансформатор, последовательно с которым включено сопротивление, шунтируемое основным прерывателем, а последовательно с сопротивлением включен дополнительный прерыватель в противофазе с основным [Авторское свидетельство СССР №525510, кл. В 23 К 9/00, 1976 г.].

Это устройство направлено на повышение качества сварки путем улучшения стабилизации процесса, но сварочный трансформатор и модулятор выполнены как одно целое и не могут быть использованы отдельно друг от друга.

Известно устройство для сварки модулированным током, содержащее сварочный трансформатор, в первичную цепь которого включены ключ и токоограничительный элемент [Авторское свидетельство СССР №742061, кл. В 23 К 9/00, 1980 г.]. В нем имеется также блок управления работой тиристорного ключа, построенный на использовании мультивибратора.

Известное устройство не обеспечивает удовлетворительное первоначальное возбуждение дуги, хорошее качество начальных участков швов, к тому же сварочный трансформатор и модулятор выполнены как одно целое и не могут быть использованы отдельно друг от друга.

Известно устройство для сварки модулированным током, взятое за прототип (Патент ЕПВ №0868959, кл. В 23 К 9/09, пр. 07.10. 1998 г.), содержащее источник питания, систему автоматического управления и модулятор.

Недостатком данного устройства является его сложность из-за применения дорогостоящего транзисторного инвертера, к тому же в этом устройстве модулятор встроен в систему автоматического управления, поэтому не может быть использован в виде отдельного блока. К тому же, данное устройство не позволяет устанавливать ток паузы, пропорциональный току импульса (I_п≠f(I_и)).

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании устройства для модуляции сварочного тока, обеспечивающего расширение технологических возможностей процессов сварки или наплавки с применением управляемых источников постоянного тока.

Эта задача решается тем, что в известном устройстве для сварки модулированным током, содержащем управляемый источник питания, систему автоматического управления и модулятор, последний установлен в разрыв цепи управления сварочным током между системой автоматического управления и источником постоянного тока, при этом модулятор состоит из коммутатора, схемы управления им и делителя, причем коммутатор выполнен с одним выходом, который является и выходом модулятора, и с тремя входами, один из которых является управляющим и подключен к выходу схемы управления коммутатором, второй вход подключен к системе автоматического управления, а третий - к делителю.

Эта задача решается также тем, что устройство может быть выполнено со схемой управления коммутатором, содержащей последовательно соединенные трансформатор, вход которого подключен в сеть, мостовой выпрямитель, триггер Шмитта, счетчик и одновибратор, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора.

Эта задача решается также и тем, что устройство может быть выполнено с делителем, выполненным в виде двух резисторов R₁ и R₂, соединенных между собой последовательно, причем вход делителя подключен к выходу системы автоматического управления, а точка соединения резисторов R₁ и R₂ подключена к входу коммутатора.

Установка модулятора в разрыв цепи управления сварочным током позволяет формировать импульсы сварочного тока с заданными параметрами (амплитуда и длительность) в случае применения управляемых источников постоянного тока, не укомплектованных устройствами для модуляции.

Установка модулятора между системой автоматического управления и источником постоянного тока позволяет накладывать модуляцию с заданными параметрами на кривую сварочного тока, задаваемую вышеуказанной системой.

Наличие управляемого коммутатора в схеме модулятора, формирующего импульсы заданной длительности, и делителя, задающего ток паузы, позволяет получить заданную зависимость сварочного тока от времени.

Введение коммутатора позволяет коммутировать вход источника постоянного тока или к выходу системы автоматического управления или к выходу делителя.

Введение схемы управления коммутатором позволяет осуществить привязку циклов импульсов сварки к моменту перехода сетевого напряжения через ноль.

Введение делителя обеспечивает возможность регулирования тока паузы за счет изменяемого коэффициента деления.

Выполнение коммутатора с одним выходом, который является и выходом модулятора, позволяет упростить подключение модулятора в разрыв цепи управления источником постоянного тока.

Выполнение коммутатора с тремя входами, один из которых является управляющим и подключен к выходу схемы управления коммутатором, обеспечивает соединение и рассоединение источника входного сигнала и приемника этого сигнала (источника постоянного тока) попеременно напрямую или через делитель.

Подключение одного из двух других входов к системе автоматического управления, а другого - к делителю обеспечивает формирование тока паузы с величиной, пропорциональной току сварки.

Использование в устройстве схемы управления коммутатором, которая содержит последовательно соединенные трансформатор, вход которого подключен в сеть, мостовой выпрямитель, триггер Шмитта, счетчик и одновибратор, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора, обеспечивает получение управляющего сигнала с частотой, которая автоматически синхронизируется с частотой напряжения силовой сети. Реально частота сети всегда хоть немного отличается от точного значения 50 Гц, и при применении для управления коммутирующим устройством какого-либо внешнего источника сигнала (например, генератора с кварцевой стабилизацией) неизбежно возникают модуляционные колебания токов сварки (наплавки) с большим периодом (доли герца).

Если бы периодичность управляющих воздействий не равнялась частоте питающей сети (например, 35 Гц, а не 50 Гц), то возникло бы рассогласование, вносящее дополнительные погрешности в реально отрабатываемые тепловые режимы в каждом периоде.

Синхронизация циклов импульсов сварки (наплавки) с моментом перехода сетевого напряжения через ноль позволяет получить устойчивые тепловые вложения в каждом периоде, так как в самом источнике питания зависимость мгновенной пульсации мощности (из-за не полной фильтрации) от времени также синхронизируется с сетевым напряжением.

Использование трансформатора позволяет получить гальваническую развязку питающей сети и нагрузки и изменить уровень переменного напряжения. В данном случае трансформатор является понижающим.

Использование мостового выпрямителя позволяет преобразовать переменное напряжение в напряжение одной полярности (пульсирующее).

Использование триггера Шмитта позволяет избавиться от ложных переключений на его выходе при наличии помех в питающем (сетевом) напряжении за счет того, что он имеет разные по величине пороги включения и выключения.

Использование счетчика позволяет за счет изменения коэффициента деления задавать суммарную длительность Т_пер=T_имп+Т_пауз, кратной периоду сетевого напряжения (20, 40, 60, 80...мс).

Использование одновибратора обеспечивает генерирование нужной длительности импульса тока сварки. Длительность тока паузы получается при этом автоматически, как разность между длительностью периода управления и длительностью импульса Т_пауз=T_пер-T_имп.

Подключение выхода одновибратора к управляющему входу коммутатора обеспечивает и подключение схемы управления коммутатором к последнему.

Предлагаемое устройство для сварки модулированным током поясняется чертежами, представленными на фиг.1-6:

на фиг.1 представлена функциональная схема устройства;

на фиг.2 - то же, но с изображением модулятора;

на фиг.3 - то же, но с изображением схемы управления коммутатором;

на фиг.4 представлен фрагмент циклограммы в виде функциональной зависимости от времени, где:

а - сигнал на выходе системы автоматического управления - U_вх

б - сигнал на входе источника питания (выходе коммутатора) - U_вых;

на фиг.5 представлены зависимости напряжения от времени на выходе:

а - трансформатора,

б - выпрямителя,

в - триггера Шмитта;

на фиг.6 представлены зависимости (в другом масштабе) напряжения от времени на выходе:

а - триггера Шмитта,

б - счетчика (для примера с коэффициентом деления, равным 4),

в - одновибратора.

Устройство для модуляции сварочного тока содержит (фиг.1) управляемый источник питания 1, систему автоматического управления 2, модулятор 3, включенные в цепь управления процессом сварки (или наплавки) заготовки 4 с использованием электрода (или горелки) 5, причем модулятор 3 включен в разрыв цепи управления сварочным током.

Модулятор 3 состоит (фиг.2) из коммутатора 6, схемы управления 7 коммутатором (задающей частоту коммутации f_к) и делителя 8 (состоящего, например, из двух резисторов R₁ и R₂, соединенных между собой последовательно). Один из входов коммутатора 6 подключен к системе автоматического управления 2, другой подключен к делителю 8 (например, к точке соединения резисторов R₁ и R₂), а управляющий вход коммутатора 6 - к выходу схемы управления 7 им.

Схема 7 управления коммутатором, в свою очередь содержит (фиг.3) последовательно включенные трансформатор 9, подключенный своим входом в силовую сеть (U_пит2), мостовой выпрямитель 10, триггер Шмитта 11, счетчик 12 и одновибратор 13, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора 6.

Модулятор 3 может быть оформлен в виде малогабаритной приставки к управляемым источникам постоянного тока. Им, в виде дополнительного электронного блока, могут комплектоваться источники постоянного тока, не имеющие функции модуляции.

Устройство для сварки модулированным током работает следующим образом.

Напряжение питания U_пит1 подают на управляемый источник постоянного тока 1, который в соответствии с программой, задаваемой системой автоматического управления 2 и модулятором 3, осуществляет процесс сварки (или наплавки) заготовки 4 с использованием плавящегося или неплавящегося электрода 5.

Система автоматического управления 2 при этом регулирует процесс сварки путем задания необходимой формы тока, которая совпадает со значением тока импульса, делитель 8 формирует ток паузы, а коммутатор осуществляет коммутацию с заданной частотой f_к.

Сигналы схемы управления 7 коммутатором поступают на управляющий вход коммутатора 6, который подключает выход (U_вых) или напрямую к входу (U_вх=U_имп), или через делитель (U_пауз).

Входной сигнал U_вх, формируемый системой автоматического управления, может быть достаточно длительным (от нескольких секунд до нескольких минут). Он определяет требуемую зависимость тока сварки от времени (эпюра «а», фиг.4) в течение всего цикла сварки (Т_ц).

За счет переключения коммутатора 6 на его выходе этот сигнал принимает форму, изображенную на эпюре «б», фиг.4.

Выходной сигнал коммутатора 6 (модулятора 3) задает ток сварки, например, путем поступления на управляющий вход управляемого источника постоянного тока 1 (например, типа ВСВУ-400, используемого при автоматической наплавке выпускных клапанов двигателей автомобилей [Аманов С.Р., Горин А.Д., Лозинин А.В., Шишкин А.Р. Доработка сварочного источника ВСВУ-400 для использования в составе установки плазменно-порошковой наплавки клапанов. // Международная научно-техническая конференция «Металлургия сварки и сварочные материалы». Тезисы докладов. Санкт-Петербург, 1993 г., с.229-231.]).

Амплитуда тока сварки (пропорциональная величине U_имп) при этом задается величиной U_вх, а ток паузы определяется величиной U_пауз=U_имп·K, где K=R₂/(R₁+R₂) - коэффициент уменьшения тока сварки в паузе, как это реализовано, например, в известном способе плазменной наплавки [патент РФ 2165831 кл. В 23 К 9/04, 2000], повышающем качество наплавленного слоя.

Величину U_вх задает система управления 2, которая обеспечивает заданную зависимость тока от времени или перемещения (линейного или углового) заготовки 1, а величина U_вых, с наложенной модуляцией, поступает на вход управления управляемого источника питания 1 сварки.

Схема управления коммутатором работает следующим образом (фиг.3). Напряжение U_пит2 (например, напряжение в силовой сети) подают на трансформатор 9, с выхода которого пониженное напряжение через мостовой выпрямитель 10 поступает на вход триггера Шмитта 11, в котором устраняются ложные переключения на его выходе при наличии помех в питающем (сетевом) напряжении. Далее импульсы с триггера Шмитта поступают на вход счетчика 12, коэффициент деления которого определяет длительность периода Т_пер (эпюра «б», фиг.6) импульсов U_вых. Если, для примера, коэффициент деления счетчика взять равным 4, то длительность Т_пер составит величину 4·10 мс = 40 мс. При отклонении частоты питающей сети от значения 50 Гц значение Т_пер соответственно изменится.

При поступлении импульсов на вход одновибратора 13 он начинает генерировать, например по положительному фронту, импульсы длительностью Т_имп (эпюра «в», фиг.6).

Время паузы при этом получается автоматически как разность между длительностью периода управления и длительностью импульса управления: Т_пауз=Т_пер-Т_имп.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет просто и надежно получать модулированный сварочный ток, обеспечивающий высокое качество сварки (наплавки) и может использоваться как приставка к управляемым источникам питания сварочной дуги, не имеющим функции сварки, наплавки модулированным током.

Изобретение относится к области сварки, в частности к устройствам для сварки модулированным сварочным током, и может быть использовано в сварочных процессах с автоматическим и полуавтоматическим регулированием параметров. Модулятор устройства установлен в разрыв цепи управления сварочным током между источником постоянного тока и системой автоматизированного управления и включает в себя коммутатор, схему управления им и делитель. Коммутатор выполнен с одним выходом, который является и выходом модулятора, и с тремя входами, один из которых является управляющим и подключен к выходу схемы управления коммутатором. Второй вход коммутатора подключен к системе автоматического управления, а третий - к делителю. Схема управления коммутатором может содержать последовательно соединенные трансформатор, вход которого подключен к сети, мостовой выпрямитель, триггер Шмитта, счетчик и одновибратор, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора. Делитель может быть выполнен в виде двух резисторов, соединенных между собой последовательно. Вход делителя подключен к выходу системы автоматического управления, а точка соединения резисторов подключена к входу коммутатора. Такое выполнение устройства позволяет просто и надежно получать модулированный ток, обеспечивающий высокое качество сварки. 2 з.п.ф-лы, 6ил.

1. Устройство для сварки модулированным током, содержащее источник постоянного тока, систему автоматического управления и модулятор, отличающееся тем, что модулятор установлен в разрыв цепи управления сварочным током между системой автоматического управления и источником постоянного тока, при этом модулятор состоит из коммутатора, схемы управления им и делителя, причем коммутатор выполнен с одним выходом, который является и выходом модулятора, и с тремя входами, один из которых является управляющим и подключен к выходу схемы управления коммутатором, второй вход подключен к системе автоматического управления, а третий - к делителю.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что схема управления коммутатором содержит последовательно соединенные трансформатор, вход которого подключен в сеть, мостовой выпрямитель, триггер Шмитта, счетчик и одновибратор, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора.3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что делитель выполнен в виде двух резисторов R₁ и R₂, соединенных между собой последовательно, причем вход делителя подключен к выходу системы автоматического управления, а точка соединения резисторов R₁ и R₂ подключена к входу коммутатора.