2488

где qср.а.п. - средняя плотность теплового потока в анодном пятне, определяемая выражением

При расчете динамики плавления электрода во время импульса по уравнению (2-38) необходимо использовать начальную стадию нагрева, считая, что электрод прогрет проходящим током до температуры Тн. Это учитывается тем, что начальное значение теплового потока q2(0) при первом импульсе принимается равным среднему значению потока тепла в электрод qср.а.п.. Затем рассчитывается переходный процесс в конце которого определяется величина ф(tu) в квазиустановившемся режиме и производится переход к действительным значениям (tu).

На рис. 2-3 представлены зависимости (tu), полученные из основного рабочего уравнения (2-39) при следующих значениях параметров:

43

Кривая 1 соответствует температуре подогрева конца вылета проходящим током до температуры 30 С. Кривая 2 получена при подогреве конца

тальных данных установлено, что коэффициент К, учитывающий завышение скорости плавления при расчете ее по выражению (2-38), может быть принят в среднем равным 0,65. Кривые на рис. 2-3

построены при указанном значении К.

Анализ кривых на рис. 2-3 показывает, что с ростом начальной температуры подогрева вылета электрода за время действия импульса расплавляется большее количество электродного металла. С увеличением длительности импульсов также увеличивается объем капли, но заметна тенденция к замедлению скорости роста ее объема, что очевидно связано с увеличением жидкой прослойки.

При импульсном питании, как указывалось в начале данной главы, представляют интерес зависимости скорости плавления от параметров импульсного питания. Для получения таких зависимостей разработана инженерная методика, которая иллюстрируется на конкретном примере.

Динамика плавления электрода во время импульса, определяемая выражением (2-38) справедлива для конкретного вида сварки независимо от размеров электрода и параметров импульсного питания. Для перехода к конкретным размерам электрода

(tu,Tн) для различных значений температуры подогрева конца вылета электрода.

44

где S - сечение электрода в см2;

T - период следования импульсов.

Построенные кривые позволяют определить при известной частоте импульсов и длине вылета электрода скорость его расплавления и наоборот. Для этого через нужное значение частоты проводится вертикальная линия, пересекающая семейство кривых Vпл = = н. Затем проводится горизонтальная линия, пересекающая кривые на левой и правой части рисунка 2-4 при одинаковой частоте в точке, где температура подогрева в конце вылета электрода одинакова. При этом точка пересечения горизонтальной линии с осью Vпл дает соответствующую скорость плавления электрода. По известной температуре подогрева конца вылета электрода можно определить участок электрода, расплавляемый за время импульса.

46

3. Принципиальные схемы модуляторов сварочного тока и исследование процессов в коммутирующем контуре

Принципиальные схемы импульсного питания сварочной дуги

По назначению системы импульсного питания сварочной дуги можно разделить на два типа - для ручной сварки и автоматической (полуавтоматической) сварки. Единственное их отличие обуславливается только тем, что в силу характера статических характеристик дуги при ручной сварке неплавящимся электродом в аргоне и покрытыми электродами внешняя характеристика источника должна быть крутопадающей во время импульса и паузы, а при автоматической (полуавтоматической) сварке плавящимся электродом источник принципиально может иметь любую внешнюю характеристику. С точки зрения простоты и веса в этом случае предпочтителен вариант с жесткими внешними характеристиками.

По характеру преобразования энергии электрической сети импульсные системы питания дуги могут быть разделены на два типа:

-системы с накоплением энергии;

-системы с непосредственным преобразованием энергии электрической сети через выпрямитель.

3.1. Системы с накоплением энергии

В качестве накопителей могут быть использованы конденсаторы [65], формирующие линии [57,58], индуктивности [66], вращающиеся массы [67] и так далее. Наибольшее предпочтение для электродуговой сварки отдается первым двум способам при питании от сети, а для автономных - вращающиеся массы.

47

В системах с накоплением энергии (рис.3-1) в общем случае в качестве источника питания дежурной дуги используется отдельный стандартный, либо совмещенный в одном кор-

пусе с импульсным специальный источник. На рис.3-1 приняты следующие обозначения: УВ - управляемый выпрямитель; L1 - зарядный дроссель; VS1 - зарядный тиристор; НУ - накопительное устройство; VS2 - разрядный тиристор; СД - сварочная дуга; В - стандартный источник для сварки.

Заряд накопительного устройства длится в течение паузы, разряд происходит за время на порядок меньше, благодаря этому система обладает высокими энергетическими показателями и мало влияет на питающую сеть.

3.1.1.Устройство с накоплением энергии для импульснодуговой сварки

Схема разработанного устройства приведена на рис. 3-2. В этом устройстве из сети потребляется практически непрерывный ток при переменной частоте генерирования импульсов [68]. Вспомогательный выпрямитель В подключен через зарядный дроссель L, блокирующий диод VD, накопительное устройство НУ и разрядный тиристор VS подключены параллельно основному сварочному источнику В1 с дросселем L1 в цепи постоянного тока. Для совме-

щения момента окончания заряда накопительного устройства с

48

началом разряда параллельно блокирующему диоду VD подключена цепочка, состоящая из параллельно включенных конденсатора С1 и резистора R, последовательно с ним соединенного импульсного трансформатора Тр1 и диода VD1. Вторичная обмотка трансформатора Тр1 через диод VD2 подключена к управляющему переходу разрядного тиристора VS.

При заряде накопительного устройства НУ напряжение на блокирующем диоде VD близко к нулю. В момент окончания процесса заряда к блокирующему диоду VD прикладывается обратное напряжение, равное разности напряжений накопительного устройства и источника питания. Фронт этого напряжения через импульсный трансформатор Тр1 отпирает разрядный тиристор VS. При этом происходит разряд накопительного устройства на дуговой промежуток. Так как полупериод заряда накопительного устройства на порядок больше времени разряда его на дугу, то разрядный тиристор успевает восстановить свои управляющие свойства до начала заряда накопительного устройства.

Конденсатор С1 предотвращает разряд накопительного устройства через питающий выпрямитель. Резистор R разряжает конденсатор С1 во время заряда НУ и подготавливает цепочку С1- Тр1-VD1 к следующему срабатыванию.

Дроссель L выполнен регулируемым, что позволяет регулировать время заряда НУ, а, следовательно, и частоту следования импульсов.

3.1.2. Импульсный источник питания с искусственной формирующей линией

Источник питания относится к системам с накоплением энергии [2]. Схема является универсальной по характеру электромагнитных процессов для данного класса систем

(рис.3-3).

Импульсный источник питания с накоплением энер-

49

гии в искусственной формирующей линии содержит понижающий трансформатор Тр, нулевую схему управляемого выпрямителя ( тиристоры VS1-VS3 ), резистор R, имитирующий нагрузку управляемого выпрямителя, искусственную формирующую линию, состоящую их n( Lя-Ся ) ячеек, зарядный тиристор VS4 и два блока фазового управления и управления разрядным тиристором

VS5.

Рассматриваемый источник работает совместно с источником базового тока ИП, который через блокирующий диод VD и реле тока РТ подключается параллельно выходным клеммам импульсного источника.

Вторичная обмотка понижающего трансформатора имеет систему напряжений 3х80В. Система фазового управления тиристорами VS1-VS3 и VS4 синхронизирована с питающей сетью и вырабатывает синхронизированные с питающим напряжением импульсы управления, подаваемые на тиристоры VS1-VS3 и VS4.

С открытием VS4 происходит резонансный заряд искусственной формирующей линии до прямого двойного напряжения выпрямителя. После заряда линии к тиристору VS4 оказывается приложенным напряжение заряда формирующей линии и он переходит в непроводящее состояние. Импульсный источник готов к работе на дугу. В процессе сварки возбуждают стационарную дугу от источника базового тока ИП. При этом происходит плавление электрода и формирование расплавленного металла в виде капли. При протекании базового тока срабатывает реле тока РТ, которое замыкает свой нормально разомкнутый контакт в цепи управления разрядного тиристора VS5 от блока управления, генерирующего управляемые импульсы в частотном диапазоне 25 100 Гц. С момента открытия разрядного тиристора VS5 происходит резонансный перезаряд искусственной формирующей линии через сварочную дугу. При этом на нагрузке - сварочной дуге - формируется импульс тока, обеспечивающий отрыв и перенос в сварочную ванну расплавленной части электродного металла. Тиристор VS5 переходит в непроводящее состояние в момент действия обратной полуволны напряжения перезаряда искусственной формирующей линии. Далее процесс повторяется.

50

Такая схема импульсной системы питания позволяет осуществлять плавное регулирование импульсов тока, накладываемых на дуговой промежуток с частотой 25 100 Гц. Это позволяет существенно расширить технологические возможности импульсных источников питания с накоплением энергии. Амплитуда импульсов тока в таких системах может также плавно регулироваться путем изменения выходного напряжения управляемого выпрямителя в пределах 300 1000 В, длительность регулируется ступенчато в пределах 0,8 1,2 мс. Указанных параметров вполне достаточно, чтобы обеспечить стабильный режим сварки электродными проволоками диаметром 1,0 2,0 мм. Схемотехническое решение импульсного источника питания позволяет применить в схему управления обратные связи (по напряжению дуги, току сварки), что повышает эффективность управления технологическим процессом.

Главным преимуществом импульсных систем питания с накоплением энергии в искусственной формирующей линии является возможность получения импульсов тока прямоугольной формы. Это обеспечивает минимальное тепловложение в свариваемое изделие, что особенно важно при сварке алюминиевых сплавов.

Расчет параметров импульсного источника

Индуктивность зарядного дросселя L3 выбирается из условия, чтобы минимальная длительность периода повторения импульсов с небольшим запасом превышала полупериод собственных колебаний зарядного контура

где С = n Cя - суммарная емкость конденсаторов формирующей линии;

L3 - индуктивность зарядного дросселя.

51

Условием нормальной работы формирующей линии на сварочную дугу является [80]

Rсв.ц. - суммарное сопротивление сварочной цепи.

Длительность импульсов тока не зависит от нагрузки т определяется из выражения

где Lя и Ся - соответственно индуктивность дросселя и емкость конденсатора одной ячейки искусственной формирующей линии.

При выполнении условия (3-2) во время перезаряда формирующей линии в ней возникают колебания с большим коэффициентом затухания при небольших значениях обратной волны, необходимой для включения разрядного тиристора VS5. Энергия, запасенная в конденсаторе, должна быть максимально использована, то есть добротность разрядного контура

Для расчетов можно принять

Активная длительность импульсов ( tиа ) и активная длительность фронта импульса ( tфа ) определяется на уровне 0,5 Iн из следующих соотношений:

52