Способ сварки плавящимся электродом с короткими замыканиями и устройство для его осуществления Советский патент 1990 года по МПК B23K9/16 B23K9/10 

Изобретение относится к сварочному производству, а именно к использованию ультразвуковых колебаний при электродуговой сварке с короткими замыканиями, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства при сварке больших толщин.

Цель изобретения - улучшение микроструктуры сварного шва и качества сварного соединения за счет осуществления управляемого переноса электродного металла.

На фиг. 1 графически изображены осциллограммы напряжений и тока, поясняющие способ сварки плавящимся электродом с короткими замыканиями и работу устройства: а - осциллограмма напряжения дугового промежутка v, б - осциллограмма ультразвуковых импульсов сварочного тока; в - осциллограмма напряжения импульсов на включение отрицательной обратной связи для стабилизации среднего значения тока г - осциллограмма напряжения имru 1ьсов команды на включение положительной обратной связи для модуляции сварочного тока V - ос; на фиг. 2 - блок-схема устройства для реализации способа.

Сущность способа (фиг. 1) состоит в том, что при выполнении сварки с короткими замыканиями с момента начала горения дуги ti и в процессе образования капли (ti-12) до момента начала короткого замыкания t3 в чуговой промежуток вводят ультразвуковые импульсы. Эти импульсы в процессе образования капли (ti-{2) стабилизируют по среднему значению сварочного тока. В момент образования капли заданной величины (i) производят дополнительную модуляцию тока в течение времени t2-ts с частотой, равной собственной частоте колебания капли электродного металла. С момента ta - - начала короткого замыкания подачу ультразвуковых импульсов прекращают, а по прошествии времени Т их подают вновь со стабилизацией по среднему значению тока до окончания короткого замыкания t4.

Устройство для сварки плавящимся электродом с короткими замыканиями состоит из четырех основных блоков: блока силовой части 1 (фиг. 2) с промежуточным звеном преобразования частоты, блока управления инвертором 2, блока обратной связи 3 и программного блока 4. Блок силовой части содержит входной выпрямитель 5, фильтр 6, инвертор 7, трансформатор 8, выходной управляемый выпрямитель 9 и нагрузку в виде межэлектродугового промежутка 10.

Блок управления инвертором 2 содержит задающий генератор 11, триггер 12, первый формирователь импульсов 13. Блок обратной связи 3 состоит из датчика сварочного тока 14, усилителя-интегратора 15, первого инвертора 16 сигнала обратной связи, первого инвертора 16 сигнала обратной связи, первого и второго компараторов 17 и 18, элементов И 19, 20, первого элемента ИЛИ 21 счетного триггера 22, второго формирователя импульсов 23.

Программный блок 4 содержит третий и четвертый компараторы 24 и 25, генератор длительности импульса TI 26. генератор временной задержки импульсов Т2 27, второй элемент ИЛИ 28, триггер 29, второй инвертор 30.

Устройство работает следующим образом (фиг. 2).

Напряжение сети переменного тока поступает на входной выпрямитель 5 блока силовой части 1, выпрямляется, сглаживается фильтром 6, преобразуется в ультразвуковую частоту переменного напряжения инвертором 7, понижается трансформатором 8, затем выпрямляется управляемым выпрямителем 9 и поступает на нагрузку 10 в виде однополярных- ультразвуковых импульсов с изменяющейся скважностью.

Частота преобразования напряжения инвертора 7 задается задающим генератором 11 блока управления инвертором 2. Выходной сигнал задающего генератора 11 поступает

на триггер 12, где распределяется по каналам с двухтактной последовательностью и, усиливаясь первым формирователем импульсов 13, поступает на силовые ключи инвертора 7.

Для изменения скважности выходных однополярных ультразвуковых импульсов сварочного тока, обеспечивающих ультразвуковое воздействие на сварочную ванну, а также для реализации алгоритма управления переноса электродного металла в сварочную ванну служат блок обратной связи 3 и программный блок 4.

Информационным параметром о нагрузке для блока обратной связи 3 служит сварочный ток 1а , для программного блока 4 -

р напряжение дуги V (фиг. 1).

Блок обратной связи вместе с выходным управляемым выпрямителем 9 позволяет осуществить либо стабилизацию сварочного тока по среднему значению, когда включена отрицательная обратная связь «-

5 ОС, либо модулировать сварочный ток с частотой колебания сопротивления нагрузки в случае включения положительной обратной связи «+ ОС. Команды на включение той или иной обратной связи поступают с программного блока 4.

0 Принцип работы блрка обратной связи заключается в следующем. Информация о величине сварочного тока 1Э с датчика сварочного тока 14 поступает на усилитель-интегратор 15, он же одновременно является и элементом сравнения, так как вы5 полней на операционном усилителе, сравнивается с задающим напряжением Уз и усиленный сигнал ошибки поступает на первые входы компараторов 17 и 18, причем на компаратор 18 подается сигнал ошибки, ко0 торый изменяется по фазе на 180 эл. град, первым инвертором 16, тем самым реализуя положительную обратную связь. На вторые входы компараторов 17 и 18 поступает пилообразное напряжение с задающего генератора 11. Это обеспечивает син5 хронизацию работы выходного управляемого выпрямителя 9 и инвертора 7. Компараторы 17 и 18 преобразуют аналоговые сигналы обратных связей в дискретные импульсы с изменяющейся скважностью. С выходов компараторов 17 и 18 им0 пульсы поступают на первые входы элементов И 19 и 20, на вторые входы которых поступают команды в виде импульсов определенной длительности V или . Если имеет место имдульсы ,

(осциллограмму в на фиг. 1), то он дает 5

разрешение на прохождение сигнала

через элемент И 19, с выхода которого затем сигнал поступает на выходной управляемый выпрямитель 9, проходя

последовательно через первый элемент ИЛИ 21, счетный триггер 22, второй формирователь импульсов 23. Следовательно, в течение времени команды действует отрицательная обратная связь по току, а значит производится стабилизация сварочного тока по среднему значению. Как только отключается команда , включается команда и тогда выходные импульсы с компаратора 18 поступают на выходной управляемый выпрямитель 9 через элементы И 20, первый элемент ИЛИ 21 счетный триггер 22, и второй формирователь импульсов 23. В цепи начинает действовать положительная обратная связь, усиливающая колебания сварочного тока, и осуществляя тем самым его модулятор с частотой изменения сопротивления нагрузки, т. е. реагируя на собственные колебания капли на электроде, которые, в свою очередь, изменяют сопротивления дугового промежутка с этой же частотой. Для изменения глубины как отрицательной, так и положительной обратных связей на первые входы компараторов 17 и 18 подаются также постоянные задающие напряжения Vr, и Vr,.

Программный блок 4 получает информацию в виде напряжения дуги Vj (фиг. 1а), которое поступает на первые входы третьего и четвертого компараторов 24 и 25, на вторые входы компараторов 24 и 25 подаются опорные напряжения Von, и Von2- Уев., соответствует величине напряжения на 10-15% меньше максимального напряжения горения дуги (примерно 17-18 В). Von соответствует величине напряжения на 10-15% больше максимального падения напряжения на электроде во время короткого замыкания капли (4-5 В). Таким образом, на входе компараторов 24 и 25 происходит постоянное сравнение напряжения Vg и напряжений Vo-., и Von,.

Начнем рассмотрение алгоритма управления с момента загорания дуги. Как только напряжение дуги Vg станет больше напряжения Von, (момент ti фиг. 1) на выходе компаратора 24 появится импульс постоянного напряжения, который запустит генератор длительности импульса 26, обеспечивающий определенную длительность протекания этого импульса Т, далее этот импульс поступает на элемент ИЛИ 28, триггера 29 и с выхода триггера 29 в виде импульса команды 1/« ог (фиг. 1, ti-12) на второй вход компаратора 19, включая отрицательную обратную связь по среднему значению сварочного тока. По истечении импульса TI, в момент to. (фиг. 1в), триггер 29 опрокидывается в прежнее состояние и падает импульс команды через инвертор 30 на второй вход компаратора 20 и сварочный ток начинает модулироваться с частотой колебания капли до тех пор, пока не произойдет короткого замыкания капли со сварочной ванной (момент времени 1з фиг. 1а), напряжение на дуговом промежутке Vs резко упадет до напряжения КЗ и станет меньше опорного

Von2. В результате на выходе компаратора 25 появится сигнал, который запустит генератор временной задержки импульсов 27, выходной сигнал которого на время Т2 останавливает счетный триггер 22, и, следовательно, снимает импульсы управления с выходного выпрямителя 9 и обеспечивает бестоковую паузу во время начала короткого замыкания, т. е. во время начала перехода капли в сварочную ванну (фиг. 1 моменты времени is-14). Данное обстоятельство снижает разбрызгивание электродного металла. По мере прекращения импульса задержки Т2 с выхода компаратора 25 сигнал поступает через элемент ИЛИ 28 и опрокидывает триггер 29 в положение, обеспечивающее включение отрицательной связи . Таким образом, до момента времени ts (фиг. 1), пока происходит перетекание капли, сварочный ток будет ограничен током стабилизации, равным току в период TI. После окончания КЗ напряже5 ние на межэлектродном промежутке увеличивается и становится больше напряжения Von2, поэтому сигнал с выхода компаратора 25 будет отсутствовать, а на выходе компаратора 24 вновь появится, как только напряжение Va достигнет величины Vo,.|. Все процессы повторяются в программном блоке 4 в период следующего переноса капли электродного металла Тп.

Времена TI и То могут регулироваться за счет изменения величины задающих напряжений V-i м V-o, поступающих на вто5 рые входы генератора длительности импульсов 26 и генератора временных задержек 27.

Таким образом, изменяя время TI {время действия отрицательной обрат0 ной связи сварочного тока по среднему значению), возможно изменение энергии теп- ловложения в каплю электродного металла в период ее переноса Т„ . Опытным путем можно установить эт} величину для определенной марки и диаметра электрода.

5 Включение положительной обратной связи по сварочному току, обеспечивает его модуляцию, а следовательно, дает толчок для обеспечения четкого перетекания капли в сварочную ванну. Выключение выходного выпрямителя на время Т и ограничение тока во время КЗ обеспечивает минимальное разбрызгивание электродного металла. Ультразвуковое воздействие электрическими однополярными импульсами сварочного тока на сварочную ванну в период между двумя

5 стадиями переноса значительно улучшает микроструктуру шва, повышает глубину проплавления и снижает его пористость. Все это сказывается на повышении качества сварочного соединения.

0

Пример. Сваривают листовые конструкции из стали АК-29. Сварку производят низколегированными электродами с карбо- натно-флюоритным покрытием марки 48Н-13 по ОСТ 9244-75 диаметром 4 мм.

Сварку ведут модулированным током частотой 16 кГц импульсами обратной полярности. Среднее значение тока сварки берется в пределах 160-180 А.

Испытания способа показывают, что количество газовых пор в сварном соединении уменьшилось на 50%, разбрызгивание металла снизилось на 40%, возросла стабильность формирования шва.

Кроме того, отпадает необходимость в применении в держателе электрода ультразвукового магнитострикционного преобразователя, имеющего значительный вес и габариты, уменьшаются условия работы сварщика.

Формула изобретения

. Способ сварки плавящимся электродом с короткими замыканиями, при котором ,шдач ультразвуковых импульсов в дуговой промежуток осуществляют синхронно со стадиями горения дуги и стадиями коротких замыканий, причем ультразвуковые колебания вводят в сварочную ванну в период между двумя стадиями переноса электродного металла путем подачи однополяр- ныч электрических импульсов сварочного тока с изменяющейся скважностью, отличаю- цийся тем, что, с целью улучшения микроструктуры сварочного шва и качества сварных соединений путем управления переносом электродного металла, с момента начала горения дуги и в процессе образования капли до момента короткого замыкания подают ультразвуковые импульсы, которые в процессе образования капли стабилизируют по среднему значению сварочного тока, в момент образования капли ладанной величины производят дополнительную модуляцию тока с частотой, равной с юственной частоте колебаний капли, в момент начала короткого замыкания подач ультразвуковых импульсов прекращают, а

0

затем подают их вновь со стабилизацией по среднему значению тока до окончания короткого замыкания.

2. Устройство для сварки плавящимся

электродом с короткими замыканиями дугового промежутка, содержащее последовательно соединенные входной выпрямитель, фильтр, инвертор, трансформатор и выходной управляемый выпрямитель, задающий

генератор, через первый триггер и первый формирователь импульсов, соединенный с управляющими входами инвертора, счетный триггер через второй формирователь импульсов, соединенный с управляющими входами выходного управляемого выпрямителя,

датчик сварочного тока через усилитель- интегратор, соединенный с первым входом первого компаратора, второй вход которого соединен с вторым входом задающего генератора, отличающееся тем, что, с целью улучшения микроструктуры сварного шва и качества сварных соединений путем управления переносом электродного металла, в него введены первый элемент И, последовательно соединенные аналоговый инвертор, второй компаратор, второй элемент И и пер5 вый элемент ИЛИ, а также последовательно соединенные третий компаратор, первый генератор, второй элемент ИЛИ, второй триггер и инвертор, четвертый компаратор и второй генератор, выход которого соединен с R-входом счетного тригге0 ра, первый вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом первого компаратора и вторым выходом вто5 рого триггера, выход инвертора соединен со вторым входом второго элемента И. второй вход второго компаратора соединен со вторым выходом задающего генератора, вход аналогового инвертора соединен с выходом

Q усилителя-интегратора, выход выходного управляемого выпрямителя соединен со входами третьего и четвертого компараторов, выход последнего соединен со вторым выходом второго элемента ИЛИ и входом второго генератора.

Изобретение относится к технологии и оборудованию для дуговой сварки плавящимся электродом с короткими замыканиями (КЗ) и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства. Цель изобретения - улучшение микроструктуры сварного шва и качества сварных соединений путем управления переносом электродного металла. При сварке плавящимся электродом ультразвуковые импульсы (УИ) вводят с момента начала горения дуги и в процессе образования капли до момента КЗ. В процессе образования капли УИ стабилизируют по среднему значению сварочного тока, а в момент образования капли заданной величины производят дополнительную модуляцию тока с частотой, равной частоте колебания капли электродного металла. В момент начала КЗ подачу УИ прекращают, а затем подают их вновь со стабилизацией по среднему значению тока до окончания КЗ. Устройство для сварки плавящимся электродом с КЗ содержит входной выпрямитель, фильтр, инвертор, трансформатор, выходной управляемый выпрямитель, датчик сварочного тока, усилитель-интегратор, компаратор, задающий генератор, триггер, формирователи импульса. В устройство введены инверторы, компараторы, элементы И, элементы ИЛИ, счетный триггер, дополнительный триггер, генератор длительности импульсов и генератор временной задержки импульсов. Импульсы электрического тока, воздействуя на сварочную ванну, вызывают улучшение микроструктуры шва, повышают глубину проплавления и снижают его пористость. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.