Джерело струму для дугового зварювання, наплавлення або паяння плавким електродом

Реферат: Джерело струму для дугового зварювання, наплавлення або паяння плавким електродом належить до електротехніки, а саме до ручного дугового зварювання, наплавлення або паяння. Джерело струму містить функціональний(ні) блок(и), що має(ють) на виході крутоспадну вольтамперну характеристику, і функціональний(ні) блок(и), що має(ють) на виході пологоспадну вольт-амперну характеристику, і третій функціональний блок, що має жорстку вольт-амперну характеристику з низькою напругою холостого ходу. Згадані функціональні блоки являють собою агрегати, що складені із знижувальних трансформаторів з окремими або спільним магнітопроводом, а також із напівпровідникових випрямлячів. Додатково містить щонайменше в одному із згаданих функціональних блоків, що має крутоспадну вольт-амперну характеристику, помножувач напруги, на вході підключений до тих самих витків відповідного знижувального трансформатора, до яких підключений відповідний напівпровідниковий випрямляч, а вихід із помножувача напруги підключений до дугового проміжку паралельно напівпровідниковому випрямлячу. В одному із згаданих функціональних блоків, що має пологоспадну вольт-амперну характеристику, джерело може мати додатково помножувач напруги, на вході підключений до тих самих витків відповідного знижувального трансформатора, до яких підключений відповідний напівпровідниковий випрямляч, а вихід із помножувача напруги підключений до дугового проміжку паралельно напівпровідниковому випрямлячу. Функціональний(ні) блок(и), який(і) має(ють) крутоспадну вольт-амперну характеристику, містить(ять) знижувальний UA 114908 C2 (12) UA 114908 C2 трансформатор(и) з більшою кількістю витків у вторинній обмотці порівняно із трансформатором(ами) у блоці(ках), що має(ють) пологоспадну вольт-амперну характеристику. Співвідношення кількості витків у вторинних обмотках знижувальних трансформаторів, що входять до складу згаданих функціональних блоків, відповідає співвідношенню розрахункових напруг холостого ходу цих функціональних блоків. Один або декілька функціональних блоків може(уть) мати у своєму складі декілька помножувачів напруги з різними коефіцієнтами помножування напруги, підключених до тих самих вторинних витків відповідного знижувального трансформатора, створюючи додаткові функціональні блоки з різними напругами холостого ходу в них. Технічним результатом є зниження маси і габаритів знижувальних трансформаторів, що входять до складу джерела, економія матеріалів: міді або алюмінію, трансформаторного заліза. UA 114908 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до сфери дугового зварювання, наплавлення або паяння, де використовують плавкий електрод. Він пропонується у розвиток відомого винаходу за патентом ПУ 104214 МПК В23K 9/00 від 10.01.2014, заявник ІЕЗ ім. Є.О.Патона НАН України, автори Б.Є. Патон, І.В. Кривцун, В.С. Сидорук, С.Ю. Максимов, Г.Ф. Колесник, назва винаходу "Спосіб дугового зварювання, наплавлення або паяння електродом що плавиться, та джерело струму для його здійснення". Суть згаданого винаходу у частині джерела струму, взятого за прототип, полягає у тому, що джерело струму для живлення зварювальної дуги, яке містить функціональний блок, що має на виході пологоспадну вольт-амперну характеристику, який виконує функцію інтенсивного збільшення густини струму на плавкому електроді шляхом збільшення струму на блоці у разі зменшення довжини дуги і відповідно - її напруги нижче наперед заданого її значення згідно із співвідношенням 22  / j1 / j сз  /// U1 / U д  /  9 , (1) де j1 - збільшення щільності струму на електроді завдяки зростанню зварювального 2 струму, А/мм ; 2 j сз - призначене середньозважене значення щільності струму, А/мм ; U1 - зменшення миттєвого значення напруги дуги, В; - призначене значення напруги дуги, В, яке відповідає призначеному Uд середньозваженому значенню щільності струму jcз; 22 і 9 - скалярні величини, додатково містить другий функціональний блок, електрично сполучений із першим згаданим функціональним блоком, який має на виході крутоспадну вольт-амперну характеристику для виконання функції стрімкого зменшення густини струму з одночасним підвищенням напруги дуги у відповідності до співвідношення 15  / j 2 / j сз  /// U2 / U д  /  0,1, (2) , де j 2 - зменшення щільності струму на електроді завдяки зниженню зварювального 2 струму, А/мм ; U 2 - збільшення миттєвого значення напруги дуги, В; 1,5 і 0,1 - скалярні величини, і може містити третій функціональний блок, що має на виході жорстку вольт-амперну характеристику з низькою напругою холостого ходу - для виконання функції додаткового збільшення щільності струму на електроді у разі торкання ним поверхні металевої ванни або короткого замикання електрода на основний метал, причому згадані функціональні блоки являють собою агрегати, складені із знижувальних трансформаторів з окремими, або спільним магнітопроводом, а також із напівпровідникових випрямлячів. Під агрегатами, складеними із знижувальних трансформаторів, з окремими магнітопроводами розуміються агрегати, складені із окремих - серійного виготовлення трансформаторів з малою напругою холостого ходу, наприклад 14 В. Під агрегатами, складеними із знижувальних трансформаторів, які мають спільний магнітопровід, розуміється трансформатор спеціальної конструкції з секційною вторинною обмоткою, де кожна секція має малу напругу холостого ходу, наприклад 14 В. В обох варіантах згаданих агрегатів вторинні обмотки знижувальних трансформаторів мають ідентичні змішані схеми підключення: по-перше, послідовне підключення між собою, подруге, паралельне підключення до відповідних напівпровідникових випрямлячів. Варіант з окремими серійними трансформаторами показаний на фіг. 1; з одним знижувальним трансформатором, що має багатосекційну вторинну обмотку - на фіг. 2. Недоліком даного джерела є те, що воно достатньо металомістке, бо для створення пологоспадної і особливо крутоспадної вольт-амперних характеристик необхідно підвищувати напругу холостого ходу трансформаторів, які містяться у згаданих функціональних блоках, а це потребує додаткових витків у вторинних обмотках згаданих трансформаторів. В основу винаходу, що пропонується, поставлена задача усунути вказаний недолік. Джерело струму для дугового зварювання, наплавлення або паяння, що пропонується, відрізняється від джерела струму, розвитком якого він є, тим, що принаймні в одному із згаданих функціональних блоків, що має крутоспадну вольт-амперну характеристику, додатково містить примножувач напруги, на вході підключений до тих самих витків відповідного знижувального трансформатора, або групи знижувальних трансформаторів, до яких підключений відповідний напівпровідниковий випрямляч, а вихід із примножувача напруги підключений до дугового проміжку паралельно напівпровідниковому випрямлячу. 1 UA 114908 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Принаймні в одному із згаданих функціональних блоків, що має пологоспадну вольтамперну характеристику, додатково містить примножувач напруги, на вході підключений до тих самих витків відповідного знижувального трансформатора, або групи знижувальних трансформаторів, до яких підключений відповідний напівпровідниковий випрямляч, а вихід із примножувача напруги підключений до дугового проміжку паралельно напівпровідниковому випрямлячу. Функціональний блок (або функціональні блоки, якщо їх декілька), який(і) має(ють) крутоспадну вольт-амперну характеристику, містить(ять) знижувальний трансформатор(и) з більшою кількістю витків у вторинній обмотці порівняно із трансформатором(ами) у блоці(ках), що має(ють) пологоспадну вольт-амперну характеристику. Співвідношення кількості витків у вторинних обмотках знижувальних трансформаторів, що входять до складу згаданих функціональних блоків, відповідає співвідношенню розрахункових напруг холостого ходу цих функціональних блоків. Можливий варіант, коли один або декілька функціональних блоків має(ють) у своєму складі декілька примножувачів напруги з різними коефіцієнтами примножування напруги, підключених до тих самих вторинних витків відповідного знижувального трансформатора, створюючи додаткові функціональні блоки з різними напругами холостого ходу в них. Суть пояснюється кресленням фіг. 1 і фіг. 2, на яких зображена електрична схема запропонованого джерела струму у варіанті, коли воно має три функціональні блоки, яким властиві характеристики: крутоспадна (функціональний блок ФБ1), пологоспадна (ФБ2) і жорстка (ФБЗ). Обидві схеми в їх "робочій" частині, що відповідає вторинним обмоткам окремих знижувальних трансформаторів (фіг. 1) або секціям вторинної обмотки багатосекційного знижувального трансформатора (фіг. 2), тут повністю ідентичні, їх функціональні блоки (ФБ1, ФБ2, ФБ3) мають однакові напівпровідникові випрямлячі (В1, В2, В3) і примножувачі напруги (ПНІ і ПН2), які підключені кожен до однакової кількості "своїх" витків вторинних обмоток трансформаторів. Варіант з окремими знижувальними трансформаторами має бути у пригоді у разі виготовлення одиничних джерел струму за даною технічною пропозицією; варіант з багатосекційним знижувальним трансформатором - у разі серійного його виготовлення. Функціональний блок ФБ1 містить знижувальний трансформатор, до складу якого входять: три пари послідовно підключених вторинних обмоток (у сумі) 2во1  2во2  2во3 ; випрямляч В1 та примножувач напруги ПНІ, причому входи випрямляча В1 і примножувача напруги ПНІ підключені до одних і тих же названих вторинних обмоток во3 , а їх виходи - до дугового проміжку зварювальної дуги ЗД, причому один із спільних виходів підключений до дугового проміжку через дросель ДР2. Випрямляч В1, який має на виході крутоспадну вольт-амперну характеристику, на вході підключений до пари вторинних обмоток во3 знижувального трансформатора через двообмотковий дросель ДР1, що забезпечує належну крутизну його вольт-амперної характеристики (дросель ДР2 посилює крутизну названої вище характеристики). Найвищу напругу холостого ходу випрямляча В1, що входить до складу блока ФБ1, порівняно з іншими випрямлячами забезпечує найбільша сума кількості витків вторинної обмотки трансформатора; додаткове підвищення напруги холостого ходу блока ФБ1 надає примножувач напруги ПНІ. Функціональний блок ФБ2 містить знижувальний трансформатор, до складу якого входять дві пари послідовно підключених вторинних обмоток (у сумі): 2во1  2во2 , випрямляч В2 та примножувач напруги ПН2, причому входи випрямляча В2 і примножувателя напруги ПН2 підключені до виходів одних і тих же обмоток во2 , а їх виходи - до дугового проміжку дуги ЗД (паралельно блоку ФБ1), однак через частину витків дроселя ДР2. Оскільки сума витків знижувального трансформатора 2во1  2во2 менше суми витків 2во1  2во2  2во3 на величину 2во3 , напруга холостого ходу випрямляча В2 блока ФБ2 відповідно менше порівняно із блоком ФБ1, а менша індуктивність вторинного контуру цього блока забезпечує значно меншу крутизну його вольт-амперної характеристики. Функціональний блок ФБЗ містить знижувальний трансформатор, який має пару витків 2во1 у вторинній обмотці, і випрямляч ВЗ. Примножувача напруги цей блок у цьому варіанті джерела струму не має. Завдяки відсутності спеціальної індуктивності у вторинному контурі цього блока він має жорстку або майже жорстку вольт-амперну характеристику, а його напруга холостого ходу найнижча завдяки найменшої кількості витків у парі вторинних обмоток во1 . 2 UA 114908 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Блок типу ФБЗ, якщо він присутній в джерелі, зазвичай буває один, а от блоків типу ФБ1 і особливо типу ФБ2 може бути по декілька, причому усі вони, як правило, розрізняються кількістю витків у вторинних обмотках трансформаторів, отже - і напругою холостого ходу і одночасно - крутизною спадності вольт-амперних характеристик згідно з принципом: чим менше напруга холостого ходу, тим менше крутизна спадності вольт-амперної характеристики, що регулюється відповідним імпедансом вторинних контурів функціональних блоків. Можливий варіант, коли потрібна напруга холостого ходу одного з блоків типу ФБ2 настільки велика, що він не потребує додаткового помножувача напруги. У такому разі його електрична схема подібна до схеми блока ФБЗ з тією різницею, що він додатково має індуктивність, наприклад, типу ДР1. У разі, коли один або декілька функціональних блоків має (мають) у своєму складі декілька помножувачів напруги з різними коефіцієнтами помножування напруги, підключених до тих самих вторинних витків знижувального трансформатора, створені таким чином додаткові функціональні блоки розрізняються як напругами холостого ходу, так і імпедансами в цих блоках за принципом: чим нижче напруга холостого ходу - тим менше імпеданс. Символами S1, S2, S3 позначені електричні ключі, за допомогою яких можна настроювати джерело струму на потрібну вольт-амперну характеристику: виключно крутоспадну (увімкнений тільки ключ S1); виключно пологоспадну (ключ S2); виключно жорстку (S3); комбінацію пологоспадної і жорсткої характеристик (увімкнуті ключі S2 і S3) і т.д. Приклад Для виявлення і підтвердження ефекту коливального процесу плавлення електроду, який відбувається самоплинно, коли в періоди зменшення довжини дуги інтенсивно збільшують щільність струму на електроді, а в періоди збільшення довжини дуги стрибкоподібно зменшують щільність струму з одночасним підвищенням напруги дуги, що потрібно для підвищення стабільності процесу плавлення електрода, - здійснювали порівнювальний експеримент із застосуванням серійного джерела постійного струму ВДУ-306, що являє собою тільки один функціональний блок з крутоспадною вольт-амперною характеристикою - з одного боку і дослідний зразок (макет) джерела струму, який, згідно з суттю, має три функціональні блоки: з крутоспадною, пологоспадною і жорсткою вольт-амперними характеристиками - з другого боку. Виконували ручне дугове зварювання/наплавлення з використанням електрода ОЗЛ-8 діаметром 3 мм, призначеного для зварювання хромонікелевих нержавіючих сталей. У процесі горіння дуги значення струму і напруги дуги реєстрували за допомогою інформаційно-вимірювальної системи ИИС з частотою 10 кГц. На фіг. 3 зображені осцилограми струму і напруги, одержані у разі застосування джерела ВДУ-306, на фіг. 4 - те ж саме для дослідного (однофазного!) джерела струму постійної полярності. Можна бачити, що процес дугового плавлення електрода у разі ВДУ-306 характеризується незначним коливанням струму, у межах 80…120А, при тому, що напруга дуги коливається у доволі широкому діапазоні між 20В і 34В, що пояснюється крутоспадним характером кривої вольт-амперної характеристики. Між моментами (на часовій шкалі) приблизно 8,6 сек. і 8,85 сек. спостерігаються стрибкоподібні підвищення струму до значень приблизно 170А, у той час як напруга у ці моменти падає до значень приблизно 8В (фіг. 3). Ці моменти відповідають коротким замиканням електродного проміжку краплями розплавленого електродного металу. Характер осцилограм у разі дослідного зразка принципово інший (фіг. 4). У процесі горіння дуги струм коливається у межах 20…150А, а у моменти коротких замикань краплями розплавленого електродного металу (14,05 сек.; 14,25 сек.; 14,35 сек.) струм "підскакує" до 300…325А, тобто майже у два рази вище, ніж у разі джерела ВДУ-306, притому, що напруга у ці моменти падає приблизно до такого ж рівня (5…8В). "Розмах" коливань напруги дуги у проміжках між короткими замиканнями тут теж великий: 16…38В. Великі "піки" струму у моменти короткого замикання у разі дослідного зразка можливі завдяки блоку ФБЗ. Це попереджує "примерзання" електроду до виробу, що зварюється. У той же час стрибкоподібне зменшення струму при одночасному різкому збільшенні напруги дуги є результатом реакції блока ФБ1. Це запобігає природному обриву дуги. Така властивість запропонованого джерела струму дає можливість підтримувати сталий процес плавлення електрода у разі невеликого значення середньозваженої щільності струму на електроді, навіть у варіанті однофазного джерела струму. 3 UA 114908 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 1. Джерело струму для дугового зварювання, наплавлення або паяння плавким електродом, яке містить функціональний(ні) блок(и), що має(ють) на виході крутоспадну вольт-амперну характеристику, і функціональний(ні) блок(и), що має(ють) на виході пологоспадну вольтамперну характеристику, і третій функціональний блок, що має жорстку вольт-амперну характеристику з низькою напругою холостого ходу, причому згадані функціональні блоки являють собою агрегати, що складені із знижувальних трансформаторів з окремими або спільним магнітопроводом, а також із напівпровідникових випрямлячів, яке відрізняється тим, що принаймні один із згаданих функціональних блоків, що має крутоспадну вольт-амперну характеристику, додатково містить помножувач напруги, на вході підключений до тих самих витків відповідного знижувального трансформатора або групи знижувальних трансформаторів, до яких підключений відповідний напівпровідниковий випрямляч, а вихід із помножувача напруги підключений до дугового проміжку паралельно напівпровідниковому випрямлячу. 2. Джерело за п. 1, яке відрізняється тим, що принаймні один із згаданих функціональних блоків, що має пологоспадну вольт-амперну характеристику, додатково містить помножувач напруги, на вході підключений до тих самих витків відповідного знижувального трансформатора або групи знижувальних трансформаторів, до яких підключений відповідний напівпровідниковий випрямляч, а вихід із помножувача напруги підключений до дугового проміжку паралельно напівпровідниковому випрямлячу. 3. Джерело за п. 1, яке відрізняється тим, що функціональний(ні) блок(и), що має(ють) крутоспадну вольт-амперну характеристику, містить(ять) знижувальний трансформатор(и) з більшою кількістю витків у вторинній обмотці порівняно із трансформатором(ами) у блоці(ках), що має(ють) пологоспадну вольт-амперну характеристику. 4. Джерело за будь-яким із пп. 1 або 2, яке відрізняється тим, що співвідношення кількості витків у вторинних обмотках знижувальних трансформаторів, що входять до складу згаданих функціональних блоків, відповідає співвідношенню розрахункових напруг холостого ходу цих функціональних блоків. 5. Джерело за будь-яким із пп. 1-3, яке відрізняється тим, що щонайменше один функціональний блок додатково містить щонайменше два помножувачі напруги з різними коефіцієнтами помножування напруги, підключені до тих самих вторинних витків відповідного знижувального трансформатора, створюючи додаткові функціональні блоки з різними напругами холостого ходу в них. 4 UA 114908 C2 5 UA 114908 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6