Устройство для дуговой сварки

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 19) (11)1151) В 23 К 9/ Р 6Н.И.Чернянский политехнический 888)снидетель3 К 9/00,Лебедев Вие для дугМ Маши4-115.видетельст3 К 9/00,тно СС965. ной иострое о ССС971 1.1 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(прототип) . 54)(57)1,УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДУГОВОЙ ВАРКИ, содержащее источник пита ндуктивный накопитель энергии и первый ключ с блоком управления,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью повышения КПД устройства иодновременно качества сварного шваза счет стабилизации дуги, в устройство введен второй ключ, а индуктивный накопитель энергии выполнен с отводом, при этом источник питания ныполнен в виде рекуперативного источника постоянного напряжения, причемодин из выводов индуктивного накопителя энергии соединен с первым полюсом источника питания через первыйключ, другой вывод соединен с этимполюсом через второй ключ, а отводиндуктивного накопителя энергии подключен к одной из клемм нагрузки, 9при этом второй полюс источника питания подключен к другой клемме нагрузки,С:1073025 510 15 20 25 30 40 2. Устройство по и1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что источник питания выполнен в виде соединенных параллельно накопительного конденсатора и зарядного, устройства,3. Устройство по п. 1, д т л ич а ю щ е е с я тем, что индуктивный накопитель энергии выполнен с возможностью изменения количества витков между его выводами и отводом.4. Устройство по и, 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что индуктивный накопитель энергии выполнен в виде двух встречно соединенных секций с Изобретение относится к источни 1 кам питания для дуговой сварки.Известно устройство для дуговойсварки, в котором напряжение источника постоянного тока преобразуетсяв переменное с помощью четырехтиристорного моста. Дуга включена в диагональ,моста и шунтирована батареей конденсаторов. Такое устройствопозволяет раздельно регулироватьдлительность и амплитуду тока положительной и отрицательной части периода 1 13 .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 которомв качестве генератора импульсов, накладываемых на дугу, служит батареяконденсаторов 23.В этом устройстве в импульсах тока, развиваемых батареей конденсаторов, стабилизирована энергия импульса, а ток не стабилиэирован и еговеличина в значительной мере зависитот сопротивления дугового промежутка.Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсяустройство для дуговой сварки, которое содержит источник питания постоянного напряжения с жесткой или падающей внешней характеристикой ключс блоком управления, индуктивнйй накопитель энергии, дуговой промежутокподключен параллельно индуктивномунакопителю энергии 3 3,При исполь зов анин источник а п итания с жесткой внешней характеристикой режим горения дуги неустойчив, что в конечном итоге отрицательно сказывается на качестве сварного шва,отводом от места соединения этих секций.5, Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что один из ключей выполнен управляемым, а другой неуправляемым,б. Устройство по п. 5, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью защиты управляемого ключа от перенапряжений, между вторым выводом источника питания и точкой соединения управляемого ключа с выводом индуктивного накопителя энергии включен динистор. Бслее устойчивое горение наблюдается при использовании источника питания с падающей характеристикой, обладающего высоким внутренним сопротивлением, Однако КПД такого устройства из-за потерь на внутреннем сопротивлении,источника питания невысок,При срабатывании защиты управляемого ключа энергия, запасенная в магнитном поле индуктивного накопителя,рассеивается на гасящем резисторе, что также уменьшает КПД этого устройства.Кроме того, включение индуктивного 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 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 тепловложение в деталь, протекает через дугу при разряде индуктивного накопителя, Но при увеличении дуги, ток обратной полярности уменьшается, что ухудшает степень очистки поверхности детали за счет катодного распыления, Такимобразом, при увеличении тепловложения в деталь степенькатодной очистки поверхности деталиуменьшается, что приводит к ухудшению качества сварного шва,Цель изобретения - повышение КПДустройства и качества сварного шва за счет стабилизации горения дуги.45Поставленная цель достигается тем, что в устройство для дуговой сварки, содержащее источник питания, ,индуктивный накопитель энергии и первый ключ с блоком управления, 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 накопителя 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 15 одной из клемм нагрузки, при этом второй полюс источника питания подключен к другой клемме нагрузки.Источник питания выполнен в виде соединенных параллельно накопительного конденсатора и зарядного устройства.Индуктивный накопитель энергии может быть выполнен с возможностью изменения количества витков между его выводами и отводом.Индуктивный накопитель энергии может быть выполнен в виде двух встречно соединенных секций с отводом от места соединения этих секций.Один из ключей выполнен управляемым, а другой неуправляемым, например, в виде диода иди динистора,При выполнении одного из ключей неуправляемым, а другого управляемым с целью защиты управляемого ключа от перенапряжений, между вторым выводом источника питания и точкой соединения управляемого ключа с выводом индуктивного накопителя энергии включен динистор, 40На фиг, 1 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства для дуговой сварки для случая выполнения источника питания в виде рекуперативного источника постоянного напряжения; на фиг. 2 - график изменения тока через дуговой промежуток; на фиг3 - примеры выполнения индуктивного накопителя энергии; нафиг, 4 - принципиальная схема предлагаемого 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 - принципиальная схема предлагаемого устройства для дуговой сварки для случая выполнения источника питания в виде накопительного конденсатора, присоединен. ного к зарядному устройству; на 60 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; на65 фиг, 9 - принципиальная схема предлагаемого устройства для дуговой сваркидля случая встречного соединения секций индуктивного накопителя энергии 1на 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 первымполюсом б источника 1 питания черезпервый ключ 3, другой вывод 7 соединен с этим же полюсом б через второйключ 8, а индуктивный накопитель 2выполнен с отводом 9, который черездуговой промежуток 4 соединен совторым полюсом 10 источника 1 питания.Для управления ключами 3 и 8 слухитблок 11 управления, соединенный сними,На фиг2 кривая 12 - график токачерез дуговой промежуток в устройстве по фиг. 1, где- ток черездуговой промежуток, а й - время,рассмотрим работу устройства длядуговой сварки (фиг. 1) при использовании в качестве источника питаниярекуперативного источника постоянного напряжения, т,е. такого источникапостоянного напряжения, который способен не только отдавать энергию,но и поглощать ее, а ток при этомимеет возможность проходить черезисточник в обоих направленияхПримером таких источников могут быть аккумуляторы постоянного тока, гальванические элементы, электромашинные генераторы.При подаче сигнала с блока 11 управления в момент 6, замыкается ключ3 и подключает источник 1 питания квыводу 5 индуктивного накопителя 2энергии. Одновременно с этим возбуждается дуга в дуговом промежутке 4,При этом секция 5-9 индуктивного накопителя 2 через включенный ключ 3и дуговой промежуток 4 заряжаетсяот источника 1 питания, Ток протекает по цепи: полюс б источника 1 питания - ключ 3 - секция 5-9 индуктивного накопителя 2 энергии - дуговойпромежуток 4 - полюс 10 источника 1питания, При этом происходит зарядиндуктивного накопителя 2 энергииот источника 1 постоянного напряжения. Ток через дуговой промежуток 4увеличивается (фиг, 2) и течет отвывода 5 к отводу 9 (принимают этонаправление за положительное) . В момент 1 блоком 11 управления ключ 3отключается и включается ключ 8. Засчет взаимной индукции между секциями 5-9 и 9-7 индуктивного накопителя 2 энергии ток в секции 9-7 протекает по цепи; отвод 9 - вывод 7ключ 6 - полюс 6 - полюс 10 - дуговой промежуток 4 - отвод 9. При этомэнергия, запасенная в магнитном полеиндуктивного накопителя 2 энергии,частично рекуперирует в источник 1питания, В течение времени Ф - 1 происходит разряд индуктивного накопителя 2 энергии. Ток через дуговой промежуток 4 и источник 1 питания в момент 1 скачкообразно изменяет своенаправление и через дугу формируется отрицательный импульс тока. В момент 1 З блоком 11 управления сновавключается ключ 3 и отключаетсяключ 8 и процесс повторяется, 12-кривая изменения тока во времени. 15При одинаковом количестве витковсекций 5-9 и 9-7 их индуктивностьодинакова и в момент 1 изменяетсятолько направление тока через дуговой промежуток 4, а его амплитудане изменяется, В момент 1 процесспроисходит аналогично.Изменяя моменты 1 и з, можноизменять частоту и скважность импульсов тока через дугу,С целью регулирования соотношениямежду амплитудами положительного иотрицательного импульсов тока индуктивный накопитель 2 энергии можетбыть выполнен с возможностью изменения количества витков между его выводами 5 и 7 и отводом 9, Вариантыисполнения индуктивного накопителяэнергии приведены на фиг. 3. Вариант13 предусматривает изменение количества витков между выводами индуктив- З 5ного накопителя и его отводом засчет изменения местоположения. отво,да 9 с помощью, например, скользяще,го контакта; вариант 14 - за счетизменения местоположения выводов 5 40и 7 также с помощью скользящего контакта; вариант 15 - за счет изменения местоположения одного вывода 7,например, с помощью переключателя,для увеличения амплитуды, например, отрицательного импульса количество витков секции 9-7 по отношениюк виткам секции 5-9 уменьшают,Для увеличения амплитуды положительного импульса количество витковсекции 9-7 по отношению к виткамсекции 5-9 увеличивают.В предлагаемом устройстве для дуговой сварки один из ключей, например ключ 3, может быть выполнен управляемым, а другой (ключ 8) при этом .может быть выполнен неуправляемым,например, в виде диода или динистора или их технических эквивалентовНа фиг. 4 изображено предлагаемоеустройство для дуговой сварки для 6 Ослучая выполнения одного из ключейуправляемым, а другого неуправляемым. Оно содержит источник 1 питания, индуктивный накопитель 2 энергии, первый ключ 3 выполненный 65 управляемым в виде тиристора, дуго-вой промежуток 4, причем один из вы водов 5 индуктивного накопителя 2 энергии соединен с первым полюсом б источника 1 питания через первый ключ 3, другой выводсоединен 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 Ф 1 (фиг.2) дуга возбуждена, блоком 11 управления ключ 3, выполненный в виде тиристора, включен, а ключ 8, выполненный в ниде .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 источнику 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 времени + блоком 11 управления тири- стор 3 отключается. За счет взаимной индукции между секциями 5-9 и 9-7 в секции 9-7 наводится ЗДС, 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-динистор 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 н индуктивный накопитель Разряжается. Ток через дуговой промежуток 4 и источник 1 питания в момент времени 1 скачкообразно изменяет свое направление и через дугу формируется отрицательный импульс тока. В момент времени Ф 3 блоком 11 управления снова включается тири- стор 3, а динистор 8 запирается обратным напряжением и процесс повторяется.При выполнении одного из ключей неуправляемым, а другого управляемьм,с целью защиты управляемого ключа от перенапряжения при внезапном обрыве дуги во время работы, между вторым выводом 10 источника 1 постоянного напряжения и точкой соединения управляемого ключа 3 с выводом 5индуктивного накопителя 2 энергии включен динисто 1 16 (Фиг. 4) .Защита работает следующим образом.При протекании тока по индуктивному накопителю 2 энергии и внезапном обрыве дуги между выводами 5 и 7 возникает перенапряжение, которое приводит к увеличению напряжения на динисторах 8 и 16 в прямом направлении. При увеличении напряжения на динисторах до величины напряжения О срабатывания они включаются. При этом ток индуктивного накопителя энергии изменяется до величины, определяемой энергией магнитного поля индуктивного накопителя и величиной 15 индуктивности всего накопителя и замыкается по цепи: вывод 5 - выход 7- динистор 8 - источник 1 питания - динистор 16 - вывод 5. Энергия, запасенная,в магнитном поле индуктивного 2 О накопителя 2 энергии, рекуперирует в источник 1 питания. Напряжение на тиристоре 3 не превышает суммы напряжений на источнике 1 питания и напряжения 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 присоединенной к нему цепочкой из последовательно соединенных стабилитрона 25 35 и резистора 26, а также в виде тиристора 27 с присоединенным к нему резистором 28 (вариант 19), а также в виде пары транзисторов 29 н 30 и резистора 31 (вариант 20) . Изменяя мо менты времени 6 и 13 коммутации ключей 3 и 8, можно регулировать частоту и скважность импульсов тока через дуговой промежуток 4.В предлагаемом устройстве для ду говой сварки источник питания может быть выполнен в виде накопительного конденсатора, присоединенного к зарядному устройству, На фиг. 6 изображено предлагаемое устройство для дуговой сварки для случая выполнения 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 60 этим хе полюсом 6 через второй ключ 8, а отвод 9 индуктивного накопителя 2 через дуговой промежуток 4 соединен со вторым полюсом 10 источника 1 питания, который выполнен в ви- у де накопительного конденсатора 32,присоединенного к зарядному устройству 33, В качестве зарядного устройства может быть использован любойисточник постоянного тока, в томчисле и источник, имеющий возможностьпротекания тока только в одну сторону, например выпрямитель,На Фиг. 7 кривая 34 - график изменения напряжения на накопительномконденсаторе при работе в режиме счастичным разрядом накопительногоконденсатора; кривая 35 - график изменения тока через дуговой промежуток при частичном разряде накопительного конденсатора. Па 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 Ф дуга возбуждена, конденсатор 32 заряжен до максимального уровня О 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 1 блоком 11 управления ключ 3 отключается и включается ключ 8. К этому моменту времени конденсатор 32 разряжен до напряжения О или даже перезаряжен до напряжения О (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 1 скачкообразно изменяет свое направление и через дугу Формируется отрицательный импульс тока. В момент 1 снова включается ключ 3 и отключается ключ 8 и процесс повторяется, 1073025С целью использования предлагаемого устройства для импульсно-дуговойсварки индуктивный накопитель энергии может быть выполнен в виде двухвстречно соединенных секций с отво-.дом от места соединения этих секций. 5Для этого случая схема предлагаемогоустройства изображена на фиг, 9,Устройство содержит источник 1 питания, индуктивный накопитель 2 энергии, первый ключ 3, дуговый промежуток 4, причем один из выводов 5 индуктивного накопителя энергии 2 соединен с первым полюсом б источника 1питания через первый ключ 3, другойвывод 7 соединен с этим же полюсом бчерез второй ключ 8, а отвод 9 индуктивного накопителя 2 через дуговойпромежуток 4 соединен со вторымполюсом 10 источника 1 питания. Секции 5-9 и 9-7 индуктивного накопите 20ля 2 энергии включены встречно а отместа их соединения сделан отвод 9.На фиг. 10 кривая 38 - графикизменения тока через дуговой промежуток в схеме по фиг. 9,25Устройство для дуговой сварки(фиг, 9) работает следующим образом.Допустим, что индуктивность иликоличество витков секции 5-9 больше,чем секции 9-7, В момент времени(фиг. 10) блоком 11 управления включается ключ 3 и отключается ключ 8,При этом по цепи; источник 1 питания - ключ 3 - вывод 5 - отвод 9дуговой промежуток 4 - источник 1 питания протекает ток 34, обеспечиваю щий горение дежурной дуги. В моментвремени 1 блоком 11 управленияотключается ключ 3 и включается ключ8. За счет взаимной индукции междусекциями 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 вмагнитном поле индуктивного накопителя, мгновенно измениться не может, 45то ток в секции 9-7 увеличиваетсяпропорционально отношению витковсекции 5-9 к виткам секции 9-. Засчет встречного включения секцийнаправление тока через дуговой промежуток не изменяется и он протекаетпо цепи: вывод 7 - отвод 9 - дуговойпромежуток 4 - источник 1 питанияключ 8 - вывод 7, При этом осуществляется наложение на дежурную Лугуимпульсов тока повышенной амплитуды 3, , величина которой не зависитот состояния дугового промежутка, аопределяется энергией, запасеннойв индуктивном накопителе к моменту1 включения ключа 8. Изменяя моменты времени 1 и 1 д,можно регулировать частоту и скважность импульсовтока через дугу,По сравнению с прототипом предлагаемое устройство для дуговой сварки обладает. следующими преимуществами, При формировании импульса тока ,любой полярности последовательно с Луговым промежутком всегда включена одна из секций индуктивного накопителя энергии, Это повышает устойчивость горения дуги и уменьшает 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 горения дуги использовать в качестве источника питания источники с жесткой внешней характеристикой, обладающие более низкими потерями энергии и лучшими массогабаритными показателями, что приводит к повышению КПД всего, устройства, В случае использования защиты в виде динистора, включенного между точкой соединения управляемого,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 витковмежду его выводами и отводом позволяет регулировать соотношение амплитуд положительного и отрицательного импульсов тока через дугу при постоянной частоте импульсов, что расширяет технологические возможности устройства, Кроме того, при изменении длины дуги соотношение между током прямой и обратной полярностей остается неизменным и при увеличении тепловложения в деталь ухудшения катодной очистки не происходит, что улучшает качество сварного шва по сравнению с прототипом.1073025 7.Ю Составитель В,ГанюшкинН,Киштулинец Техред Ж.Кастелевич Корректор А,дзятк Редант Заказ 259/1 ПП Патент жгород, ул,Проектная Фили Тираж 1037 ВНИИПИ Государственн по делам изобретен 113035, Москва, Ж, РПодписного комитета СССРй и открытийушская наб., д. 4/5