Источник тока для импульсно-дуговой сварки Советский патент 1991 года по МПК B23K9/09 

Изобретение относится к области сварочного производства, в частности к источникам питания для электродуговой сварки и наплавки металлов в среде защитных газов, под флюсом и открытой дугой в различных пространственных положениях, и может быть использовано в машиностроении, судостроении, авиастроении, автомобилестроении и других областях промышленности.

Цель изобретения - расширение технологических возможностей источника тока для импульсно-дуговой сварки путем расширения возможностей и областей регулирования параметров импульсов, обеспечения независимого их регулирования и снижения расхода материалов на его изготовление.

На фиг.1 изображена принципиальная электрическая схема источника тока для импульсно-дуговой сварки; на фиг 2 - временные диаграммы, поясняющие работу предлагаемой схемы источника, и форма сварочного тока, протекающего через дуговой промежуток.

Источник тока для импульсно-дуговой сварки содержит силовую часть (СЧ) и блок управления (БУ). СЧ источника тока состоит из источника 1 питания с жесткой внешней характеристикой, тиристора 2, тиристорноо

00

1ЧЭ

о

vj О

го моста, содержащего тиристоры 3-6 и конденсатор 7 в его диагонали, тиристоров 8 и

9,индуктивного накопителя 10 энергии с двумя отводами. Выход источника тока соединен с дуговым промежутком 11. БУ содержит компаратор 12, дискриминатор 13, таймер 14, формирователь 15 сигналов управления.

Анод тиристора 2 соединен с положительным выводом источника 1 питания, а катод - с первым отводом 10-2 индуктивного накопителя 10. Таким образом, создана цопь для протекания импульсов тока от положительного вывода источника 1 питания через тиристор 2, индуктивный накопитель

10,дуговой промежуток 11 к отрицательному выводу источника 1 питания. Аноды тиристоров 3 и 4 также подключены к положительному выводу источника 1 питания, а их катоды - к разным обкладкам конденсатора 7 и анодам тиристоров 5 и 6, катоды которых соединены в общую точку и подключены к второму отводу 10-3 индуктивного накопителя 10. Туда же подключен катод тиристора 8, анод которого соединен с отрицательным выводом источника 1 питания, образуя тем самым цепь разряда для части обмотки между вторым отводом 10-3 и концом 10-4 индуктивного накопителя 10 энергии. Тиристор 9 своим анодом подключен также к отрицательному выводу источника 1 питания, а катодом к началу 10-1 обмотки индуктивного-накопителя 10 энергии, образуя тем самым цепь для протекания базового гска. Базовый ток обеспечивается ЭДС самоиндукции, наводимой на всей обмотке индуктивного накопителя 10 за счет энергии, запасенной в магнитном поле его во время протекания импульсов тока (участок , фиг.2).

Конденсатор 7 соединен с входами компаратора 12 и дискриминатора 13 БУ для определения уровня и полярности напряжения на нем. Выходы компаратора 12 и дискриминатора 13, а также таймера 14 соединены с входом формирователя 15 сигналов управления, выходы которого соответственно соединены с цепями управления тиристоров 2-6 и 8, 9.

Таймер 14 предназначен для выработки временных сигналов управления тиристорами 2-6 в соответствии с установленными на нем заданиями времени периода следования импульсов Задание 1 и длительности импульсов Задание т. Компаратор 12 предназначен для сравнения величины напряжения заряда конденсатора 7 с заданным значением его Задание UC7 и выработки сигналов управления для открывания тиристоров 8 и 9, Дискриминатор 13

непрерывно определяет полярность заряда конденсатора 7. По совокупности сигналов таймера 14 и дискриминатора 13 определяется момент и выдается разрешение на

включение одной или другой пары тиристоров 3. 6 или 4, 5 мостовой схемы. Формирователь сигналов управления предназначен для усиления сигналов, поступающих с таймера, компараторов и дискриминатора с

0 целью отпирания тиристоров.

Источник работает следующим образом.

В установившемся режиме источник 1 питания включен, на выходе его имеется

5 постоянное напряжение U (фиг.2), в момент времени ti дуга возбуждена, тиристор 9 открыт сигналом блока управления. По цепи: конец индуктивного накопителя 10 энергии - дуговой промежуток 11 - открытый

0 тиристор 9 - начало индуктивного накопителя 10 протекает ток базы (1е) в течение времени ti-t2. Все остальные тиристоры закрыты, а конденсатор 7 предварительно заряжен до значения напряжения +1)з, за5 данного компаратором 12. Допустим, конденсатор 7 заряжен так, что положительный потенциал находится на его верхней обкладке. Таймер 14 блока управления отсчитывает в соответствии с установленным на

0 нем Заданием Т период следования импульсов тока Т. По истечении времени периода Т таймер 14 выдает сигнал на включение тиристора 2. С выхода формирователя 15 сигналов управления сигнал 1ут2 в

5 момент времени т.2 поступает в цепь управления тиристора 2. Тиристор 2 открывается (момент t2, фиг.2). Положительное напряжение источника 1 питания прикладывается к первому отводу 10-2 индуктивного накопи0 теля 10 энергии. Так как индуктивность части обмотки между первым отводом 10-2 и концом 10-4 индуктивного накопителя 10 меньше, чем индуктивность между началом и концом (всей обмотки), а запасенная в

5 магнитном поле индуктивного накопителя 10 энергия мгновенно измениться не может, то ток в части обмотки 10-2... 10-4 с большей скоростью увеличивается от уровня тока базы 1е до уровня тока и (момент t2, фиг.2), а в

0 части 10-1... 10-2 ток начинает быстро снижаться. Скачок тока импульса и пропорционален отношению витков всей обмотки индуктивного накопителя к виткам между первым отводом 10-2 и концом 10-4. При

5 этом к тиристору 9 прикладывается обратное напряжение U и тиристор 9 восстанавливается в непроводящее состояние. На участке ток через дуговой промежуток медленно нарастает под действием напряжения U и протекает по цепи: положительный вывод источника 1 питания - тиристор 2 - отвод 10-2 - конец 10-4 - дуговой промежуток 11 - отрицательный вывод источника 1 питания. Скорость нарастания тока на участке определяется отношением индуктивности части обмотки индуктивного накопителя 10 между отводами 10-2..,10-4 к сопротивлению дугового промежутка 11 и значением напряжения U. В это время происходит заряд индуктивного накопителя 10 энергии.

Таймер 14 в соответствии с установленным на нем заданием ги начиная с момента ta. отсчитывает время, равное длительности импульсов, ги. По истечении этого времени с таймера 14 на вход формирователя 15 сигналов управления поступает сигнал на включение пары тиристоров 3, 6 или 4, 5, С дискриминатора 13 на вход формирователя 15 сигналов управления непрерывно поступает сигнал управления иуд о полярности напряжения на конденсаторе 1.

В соответствии с этими сигналами в момент времени ta формирователь 15 сигналов управления вырабатывает сигнал управления 1ут3...б (фиг,2), который посылается к той паре тиристоров 3, 6 или 4, 5 тиристорного моста, включение которой приведет к перезаряду конденсатора 7. Допустим, дискриминатор 13 разрешает прохождение сигналов управления одновременно на тиристоры 4 и 5. Они открываются. При этом отрицательный потенциал заряда конденсатора 7 прикладывается к аноду тиристора 2 и положительному выводу источника 1 питания, а положительный - к отводу 10-3 обмотки индуктивного накопителя 10. Напряжение источника 1 питания и напряжение Уз заряда конденсатора 7 складываются, так как они включены и действуют согласно. Суммарное напряжение прикладывается к отводу 10-3 обмотки индуктивного накопителя 10.

В тот же момент времени ta {фиг.2) к открытому тиристору 2 прикладывается обратное напряжение Уз, равное напряжению заряда емкости 7 (фиг.2). От этого напряжения по цепи: плюс напряжения из на верхней обкладке конденсатора 7 - открытый тиристор5-отвод 10-3 -отвод 10-2 - катод тиристора 2 - анод тиристора 2 - открытый тиристор 4 - минус напряжения Уз на нижней обкладке конденсатора 7 протекает обратный ток через тиристор 2. Этим током тиристор 2 начинает восстанавливаться в непроводящее состояние. Включение части обмотки индуктивного накопителя 10 энергии, расположенной между его отводами 10-2...10-3, мехлу катодом тиристора 2 и

катодами тиристоров 5 и 6 тиристорной мостовой схемы позволяет значительно снизить крутизну нарастания и величину обратного тока разряда емкости 7 через ти- ристор 2. Таким образом повышается надежность его работы в период принудительной коммутации протекающего через него тока и.

Ток предимпульса 1ц, протекающий

0 ранее через тиристор 2, очень быстро перехватывается цепью перезаряда конденсатора 7, который шунтирует тиристор 2. Совместным действием обратного тока и шунтирования тиристор 2 надежно восста5 навливается в непроводящее состояние. По цепи: положительный вывод источника 1 питания - тиристор 4 - конденсатор 7 - тиристор 5 - часть обмотки между отводами 10-3...10-4 индуктивного накопителя 10 0 дуговой промежуток 11 - отрицательный выход источника 1 питания,начиная с момента t3 (фиг.2), происходит колебательный перезаряд конденсатора 7. Через дуговой промежуток протекает ток импульса с

5 амплитудой а. Значения амплитуды импульса 1а определяются совместным действием напряжений U источника 1 питания и 11з заряда конденсатора 7, индуктивностью части 10-3... 10-4 обмотки индуктивного нако0 пителя 10 и сопротивлением дугового промежутка 11.

Напряжение U, индуктивность указанной части обмотки индуктивного накопителя 10 и значение сопротивления дугового

5 промежутка для конкретных условий сварки являются постоянными величинами, а напряжение заряда конденсатора 7 UC7 можно регулировать в широких пределах путем изменения задания на компараторе 12 Уз. ИзQ меняя его, можно в широких пределах регулировать амплитуду импульсов тока а независимо от изменений длительности и частоты. Амплитуда импульсов тока является одним из основных параметров при им5 пульсно-дуговой сварке плавящимся электродом. Регулировка амплитуды импульсов тока с помощью изменения напряжения заряда конденсатора позволяет активно управлять процессом каплеперено0 са, стабилизировать процесс сварки и соответственно свойства сварного соединения. Формирование заряда на конденсаторе 7 происходит следующим образом.

По мере его перезаряда напряжение

е на обкладках конденсатора 7 меняет полярность. После достижения на нем уровня напряжения, равного напряжению U источника 1 питания, перезаряд продолжается только за счет энергии, накопленной в части обмотки между отводами 10 3.. 10 4

индуктивного накопителя 10. При этом напряжение заряда конденсатора может значительно превысить напряжение U источника 1 питания. На компаратор 12 БУ поступает сигнал напряжения с конденсатора 7. Туда же поступает напряжение задания ± Щ. Компаратор 12 сравнивает эти два напряжения и при достижении на конденсаторе 7 напряжения UC7, равного по величине напряжению задания Уз, выдает сигнал на формирователь 15 сигналов управления 1Ут8,9 на тиристоры 8 и 9 (фиг.2). С включением тиристора 8 протекание тока перезаряда конденсатора 7 резко прекращается, так как он отключается от указанной части обмотки индуктивного накопителя 10, а напряжение на нем стало выше напряжения источника 1 питания. По этим причинам тиристоры 4 и 5 восстанавливаются в непроводящее состояние.

Ток в дуговом промежутке в этот момент немного меньше чем значение и в момент времени ta. Это уменьшение тока нагрузки вызвано потерями энергии в сварочном контуре во время перезаряда конденсатора 7. Чем больше амплитуда импульса la, тем меньше значение тока в момент включения тиристоров 8 и 9. Ток в дуговом промежутке 11 поддерживается за счет энергии магнитного поля части обмотки между отводами 10-3,..10-4 индуктивного накопителя 10 и протекает че- рез тиристор 8. Одновременно с включением тиристора 8 включается также тиристор 9. Под действием наведенной ЭДСток в части 10-1...10-3 начинает быстро возрастать, а в части 10-3...10-4 быстро спадать от значения немногим меньше и до значения le, когда токи в обеих частях обмотки сравняются (момент т.4, фиг.2). Ток базы протекает по цепи: вывод 10-4 обмотки индуктивного накопителя 10 - дуговой промежуток 11 - открытый тиристор 9 - начало 10-1 индуктивного накопителя 10.

Значение тока базы определяется в первую очередь значением тока предимпульса и и соотношением витков части обмотки 10-3...10-4 и всей обмотки индуктивного накопителя 10. С повышением амплитуды тока импульсов значение базового тока незначительно уменьшается. Тиристор 8 закрывается приложенным встречным напряжением. К этому времени тиристоры 4 и 5 тоже находятся в непроводящем состоянии. Таким образом, в этот момент времени все тиристоры схемы кроме тиристора 9 закрыты, конденсатор 7 заряжен до напряжения - Уз; через дуговой промежуток 11 протекает ток базы, таймер 14 блока управления

отсчитывает период, следования им пульсов тока Т. Далее цикл работы схемы аналогично повторяется.

По сравнению с известным при использовании предлагаемого источника тока для импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом открывается возможность независимого плавного регулирования амплитуды импульсов тока в

широких пределах. При этом сохраняются возможности по регулированию длительности и частоты следования импульсов тока, но исключается влияние регулировки их на величину амплитуды импульсов тока

и наоборот.

Каждый из этих параметров при импуль- сно-дуговой сварке плавящимся электродом оказывает свое преимущественное влияние на характеристики режима сварки

и свойства сварных соединений. Так, длительность тока базы и его величина определяют частоту следования импульсов и соответственно средний ток сварки. Длительность импульсов тока позволяет регулировать размер переносимой капли, соответственно управлять временем пребывания капли в области высоких температур, химическими реакциями и выгоранием легирующих элементов.

.Амплитуда импульсов тока оказывает существенное влияние на перенос металла с торца плавящегося электрода. В зависимости от величины амплитуды капля может оторваться от торца электрода, может не оторваться, может оторваться в тот или другой момент времени при одних и тех же условиях сварки. Таким образом, получение независимой регулировки параметров позволяет расширить технологические свойства источника, улучшить качество сварных соединений при импуль- сно-дуговой сварке.

Формула изобретения

1. Источник тока для импульсно-дуговой сварки, содержащий источник питания, выполненный в виде источника постоянного напряжения, индуктивный накопитель

энергии с отводами, два электронных ключа и блок управления, выход которого связан с управляющими электродами тиристоров, о т- личающийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей источника тока и снижения расхода материала на его изготовление, в него введены пять тиристоров и конденсатор, а два электронных ключа выполнены в виде двух тиристоров, причем конец обмотки индуктивного накопителя энергии соединен через дуговой

промежуток с отрицательным выводом источника питания, с которым соединены также аноды первого и второго тиристоров, катод первого из которых связан с началом обмотки индуктивного накопителя, анод третьего тиристора соединен с положительным выводом источника питания, а катод - с первым отводом индуктивного накопителя, при этом аноды четвертого и пятого тиристоров также подключены к положительному выводу источника питания, а их катоды - к разным обкладкам конденсатора и анодам шестого и седьмого тиристоров, катоды которых соединены в общую точку и подключены к второму отводу индуктивного накопителя вместе с

0

5

катодом второго тиристора, причем вход блока управления подключен к обкладкам конденсатора.

2. Источник тока по п.1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем. что блок управления содержит компаратор, дискриминатор, формирователь сигналов управления и таймер, причем таймер своим выходом соединен с входом формирователя сигналов управления, туда же подсоединены выходы дискриминаторов и компаратора, входы которых соединены между собой параллельно и подключены к обкладкам конденсатора, а выходы формирователя сигналов управления соединены соответственно с управляющими электродами тиристоров.

Изобретение относится к сварочному производству, в частности к источникам питания для импульсно-дуговой сварки и наплавки металлов в среде защитных газов, под флюсом и открытой дугой с плавной регулировкой частоты следования, длительности и амплитуды импульсов тока Изобретение может быть использовано в различных областях машиностроения, судостроения, авиационной и автомобильной промышленности. Цель изобретеня - расширение технологических возможностей источника тока для импульсно-дуговой сварки Для формирования импульса используется принудительная коммутация тиристора. При этом для повышения устойчивости процесса сварки на низких базовых токах в схему, содержащую источник питания, силовой тиристор и схему коммутации, включен индуктивный накопитель Для получения крутых фронтов и расширения диапазона частоты следования импульсов тока последний протекает через часть индуктивного накопителя. Кроме того, коммутатор выполнен таким образом, что позволяет плавно регулировать амплитуду импульсов тока, что дает возможность улучшить технологические свойства источника тока для импульсно-дуговой сварки 1 з п. ф-лы, 2 ил. сл С

Задание Ти /4

6У