Устройство для дуговой сварки Советский патент 1984 года по МПК B23K9/00 

2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник питания выполнен в виде соединенных параллельно накопительного конденсатора и зарядного, устройства.

3.Устройство по п. 1, Отличающееся тем, что индуктивный накопитель энергии выполнен с возможностью изменения количества витков между его выводами и отводом.

4.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что индуктивный накопитель энергии вьтолнен в виде двух встречно соединенных секций с

отводом от места соединения этих секций.

5.Устройство ПС п. 1, отличающееся тем, что один из ключей вьшолнен управляемым, а другой неуправляемым.

6.Устройство по п. 5, о т л ич ающ е е с я тем, что, с целью защиты управляемого ключа от перенапряжений, между BTOptJM выводом источника питания и точкой соединения управляемого ключа с выводом индуктивного накопителя энергии включен динистор.

1.УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ, содержащее источник питания, индуктивный накопитель энергии и первый ключ с блоком управления, отличающееся тем, что, с целью повышения КПД устройства и одновременно качества сварного шва за счет стабилизации дуги, в устройство введен второй ключ, а индуктивный накопитель энергии выполнен с отводом, при этом источник питания выполнен в виде рекуперативного источника постоянного напряжения, причем один из выводов индуктивного накопит,еля энергии соединен с первым полюсом источника питания через первый ключ, другой вывод соединен с этим полюсом через второй ключ, а отвод индуктивного накопителя энергии подключен к одной из клемм нагрузки, ig при этом второй полюс источника пи(Л тания подключен к другой клемме нагрузки.

1

Изобретение относится к источникам питания для дуговой сварки.

Известно устройство для дуговой сварки, в котором напряжение источника постоянного тока преобразуется в переменное с помощью четырехтиристорного моста. Дуга включена в диагональ .моста и шунтирована батареей конденсаторов. Такое устройство позволяет раздельно регулировать длительность и амплитуду тока положительной и отрицательной части периода 113 .

Однако включение батареи конденсаторов параллельно дуге отрицательно влияет на качество сварного шва, так как устойчивость дуги резко падает, повторное возбуждение дуги затруднено.

Известно также устройство для импульсной дуговой сварки, в котором в качестве генератора импульсов, накладываемых на дугу, служит батарея конденсаторов 2.

В, этом устройстве в импульсах тока, развиваемых батареей конденсаторов, стабилизирована энергия импульса, а ток не стабилизирован и его величина в значительной мере зависит от сопротивления дугового промежутка

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для дуговой сварки, которое содержит источник питания постоянного напряжения с жесткой или падающей внешней характеристикой ключ с блоком управления, индуктивный накопитель энергии, дуговой промежуток подключен параллельно индуктивному накопителю энергии з.

При использовании источника питания с жесткой внешней характеристикой режим горения дуги неустойчив, что в конечном итоге отрицательно сказывается на качестве сварного шва

Белее устойчивое горение наблюдается при использовании источника питания с падающей характеристикой, обладающего высоким внутренним сопро5 тивлением. Однако КПД такого устройства из-за потерь на внутреннем сопротивлении .источника питания невысок. При срабатывании защиты управляемого ключа энергия, запасенная в маг0 нитном поле индуктивного накопителя, рассеивается на гасящем резисторе, что такя,е уменьшает КПД этого устройства.

Кроме того, включение индуктивнос ГО накопителя параллельно дуге отрицательно сказывается на качестве сварного шва, особенно при аргоннодуговой сварке неплавящимся электродом активных металлов, например алюминия. Допустим, при зарядке индуктивного накопителя через дугу протекает ток обратной полярности, а при его разряде - ток прямой полярности. Величина тока, до которого заряжается индуктивный накопитель, зависит

5 от напряжения на дуге. Чем длиннее дуга, тем больше напряжение на ней, тем до большего тока зарядится индуктивный накопитель, тем больший ток прямой полярности, определяющий

0 тепловложение в деталь, протекает через дугу при разряде индуктивного накопителя. Но при увели 1ении дуги ток обратной полярности уменьшается, что уху.цшает степень очистки поверх5 ности детали за счет катодного распыления. Такимобразом, при увеличении тепловложения в деталь степень катодной очистки поверхности детали уменьшается, что приводит к ухудше0 ниш качества сварного шва.

Цель изобретения - повышение КПД устройства и качества сварного шва за счет стабилизации горения дуги. 5 Поставленная цель достигается тем, что в устройство для дуговой сварки, содержащее источник питания ,индуктивный накопитель энергии и первый ключ с блоком управления, вв ден второй ключ, а индуктивный нако питель энергии выполнен с отводом, при этом источник питания выполнен в виде рекуперативного источника по стоянного напряжения, причем один и выводов индуктивного накопителя эне гии соединен с первым полюсом источ ника питания через первый ключ, дру гой вывод соединен с этим полюсом через второй ключ, а отвод индуктив ного накопителя энергии подключен к одной из клемм нагрузки, при этом второй полюс источника питания подк чен к другой клемме нагрузки. Источник питания выполнен в виде соединенных параллельно накопительного конденсатора и зарядного устро ства. Индуктивный накопитель энергии может быть выполнен с возможностью изменения количества витков между его выводами и отводом. Индуктивный накопитель энергии быть выполнен в виде двух встречно соединенных секций с отводом от места соединения этих секций Один из ключей выполнен управляе а другой неуправляемым, напри мер, в виде диода иди динистора. При выполнении одного из ключей неуправляемым, а другого управляемым с целью защиты управляемого ключа о перенапряжений, между вторым выводом источника питания и точкой соединени управляемого ключа с выводом индуктивного накопителя энергии включен динистор. На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства для дуговой сварки для случая выполнения источника питания в виде рекуперативного источника посто янного напряжения; на фиг. 2 - график изменения тока через дуговой промежуток на фиг. 3 - примеры выполнения индуктивного накопителя энергии; на фиг. 4 - принципиальная схема предла гаемого устройства для дуговой сварки для случая выполнения одного из ключей управляемым, а другого неуправляемым; на фиг. 5 - варианты выполнения технических эквивалентов динистора; на фиг. 6 - принципиаль,ная схема предлагаемого устройства для дуговой сварки для случая выполнения источника питания в виде накопительного конденсатора, присоединен ного к зарядному устройству; на фиг. 7 - графики тока через дуговой промежуток напряжения на накопительном конденсаторе, для случая его неполного разряда; на фиг. 8 - то же, при его работе с перезарядом; на фиг. 9 - принципиальная схема предлагаемого устройства для дуговой сварки для случая встречного соединения секций индуктивного накопителя энергии; на фиг, 10 - график тока через дуговой промежуток в устройстве для дуговой сварки по фиг. 9. Устройство для дуговой сварки (фиг. 1) содержит источник 1 питания, индуктивный накопитель 2 энергии, первый ключ 3, дуговой промежуток 4, причем один из выводов 5 индуктивного накопителя 2 соединен с первым полюсом б источника 1 питания через первый ключ 3, другой вывод 7 соединен с этим же полюсом 6 через второй ключ 8, а индуктивный накопитель 2 выполнен с отводом 9, который через дуговой промежуток 4 соединен со вторым полюсом 10 источника 1 питания, Для управления ключами 3 и 8 служит блок 11 управления, соединенный с ними. На фиг. 2 кривая 12 - график тока через дуговой промежуток в устройстве по фиг. 1, где 1 - ток через дуговой промежуток, at- время. Рассмотрим работу устройства для дуговой сварки (фиг. 1) при использовании в качестве источника питания рекуперативного источника постоянного напряжения, т.е. такого источника постоянного напряжения, который способен не только отдавать энергию, но и поглощать ее, а ток при этом имеет возможность проходить через источник в обоих направлениях. Примером таких источников могут аккумуляторы постоянного тока, гальванические элементы, электромашинные генераторы. При подаче сигнала с блока 11 управления в момент i замыкается ключ 3 и подключает источник 1 питания к выводу 5 индуктивного накопителя 2 энергии. Одновременно с этим возбуждается дуга в дуговом промежутке 4. При этом секция 5-9 индуктивного накопителя 2 через включенный ключ 3 и дуговой промежуток 4 заряжается от источника 1 питания. Ток протекает по цепи: полюс 6 источника 1 питания - ключ 3 - секция 5-9 индуктивного накопителя 2 энергии - дуговой промежуток 4 - полюс 10 источника 1 питания. При этом происходит заряд индуктивного накопителя 2 энергии от источника 1 постоянного напряжения. Ток через дуговой промежуток 4 увеличивается (фиг. 2) и течет от вывода 5 к отводу 9 (принимают это направление за положительное), В момент ±2 блоком 11 управления ключ 3 отключается и включается ключ 8. За счет взаимной индукции между секциями 5-9 и 9-7 индуктивного накопителя 2 энергии ток в секции 9-7 протекает по цепи: отвод 9 - вывод 7 ключ 8 - полюс 6 - полюс 10 - дуговой гфомежуток 4 - отвод 9. При это энергия, запасенная в магнитном пол индуктивного накопителя 2 энергии, частично рекуперирует в источник 1 питания, в течение времени t -i пр исходит разряд индуктивного накопит ля 2 энергии. Ток через дуговой про межуток 4 и источник 1 питания в мо мент 2 скачкообразно изменяет свое направление и через дугу формируется отрицательный импульс тока, В мо мент з блоком 11 управления снова включается ключ 3 и отключается ключ 8 и процесс повторяется, 12-кр вая изменения тока во времени. При одинаковом количестве витков секций 5-9 и 9-7 их индуктивность одинакова и в момент t изменяется только направление тока через дуговой промежуток 4, а его амплитуда не изменяется, в момент tj процесс происходит аналогично. Изменяя моменты t изменять частоту и скважность импульсов тока через дугу. С целью регулирования соотношени амплитудами положительного и отрицательного импульсов тока индук тивный накопитель 2 энергии может быть вьшолнен с возможностью измене НИН количества витков между его выводами 5 и 7 и отводом 9, Варианты исполнения индуктивного накопителя энергии приведены на фиг, 3. Вариан 13 предусматривает изменение количе ства витков между выводами индуктив ного накопителя и его отводом за счет изменения местоположения, отво|ца 9 с помощью, например, скользяще :го контакта; вариант 14 -. за счет изменения местоположения выводов 5 и 7 также с помощью скользящего кон такта; вариант 15 - за счет изменения местоположения одного вывода 7, например, с помощью переключателя, Для увеличения с1мплитуды, например, отрицательного импульса количе ство витков секции 9-7 по отношению к виткам секции 5-9 уменьшают, Для увеличения амплитуды положительного импульса количество витков секции 9-7 по отношению к виткам секции 5-9 увеличивают. В предлагаемом устройстве для ду говой сварки один из ключей, наприМёр кгаоч 3, может быть выполнен уп авляемым, а другой (ключ 8) при sT может быть выполнен неуправляемым, налример, в виде диода или динисто- ра или их технических эквивалентов., На фиг, 4 изображено предлагаемое устройство для дуговой сварки для случая выполнения одного из ключей управляемым, а другого неуправляемым. Оно содержит источник 1 питания, индуктивный накопитель 2 энергий, первый ключ 3, выполненный управляемым в виде тиристора, дуговой промежуток 4, причем один из выодов 5 индуктивного накопителя 2 энергии соединен с первым полюсом 6 источника 1 питания через первый ключ 3, другой вывод 7 соединен с этим же полюсом б через второй ключ 8, выполненный неуправляемым в виде динистора, а отвод 9 индуктивного накопителя 2 через дуговой промежуток 4 соединен со вторым полюсом 10 источника 1 питания. Для управления ключом 3 служит блок 11, Устройство для дуговой сварки на фиг, 4 работает следующим образом. Рассматриваем его работу в установившемся режиме. В момент t., (фиг.2) дуга возбунодена, блоком 11 Управления ключ 3, выполненный в виде тиристора, включен, а ключ 8, выполненный в виде.динистора, выключен, так как к нему приложено обратное напряжение. При этом секции 5-9 индуктивного накопителя 2 через включенный тиристор 3 и дуговой промежуток 4 подключена к источйику 1 питания. Ток протекает по цепи: полюс: б источника 1 питания-тиристор 3-секция 5-9 индуктивного накопителя 2 энергии-дуговой промежуток 4 - полюс 10 источника 1 питания. Индуктивный накопитель 2 энергии заряжается от источника 1 питания. Через дуговой промежуток 4 формируется положительный импульс тока. В момент времэни t блоком 11 управления тиристор 3 отключается. За счет взаимной индукции между секциями 5-9 и 9-7 в секции 9-7 наводится ЭДС, прикладываемая к динистору 8 в прямом направлении При достижении на динисторе напряжения его срабатывания он включается, ток через секцию 9-7 замыкается по цепи: отвод 9-вывод 7-дииистор 8-полюс б-полюс 10- дуговой . промежуток 4-отвод 9. При этом энергия, запасенная в магнитном поле индуктивного накопителя 2 энергии, частично рекуперирует в источник 1 питания и индуктивный накопитель разряжается. Ток через дуговой промежуток 4 и источник 1 питания в момент времени t скачкообразно изменяет свое направление и через дугу формируется отрицательный импульс тока, В момент времени i блоком 11 управления снова включается тиристор 3, а динистор 8 запирается обратньи; напряжением и процесс повторяется. При выполнении одного из ключей неуправляемым, а другого управляемым ,с целью защиты управляемого ключа от перенапряжения при внезапном обрыве дуги во время работы, между втopы /l выводом 10 источника 1 постоянного напряжения и точкой соединения управляемого ключа 3 с выводом 5 индуктивного накопителя 2 энергии включен динистор 16 (фиг. 4) . Защита работает следующим образом При протекании тока по индуктивному накопителю 2 энергии и внезапном обрыве дуги между выводами 5 и возникает перенапряжение, которое приводит к увеличению напряжения на динисторах 8 и 16 в прямом направле нии. При увеличении напряжения на динисторах до величины напряжения срабатывания они включаются. При этом ток индуктивного накопителя энергии изменяется до величины, опре деляемой энергией магнитного поля индуктивного накопителя и величиной индуктивности всего накопителя и замыкается по цепи: вывод 5 - выход 7динистор 8 - источник 1 питания - ди нистор 16 - вывод 5, Энергия, запасенная, в магнитном поле индуктивного накопителя 2 энергии, рекуперирует в источник 1 питания. Напряжение на тиристоре 3 не превышает суммы напр жений на источнике 1 питания и напр жения срабатывания динистора 16. На фиг. 5 представлены варианты 17, 18, 19 и 20 выполнения технических эквивалентов динистора. Динистор может быть выполнен в виде тиристора 21 с присоединенной к нему цепочкой из последовательно соединенных динистора 22 и резистора 23 (вариант 17), а также (вариант 18) в виде тиристора 24 и присое диненной к нему цепочкой из последовательно соединенных стабилитрона 25 и резистора 26, а также в виде тиристора 27 с присоединенным к нему резистором 28 (вариант 19), а также в виде пары транзисторов 29 и 30 и резистора 31 (вариант 20). Изменяя моменты времени i и t коммутации ключей 3 и 8, мохсно регулировать частоту и скважность импульсов тока через дуговой промежуток 4. В предлагаемом устройстве для дуговой сварки источник питания может быть выполнен в виде накопительного конденсатора, присоединенного к зарядному устройству. На фиг. 6 изобра жено предлагаемое устройство для дугрвой сварки для случая вьтолнения источника питания в виде накопительного конденсатора, присоединенного к зарядному устройству. Оно содержит источник 1 питания, индуктивный накопитель 2 энергии, первый ключ 3, дуговой промежуток 4, причем один из выводов 5 индуктивного накопителя 2 энергии соединен с первым полюсом 6 источника питания 1 через первый ключ 3, другой вывод 7 соединен с этим же полюсом 6 через второй ключ 8, а отвод 9 индуктивного накопителя 2 через дуговой промежуток 4 сое|Динен со вторым полюсом 10 источника 1 питания, который выполнен в виде накопительного конденсатора 32, присоединенного к зарядному устройству 33. В.качестве зарядного устройства может быть использован любой источник постоянного тока, в том числе и источник, имеющий возможность протекания тока только в одну сторону, например выпрямитель. На фиг. 7 кривая 34 - график изменения напряжения на накопительном конденсаторе при работе в режиме с частичным разрядом накопительного конденсатора; кривая 35 - график изменения тока через дуговой промежуток при частичном разряде накопительного конденсатора. На фиг. 8 кривая 36 - график тока через дуговой промежуток при работе в режиме перезаряда накопительного конденсатора; кривая 37 - график изменения напряжения на накопительном конденсаторе при работе в режиме перезаряда накопительного конденсатора. Устройство для дуговой сварки (фиг. 6) работает следующим образом. В установившемся режиме в момент времени t дуга возбуждена, конденсатор 32 заряжен до максимального уровня и, ключ 3 замкнут блоком 11 управления, а ключ 8 разомкнут. Таким образом, секция 5-9 индуктивного накопителя 2 через ключ 3 и дуговой промежуток 4 подключена к конденсатору 32. Конденсатор 32 при этом разряжается на секцию 5-9 индуктивного накопителя 2 через дуговой промежуток 4, Напряжение на конденсаторе 32 уменьшается (позиция 34 на фиг. 7), а ток в индуктивном накопителе 2 увеличивается (позиция 35 на фиг. 7). Происходит заряд индуктивного накопителя 2. Через дуговой промежуток формируется положительный импульс тока. В момент t блоком 11 управления ключ 3 отключается и включается ключ 8. К этому моменту времени конденсатор 32 разряжен до . напряжения U или даже перезаряжен до напряжения U (позиция 37 на фиг. 8). За счет взаимной индукции между секциями 5-9 и 9-7 индуктивного накопителя 2 энергии ток протекает по цепи: отвод 9 - вывод 7 ключ 8 - конденсатор 32 - дуговой промежуток 4 - отвод 9. При этом энергия, запасенная в магнитном поле индуктивного накопителя 2, рекуперирует в конденсатор 32 и индуктивный накопитель 2 разряжается. Ток через дуговой промежуток 4 и конденсатор 32 в момент ±2 скачкообразно изменяет свое направление и через дугу формируется отрицательный импульс тока. В момент tj снова включается ключ 3 и отключается ключ 8 и процесс повторяется.

С целью использования предлагаемого устройства для импульсно-дуговой сварки индуктивный накопитель энергии может быть выполнен в виде двух встречно соединенных секций с отводом от места соединения этих секций, Для этого случая схема предлагаемого устройства изображена на фиг. 9. Устройство содержит источник 1 питания, индуктивный накопитель 2 энергии, первый ключ 3, дуговый промежуток .4, причем один из выводов 5 ийдуктивного накопителя энергии 2 соединен с первым полюсом 6 источника 1 питания через первый ключ 3, другой йывод 7 соединен с этим же полюсом 6 через второй ключ 8, а отвод 9 индуктивного накопителя 2 через дуговой промежуток 4 соединен со вторым полюсом 10 источника 1 питания. Сек,ции .5-9 и 9-7 индуктивного накопителя 2 энергии включены встречно, а от места их соединения сделан отвод 9.

На фиг, 10 кривая 38 - график изменения тока через дуговой промежуток в схеме по фиг. 9.

Устройство для дуговой сварки (фиг, 9) работает следующим образом.

Допустим, что индуктивность или количество витков секции 5-9 больше, tJeM секции 9-7, В момент времени f , {фиг, 10) блоком 11 управления включается ключ 3 и отключается ключ 8, При этом по цепи: источник 1 питания - ключ 3 - вывод 5 - отвод 9 дуговой промежуток 4 - источник 1 питания протекает ток J , обеспечиваю щий горение дежурной дуги, В момент времени, t блоком 11 управления отключается ключ 3 и включается ключ 8, За счет взаимной индукции между секциями 5-9 и 9-7 ток протекает через секцию 9-7. Так как индуктивность секции 9-7 меньше, чем у секции 5-9,. а энергия, запасенная в магнитном поле индуктивного накопителя, мгновенно измениться не может, то ток в секции 9-7 увеличивается пропорционально отношению витков секции 5-9 к виткам секции 9-7. За счет встречного включения секций направление тока через дуговой промежуток не изменяется и он протекает по цепи: вывод 7 - отвод 9 - дуговой промежуток 4 - источник 1 питания i ключ 8 - вывод 7, При этом осуадествляется налолсение на дежурную дугу 1№тульсов тока повышенной амплитуды J, , величина которой не зависит от состояния дугового промежутка, а определяется энергией, запасенной в индуктивном накопителе к моменту iji включения ключа 8. Изменяя моменты времени i-, и t , можно регулировать частоту и скважность импульсов тока через дугу.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство для дуговой сварки обладает, следующими преимущества.ми. При формировании импульса тока любой полярности последовательно с дуговым промежутком всегда включена одна из секций индуктивного накопителя энергии о Это повышает устойчивость горения дуги и уменьш&ет вероятность обрыва дуги не только во время разряда индуктивного накопителя энергии, но и при его заряде, что в конечном итоге улучшает качество сварного шва. Также можно без ухудшения устойчивости режима горени дуги использовать в качестве источника питания источники с жесткой внешней характеристикой, обладающие более низкими потерями энергии и лучшими массогабаритными показателя.ми, что .приводит к повьпиению КПД всего .устройства. В случае использования защиты в виде динистора, включеннозго между точкой соединения упраляемого .ключа с выводом индуктивного )Накопителя энергии и выводом источника питания, при обрыве дуги накопления в магнитном поле энергия не рассеивается на гасящем резисторе, а рекуперирует в источник питания. Это также повышает КПД устройства и упрощает его за счет исключения гасящего резистора. Выполнение индуктивного накопителя энергии с возможностью .изменения количества витков меисду его выводами и отводом позволяет регулировать соотношение амллитуд положительного и отрицательного импульсов тока через дугу при постоянной частоте и 4пyльcoв, что расширяет технологические возможности устройства. Кроме того, при изменении длины дуги соотношение между током прямой и обратной полярностей остается неизменньом и при увеличении тепловложения в деталь ухудшения Катодной очистки не происходит, что улучшает качество сварного шва по сравнению с прототипом.

i2

if

7

ij

5 3

15

/ Фиг.З

28 Л

19

20

Фиг. 5

Ifn

/I - - Фиг . 10