16.4. Джерела живлення для iдз плавким електродом
Випрямляч типу ВДГИ-301У3 використовується для комплектацiї зварювальним напiвавтоматом ПДИ-303У3. Спрощену принципову електричну схему такого випрямляча подано на рис.16.6.
Первинна i вторинна обмотки силового трансформатора Т секцiонованi. Протягом пiвперiоду напруги мережi живлення при увiмкнених тиристорах VS1 або VS2 струм через вентиль VD1 та iндуктивнiсть L подається на зварювальну дугу, тобто джерело працює в базовому режимi. Протягом другого пiвперiоду базовий струм проходить по колу T-VD2-L-дуга-T. При iмпульсному режимi VS5 (VS6) вмикаються із запiзненням вiдносно моменту вимикання VS1 (VS4), а кут їх вiдкриття визначає амплiтуду i тривалiсть iмпульса. Якщо з VS5 (VS6) вмикається VS2 (VS3) із одночасним вимиканням VS1 (VS4), то створюються iмпульси крутої
155
форми із великою амплiтудою. Коли VS2 (VS3) не увiмкненi, працюють VS1 (VS4), випрямляч формує пологi iмпульси із малою амплiтудою. При роботi джерела в базовому режимi у схемі керування передбачено можливiсть нахилу зовнiшнiх характеристик. Крутоспаднi ВАХ можна отримати при зварюваннi на малих струмах з метою запобiгання обривiв дуги, жорсткi ВАХ - при зварюваннi на великих струмах з метою саморегулювання дуги.
Рис. 16.6. Спрощена електрична схема силової частини джерела ВДГИ-301
Бiльш досконалою є конструкцiя випрямляча типу ВДГИ-302У3 (рис.16.7).
Напруга вторинної обмотки силового трансформатора Т з нормальним магнiтним розсiянням випрямляється блоком вентилiв VD1, VD2, VS1-VS6 з двома дроселями L1, L2. Базовий струм створюється VS3, VS4 i згладжуючим дроселем L1. Фазове керування тиристорами використовується для налагодження середнього значення базового струму. Однак при глибокому керуваннi в кривiй базового струму з’являються провали. Тому для отримання невеликого, але добре згладженого струму в схемi передбачене коло пiдживлення у складі оптотиристорiв VS5, VS6 i дроселя L2 з великою iндуктивнiстю. Оптотиристори забезпечують також незалежнiсть роботи кiл керування вiд дiї високочастотних перешкод зварювального кола. VS1 i VS2 застосовуються для генерування пiкових iмпульсiв, амплiтуда i тривалiсть яких визначається кутом вiдкриття, а частота 50 або 100 Гц
156
- використанням одного або двох тиристорiв. ВДГИ-302 може працювати як в режимi базового струму, так i iмпульсного. Частiше використовується спiльний режим, при якому зварювальний струм визначається сумою iмпульсного i базового струмiв, а також струму пiдживлення.
Рис. 16.7. Спрощена електрична схема силової частини джерела ВДГИ-302
Напруга вторинної обмотки силового трансформатора Т з нормальним магнiтним розсiянням випрямляється блоком вентилiв VD1, VD2, VS1-VS6 з двома дроселями L1, L2. Базовий струм створюється VS3, VS4 i згладжуючим дроселем L1. Фазове керування тиристорами використовується для налагодження середнього значення базового струму. Однак при глибокому керуваннi в кривiй базового струму з’являються провали. Тому для отримання невеликого, але добре згладженого струму в схемi передбачене коло пiдживлення у складі оптотиристорiв VS5, VS6 i дроселя L2 з великою iндуктивнiстю. Оптотиристори забезпечують
157
також незалежнiсть роботи кiл керування вiд дiї високочастотних перешкод зварювального кола. VS1 i VS2 застосовуються для генерування пiкових iмпульсiв, амплiтуда i тривалiсть яких визначається кутом вiдкриття, а частота 50 або 100 Гц - використанням одного або двох тиристорiв. ВДГИ-302 може працювати як в режимi базового струму, так i iмпульсного. Частiше використовується спiльний режим, при якому зварювальний струм визначається сумою iмпульсного i базового струмiв, а також струму пiдживлення.
Зовнішні характеристики випрямляча наведені на рис. 16.8.
Рис. 16.8. Зовнішні характеристики тиристорного випрямляча
ВАХ імпульсного струму 1 має невеликий нахил, що необхідно для отримання крутого фронту імпульсів струму. Характеристика базового струму 2 сформована завдяки введенню зворотних зв’язків за струмом і за напругою в систему керування тиристорів VS3, VS4 і її нахил автоматично знижується зі зростанням струму. При крутому нахилі на малих струмах підвищується еластичність дуги, при пологому нахилі на великих струмах виконується саморегулювання дуги. Для поліпшення запалювання дуги створюється характеристика запалювання 3, яка забезпечує постійний рівень напруги при будь-яких струмах. Характеристика відісічки 4 обмежує максимальну величину зварювального струму, а підживлення 5 гарантує мінімум струму, достатній для стійкого горіння дуги.
Останнiм часом застосовуються розробки транзисторних iмпульсних джерел,
158
в яких силовий транзистор керує зварювальним струмом i забезпечує необхiдний струм протягом iмпульсу i паузи. На рис.16.9 подано схему джерела такого типу, яке складається з силового трансформатора Т i випрямного блоку VD1.
Для створення iмпульсного режиму передбачено комутатор, який складається із силового транзистора VT, дроселя L i зворотного дiода VD2.
Рис. 16.9. Схема силової частини з транзисторним комутатором
Система керування А1 складається з комутатора К3, за допомогою якого послiдовно вводяться значення заданого струму IЗ, базового - Iбmin та Iбmax, iмпульсного струму - Iimin та Iimax. У пристрої порiвняння ПП задана величина порiвнюється з фактичним струмом IД, що знiмається з датчика струму RS. У схему збiгання ЗБ поряд із рiзницевим сигналом К(IЗ-IД) подаються також сигнали UГ вiд генератора iмпульсiв ГI, параметри якихtб - тривалiсть базового струму, ti - тривалiсть iмпульсiв i Т - перiод проходження iмпульсiв встановлюються зазделегідь. При збiганнi в часi позитивного сигналу k(IЗ-IД) i iмпульса UГ на виходi схеми ЗБ виникають iмпульси Uc якi через пiдсилювач П подаються на базу VT.
159
ЛЕКЦІЯ 17
17.1. Основнi вимоги, якi пред’являються до джерел живлення для зварювання неплавким електродом в iнертних газах
Джерела живлення для зварювання неплавким електродом призначенi для ручного дугового або автоматичного зварювання в iнертних газах виробiв з високомiцних, корозiйно-стiйких i жаромiцних сталей, кольорових, легких i титанових сплавiв невеликої товщини як на постiйному, так i на змiнному струмi в безперервному i iмпульсному режимах. Широко застосовуються джерела для аргоно-дугового зварювання вiльною (нестиснутою) дугою неплавким
вольфрамовим електродом, нерухомо закрiпленним у зварювальному пальнику (рис.17.1).
Рис. 17.1. Схема зварювання неплавким електродом
в інертних газах
Інертний газ аргон захищає зону зварювання i електрод вiд впливу повiтря. Характерною рисою таких джерел є створення крутоспадної зовнiшньої характеристики, за рахунок чого забезпечується стабiльнiсть струму при коливаннях довжини дуги i стiйкiсть процесу зварювання. Це пов’язано з тим, що глибина проплавлення при зварюваннi неплавким електродом дуже чутлива до коливань струму. Ступiнь стабiлiзацiї залежить вiд товщини зварюваного матерiалу. При зварюваннi металiв середнiх товщин (2-5 мм) достатньо пiдтримувати зварювальний
160
струм з точнiстю 5%, при зварюваннi дуже тонких матерiалiв - до 2%. Створення крутоспадної ВАХ досягається за рахунок бiльшого iндуктивного опору джерела або зворотного зв’язку за струмом.
Джерелом живлення для зварювання неплавким електродом в основному є випрямляч, який складається з трифазного понижуючого трансформатора i силового випрямного блока на керованих або некерованих вентилях з широким дiапазоном регулювання струму. Широкий діапазон регулювання викликаний необхiднiстю зниження струму дуги в кiнцi зварювання для заварювання кратера. З цєї причини не використовуються джерела зi ступiнчастим або механiчним регулюванням струму. При плавноступiнчастому регулюваннi дiапазони повиннi перекриватись так, щоб забезпечувати необхiдне для заварювання кратера зниження струму в одному дiапазонi. Крiм цього, джерела зварювального струму цілого ряду установок повиннi забезпечувати плавне наростання струму на початку зварювання, що дозволяє уникнути руйнування вольфрамового електрода i перенесення його в шов через рiзкі стрибки струму при холодному електродi.
Джерела живлення повиннi забезпечувати режими зварювання пульсуючою дугою, якi широко застосовуються в технологiї зварювання неплавким електродом. Час iмпульса i паузи повиннi змiнюватись вiд 0,01 до 1-3 с, глибина модуляцiї - до 10-12 раз. Характер модуляцiї (iмпульсний унiполярний, iмпульсний рiзнополярний, високочастотний) залежить вiд марки i товщини зварюваного матерiалу.
Початкове запалювання дуги повинне виконуватись безконтактним способом за допомогою осцилятора або збуджувача, оскільки при контактному способi запалювання спостерiгаються забруднення шва вольфрамом i пiдвищене руйнування електрода.
Джерела живлення постiйного струму застосовуються для аргоно-дугового зварювання усiх перелiчених матерiалiв, за винятком алюмiнiєвих сплавiв (рис. 17.2). Зварювання ведеться дугою прямої полярностi, оскільки бiльша частина тепла дуги, розподiляючись на зварюваний вирiб (анод), дозволяє збiльшити струмове навантаження на електродi i, вiдповiдно, збiльшити продуктивнiсть процесу. Як джерела живлення постiйного струму, за винятком спецiальних джерел, можуть застосовуватись зварювальнi випрямлячi з крутоспадною зовнiшньою характеристикою типу ВДУ -50 5, ВДУ -50 6, ВДУ -601 . Також можуть застосовуватись i багатопостовi випрямлячi з постовими регуляторами струму. Використання таких випрямлячiв доцiльне там, де зосереджено велику кiлькiсть зварювальних постiв.
161
Осцилятор
Трансформатор
Мережа
Випрямний
блок
Регулятор
Фільтр
Дуга
Пристрій заварювання Генератор
кратера імпульсів
Рис. 17.2. Функціональна схема джерела постійного струму
Джерела живлення змiнного струму використовують при зварюваннi алюмiнiєвих сплавiв (рис.17.3 а).
При горiннi дуги змiнного струму необхiдно враховувати рiзницю у фiзичних властивостях тугоплавкого вольфрамового електрода i легкоплавкого основного металу-алюмiнiю. Протягом пiвперiоду прямої полярностi, коли катодом є нагрiтий вольфрамовий електрод, потужна термоелекронна емiсiя забезпечує значний струм
IПР вiд генератора iмпульсiв (рис.16.3).
i iнтенсивне плавлення основного металу (рис. 17.3 б). Напруга запалювання приблизно дорiвнює напрузi дуги UПР i при короткiй дузi в аргонi може складати
10 В. У пiвперiодi зворотної полярностi для запалювання дуги потрібна висока напруга , яка сягає 200 В, оскільки термоелектронна емiсiя з холодного алюмiнiєвого катода незначна.
Напруга горiння дуги зворотної полярностi UЗВОР вища, вiд UПР i складає бiльше 20 В, а величина струму зворотної полярностi нижча за IПР на 20-50%. Однак, в пiвперiодi цієї полярностi іде процес руйнування оксидної плiвки алюмiнiю завдяки бомбардуванню виробу позитивними iонами, що значно покращує процес зварювання. Для надiйного повторного запалювання дуги при переходi до пiвперiоду зворотної полярностi необхiдно надіслати iмпульс, який перевищує напругу UЗВОР в 2-3 рази. Це досягається застосуванням iмпульсного стабiлiзатора горiння дуги (ІСГД), який складається з силової частини i електронної схеми керування.
У зв’язку з великою рiзницею напруг горiння дуг прямої i зворотної полярностi виникає постійна складова струму дуги. Оскільки IПР бiльший від ІЗВОР, криву зварювального струму можна подати як суму симетричного змiнного струму i
162
постійної складової IПОСТ (рис.17.3 б). Постійна складова негативно вiдображається на роботi трансформатора, пiдмагнiчуючи осердя магнітопроводу, викликаючи його перегрiв i сильну вiбрацiю. Стримування або зменшення сталої складової виконується спецiальними пристроями, спрощенi схеми яких наведено на рис.17.4.
Рис. 17.3. Функціональна схема (а), осцилограма струму і напруги (б) джерела
змінного струму
Найпростiший пристрій складається з дiода VD i резистора R, в якому струм зворотньої полярностi проходить через VD, а струм прямої полярностi йде через
163
R i тому знижується. Такий пристрій застосовується в джерелах малої потужностi через великі втрати на резисторi(рис.17.4 а).
Рис. 17.4. Придушення постійної складової струму за допомогою резистора
(а), конденсатора (б) тиристорного комутатора (в)
Повна компенсацiя при зварюваннi на будь-яких режимах досягається за рахунок використання конденсаторної батареї. Для покращання початкового запалювання дуги в схемi передбачений ключ SA, який шунтує коло батареї С. Пiсля запалювання дуги i розмикання SА в пiвперiоди прямої полярностi С заряджається, а при зворотнiй полярностi - розряджається, пiдживлюючи тим самим дугу i лiквiдуючи постійну складову (рис.17.4 б). Недолiком такого способу є наявнiсть в пристрої громiздкої батареї спецiальних конденсаторiв.
Найчастiше для придушення постійної складової струму застосовується комутатор, який складається з двох зустрiчно-паралельно увiмкнених тиристорiв VS1 i VS2, що працюють з рiзними кутами керування (рис.1.4 в). У пiвперiоди прямої
полярностi кут вiдкриття «a » VS1 повинен бути бiльшим за «a » тиристора VS2.
17.2. Пристрої для збудження, стабiлiзацiї дуги та придушення постійної
складової струму
Для початкового збудження дуги без короткого замикання електрода широко застосовуються осцилятори i збуджувачi. Це високовольтнi, високочастотнi апарати, здатні створювати iскровий розряд мiж електродом i виробом . Пробій мiжелектродного промiжку призводить до його iонiзацiї, завдяки чому запалюється дуга вiд основного джерела живлення. Серiйнi осцилятори i збуджувачi
164
виготовляють на напругу 2-20 кВ, струм розряду 1-10 А, частоту розряду до 1000 кГц. При такiй частотi висока напруга безпечна для зварника , оскільки високочастотний струм протiкає по поверхнi тiла, викликаючи при цьому тiльки опiки.
Пiдпалюючі пристрої безперервної (iскровi осцилятори) й iмпульсної дії (збуджувачi) з основним джерелом можуть вмикатись паралельно або послiдовно. Iскровi зварювальнi осцилятори із джерелами живлення постiйного струму застосовують для початкового збудження дуги. Із джерелами змiнного струму їх застосовують як для початкового збудження дуги, так i для збудження дуги при змiнi полярностi, тобто пiсля переходу струму через нуль. Принципова електрична схема осцилятора паралельного вмикання типу ОСПЗ-2М наведена на рис.17.5.
Рис. 17.5. Принципова електрична схема осцилятора паралельної дії
Пiдвищуючий трансформатор Т створює напругу 3-6 кВ, яка через вторинну обмотку Т пiдводиться до розрядника FV, що входить до коливального контура С4-L3-FV. При наростаннi напруги на вториннiй обмотцi Т конденсатор С4 заряджається i в його електричному полi нагромаджується енергiя С4ЧU2/2. При досягненнi визначеної величини напруги вiдбувається пробій повiтряного промiжку розрядника i С4 розряджається на iндуктивнiсть L3, яка є первинною обмоткою iмпульсного трансформатора Т1. В коливальному контурi виникає струм I. Енергiя С4ЧU2/2 перетворюється в енергiю магнiтного поля iндуктивностi L3ЧI2/2, i в коливальному контурi створюється знакозмiнний згасаючий за амплiтудою коливальний процес з кутовою частотою, що залежить вiд параметрiв С4 i L3. Високовольтна напруга пiдвищеної частоти передається на вторинну обмотку Т1, котушка якої L2 здiйснює введення цiєї напруги на дуговий промiжок. Захистом джерел вiд такої напруги є Г-подібний фiльтр, який складається з iндуктивностi L1 (великогабаритного дроселя) i ємностi С1. Якщо трансформатор джерела живлення має розвинене магнiтне розсiяння, то необхiднiсть в його захистi вiдпадає.
165
Блокувальнi конденсатори С 2, С 3 затримують низькочастотну складову зварювального струму вiд основного джерела, захищають вторинну обмотку iмпульсного трансформатора Т1 i створюють умови безпечної роботи зварювальника. Перешкодо-захисний фiльтр ПЗФ призначений для захисту мережi живлення вiд високочастотних коливань, оскільки осцилятор створює значнi перешкоди радiоприйому, i тому його безперервна робота допускається не довше ніж 1 с.
Для надiйного запалювання дуги осцилятор генерує згасаючі iмпульси тривалiстю бiля 2 мкс по 10-15 iмпульсiв за пiвперiод. Амплiтуда напруги iмпульса може сягати 6 кВ.Осцилятори паралельного вмикання застосовують в основному із джерелами живлення постiйного струму.
В осциляторах послiдовної дiї типу ОСППЗ-300М зварювальний струм проходить через котушки iндуктивностi L1 коливального контуру С2-L1-FV, внаслiдок чого рiзко зростає перерiз котушки L1. Захист джерела живлення вiд дiї високовольтної високочастотної напруги здiйснюється конденсатором С1, який має малий опiр для високих частот (рис.17.6).
Рис. 17.6. Принципова електрична схема осцилятора послідовної дії
Осцилятори послiдовної дiї простiшi i компактнiшi нiж пристрої паралельного вмикання i застосовуються в основному на струми, не бiльші 400 А. В них вiдсутнiй крупногабаритний захисний дросель, зменшуються втрати вихiдної напруги на елементах зварювального кола, знижується рiвень радiоперешкод.
Iмпульснi стабiлiзатори (IС) призначенi для повторного запалювання дуги змiнного струму i застосовуються в установках для зварювання алюмiнiя i його сплавiв неплавким електродом. Стабiлiзатор повинен генерувати пiковий iмпульс з амплiтудою напруги Ui=200-600 В.
У стабiлiзаторi для аргоно-дугового зварювання неплавким електродом
166
конденсатор С заряджається вiд трансформатора Т через дiод VD i струмообмежуючий резистор R1 (рис.17.7).
Наявнiсть VD запобiгає розряду С на трансформатор. У коло розряду конденсатора увiмкнено тиристор VS i баластовий резистор R2. Розряд конденсатора на дуговий промiжок вiдбувається при вiдкриттi комутуючого пристроя VS блоком керування БК пiсля змiни полярностi дугової напруги з прямої на зворотню. Така схема є загальною для стабiлiзаторiв дуги в деяких установках аргоно-дугового зварювання змінним струмом.
Рис. 17.7. Спрощена електрична схема ІСГД для аргоно-дугового
зварювання неплавким електродом