синергетический сварочный дроссель

Формула изобретения

1. СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СВАРОЧНЫЙ ДРОССЕЛЬ, содержащий стержневой сердечник-магнитопровод с зазором и силовую обмотку на стержне, включенную последовательно в сварочную цепь, отличающийся тем, что сердечник дросселя выполнен разъемным в поперечной плоскости стержней, при этом обе части сердечника установлены с двумя одинаковыми зазорами, в которые введены прокладки, каждая прокладка разделена на две части общей площадью, не превышающей сечения сердечника и по толщине равной высоте зазора, одна часть прокладки выполнена из немагнитной пластины большей толщины, другая состоит из двух одинаковых магнитных пластин, между которыми помещена немагнитная пластина меньшей толщины, причем средние линии немагнитных пластин совпадают.

2. Дроссель по п. 1, отличающийся тем, что силовая обмотка дросселя секционирована.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к синергетическому оборудованию для механизированной дуговой сварки на постоянном токе плавящимся электродом.

Известен широко применяемый способ механизированной сварки плавящимся электродом в углекислом газе с периодическими короткими замыканиями (к.з.) дугового промежутка при постоянной скорости подачи электродной проволоки.

В оборудование поста для этого способа входит источник питания с жесткими или пологопадающими статическими характеристиками, динамические характеристики которого определяются индуктивностью сварочной цепи, выбираемой в зависимости от диаметра электрода. Индуктивность обеспечивает необходимую форму тока в переходных процессах, вызываемых переносом электродного металла в сварочную ванну и, как правило, определяется дросселем, силовая обмотка которого включена в сварочную цепь постоянного тока последовательно, а сердечник-магнитопровод дросселя выполнен с зазором, в который введена не магнитная прокладка. Силовая обмотка снабжена выводами для выбора оптимальной индуктивности при сварке различными диаметрами электродов и на разных режимах.

Для повышения стабильности процесса, уменьшения разбрызгивания металла и улучшения формирования шва создаются с помощью дросселя оптимальные скорости нарастания тока для ограничения наибольших амплитуд тока к.з. При диаметрах электрода 0,8 2 мм пределы оптимальных скоростей 30 160 кА/с.

Технологическими недостатками такого оборудования сварочного поста являются узкий диапазон режимов сварки, ступенчатая регулировка индуктивности дросселя, затрудняющая выбор оптимальных скоростей нарастания тока к.з. и необходимость в повышении стабильности процесса, что связано с невозможностью регулирования скоростей нарастания и спада тока на разных стадиях процесса.

Известны сварочные источники питания, содержащие дроссели, в которых кроме силовой введена вспомогательная обмотка, регулирующая индуктивность дросселя, а тем самым форму и амплитуду тока в течение к.з. Вспомогательная обмотка питается постоянным током, степень подмагничивания регулируется и может достигать величины, при которой перед началом сварки магнитный сердечник дросселя насыщается. Подмагничивание направлено встречно намагничиванию сердечника сварочным током, проходящим в силовой обмотке. В процессе горения дуги сердечник дросселя также находится в состоянии насыщения. При к.з. дугового промежутка каплей жидкого металла происходит резкое нарастание тока в силовой обмотке дросселя, магнитный сердечник выходит из состояния насыщения и наибольшая амплитуда тока к.з. снижается на величину, определяемую степенью намагничивания.

Такое устройство позволяет регулировать в широких пределах наибольшую амплитуду тока к.з. Однако устройство не обеспечивает управления формой тока на разных стадиях процесса.

Наиболее близким к изобретению является устройство для стабилизации сварочного тока, содержащее дроссель с силовой и вспомогательной обмотками. Начало вспомогательной обмотки подключается к аноду тиристора, катод которого и конец силовой обмотки подключены к сварочному электроду, а конец вспомогательной обмотки к положительному полюсу дополнительного источника питания, отрицательный полюс которого подключен к изделию и отрицательной клемме сварочного выпрямителя, положительная клемма которого соединена с началом силовой обмотки дросселя. Управляющий электрод и катод тиристора соединены с блоком управления.

При к.з. дугоового промежутка, вызванном переносом металла, тиристор закрыт и нарастание тока в силовой обмотке дросселя определяется параметрами первичного контура. Медленное нарастание тока способствует слиянию капли с ванной. Затем блок управления, который не связан с процессом сварки, выдает импульс на открывание тиристора. Тиристор открывается и сокрость нарастания тока к.з. резко увеличивается, так как магнитный поток вспомогательной обмотки направлен встречно потоку силовой, что способствует переходу капли расплавленного металла в ванну, а во вспомогательной обмотке дросселя протекает ток, определяемый напряжением дополнительного источника и электродвижущей силой взаимоиндукции обмоток. После разрыва жидкой перемычки и зажигания дуги токи силовой и вспомогательной обмоток резко уменьшаются. Спад тока вспомогательной обмотки продолжается до нуля и тиристор закрывается.

Таким образом, устройство по заранее заданной блоком управления программе, не имеющей связи с процессом сварки, жестко программирует форму сварочного тока: медленное нарастание в начале к.з. резкое возрастание в течение к. з. и резкий спад при зажигании дуги. Такое управление процессом уменьшает разбрызгивание металла, облегчает наложение вертикальных и потолочных швов, однако управление формой сварочного тока по жесткой программе не позволяет дифференцированно воздействовать на постоянно изменяющиеся под действием возмущений основные параметры процесса сварки: длительность, амплитуду, скорость нарастания и спада тока. Поэтому данное устройство не может создать условия для самонастройки динамической системы сварочного поста на оптимальную форму кривой тока в процессе с к.з. при отработке действующих в процессе сварки возмущений.

Кроме того, наличие в устройстве дополнительного источника питания, требующего регулировки напряжения при настройке на режим, вспомогательной обмотки дросселя и возникающих перенапряжений в ней, тиристора и блока управления для регулировки момента его включения затрудняют программирование, усложняют конструкцию, снижают эксплуатационную надежность.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков и повышение качества сварки, производительности и расширение области применения процесса сварки с к.з. путем самонастройки дросселя в процессе сварки на оптимальную форму кривой тока.

Это достигается тем, что в синергетическом сварочном дросселе для сварки на постоянном токе плавящимся электродом с периодическими к.з. дугового промежутка, содержащем стержневой сердечник-магнитопровод с зазором и силовую обмотку на стержне, включенную последовательно в сварочную цепь, сердечник дросселя выполнен разъемным, при этом образовано два одинаковых зазора, в которые введены прокладки, и в каждом зазоре прокладка разделена на две части, общей площадью не превышающей сечения сердечника и по толщине равной высоте зазора, одна часть прокладки выполнена из немагнитного материала большой толщины, другая состоит из двух одинаковых магнитных прокладок, между которыми помещена прокладка из немагнитного материала малой толщины, причем средние линии большой и малой немагнитных прокладок совпадают. Для упрощения программирования дросселя силовая обмотка секционирована.

В результате проведенного анализа не обнаружено аналогов, содержащих технические решения, сходные с решениями, отличающими предлагаемое от прототипа. На этом основании сделан вывод, что изобретение обладает существенными отличиями. Наиболее близким техническим решением к изобретению является синергетический дроссель, выполненный на магнитопроводе другого типа броневом.

На фиг.1 изображен синергетический сварочный дроссель, разрез; на фиг.2 осциллограмма процесса сварки с синергетическим управлением.

Дроссель (фиг.1) содержит стержневой сердечник-магнитопровод 1 и силовую обмотку 2. Сердечник выполнен разъемным. Между его частями образовано два одинаковых зазора, в которые введены прокладки. В каждом зазоре прокладка разделена на две части с общей площадью, не превышающей сечения сердечника. Соотношение частей определяется программированием дросселя. Одна часть прокладки 3 выполнена из немагнитного материала большой толщины, равной зазору между частями магнитопровода. Другая часть прокладки такой же толщины составная и выполнена из различных материалов. Она содержит прокладку 4 из немагнитного материала малой толщины по сравнению с прокладкой 3, и две одинаковые прокладки 5 из магнитного материала, симметрично расположенные относительно прокладки 4.

Аналогично заполнен прокладками и другой зазор стержневого сердечника дросселя, при этом средние линии больших и малых немагнитных прокладок совпадают. Части сердечника стержневого типа сжаты с помощью ленты 6, планки 7 и стягивающих винтов 8 с гайками 9.

Синергетический сварочный дроссель работает следующим образом.

При сварке плавящимся электродом с периодическими к.з. дугового промежутка на процесс действуют возмущения по параметрам режима, состоянию сварочных материалов, геометрии сварного соединения, расположению сварочной горелки относительно соединения, поэтому при сохранении периодичности процесса с циклом "короткое замыкание горение дуги" его параметры постоянно изменяются, поэтому изменяются энергия плавления конца электрода и размеры капель жидкого металла, переносимых с конца электрода в сварочную ванну, действие электродинамических сил во время к.з. и газодинамический удар от электрического взрыва при разрыве перемычки между электродом и сварочной ванной, оказывающий основное воздействие на сварочную ванну, околошовные выплески металла сварочной ванны, формирование шва и разбрызгивание металла.

Поэтому для оптимизации сварки необходима такая динамическая система сварочного поста, которая реагировала на текущие параметры процесса, воздействовала на процесс и приводила его к вынужденной организации по определенной вероятностной моделе. Функции организации процесса по вероятностной моделе выполняет синергетический сварочный дроссель, делая оборудование сварочного поста и сварку синергетическими. Для этого осуществляют программирование дросселя.

Ограничивают по максимуму диапазон длительностей кратковременных к.з. для осуществления переноса капель малых размеров при оптимальной форме кривой сварочного тока. С этой целью устанавливают зазор в сеpдечнике дросселя, равный толщине прокладки 3, и вводят прокладки 4 из немагнитного материала малой толщины, заполняя оставшуюся высоту зазора прокладками 5 из магнитного материала, симметрично расположенными относительно прокладок 4, и программируют параметры процесса в диапазоне кратковременных к.з.

низкие скорости нарастания тока к.з.

наибольшую амплитуду тока кратковременных к.з.

низкие скорости спада тока горения дуги после к.з.

Толщины прокладки 4 и ее соотношение по площади с прокладкой 3 выбирают такими, чтобы обеспечить насыщение частей магнитопровода, прилежащих к прокладке 4 малой толщины, при наибольшей амплитуде тока к.з. начиная с момента превышения верхнего предела максимальной длительности кратковременных к.з. В этом случае полная индуктивность дросселя в диапазоне кратковременных к.з. будет наибольшей.

Ограничивают по максимуму диапазон длительностей длительных к.з. для осуществления переноса капель больших размеров при оптимальной форме кривой сварочного тока. Для этого в зазоры стержневого сердечника дросселя вводят части прокладок 3 из немагнитного материала большой толщины. В этом случае определяющую роль в программировании дросселя играет высота зазора в сердечнике, равная толщине части прокладок 3 из немагнитных материалов. Программируют параметры процесса:

низкие скорости нарастания тока к.з.

повышенные скорости нарастания тока к.з.

наибольшую амплитуду тока длительных к.з.

повышенные скорости спада тока горения дуги после к.з.

низкие скорости спада тока горения дуги после повышенных.

Толщину прокладок 3 при заданном соотношении площадей прокладок 3 и 4 выбирают такой, чтобы индуктивность дросселя определяла наибольшую амплитуду тока длительных к.з. и при этом магнитопровод дросселя не насыщался. В этом случае индуктивность дросселя определяется наибольшей амплитудой тока длительных к. з. и будет зависеть от параметров процесса сварки и изменяться от наибольшей на начальной стадии к.з. до наименьшей на второй стадии к.з. и на начальной стадии при спаде тока после зажигания дуги с последующим переходом к наибольшей индуктивности дросселя в процессе горения дуги.

Диапазоны длительностей к.з. и соответствующие параметры процесса по п.1 и 2 зависят от толщин прокладок 3 и 4, соотношения занимаемых ими площадей в зазоре сердечника дросселя, сечения магнитопровода и числа витков силовой обмотки дросселя. Желательно обмотку секционировать, что упрощает программирование на оптимальный режим сварки.

Грубое программирование целесообразно проводить изменением сечения сердечника дросселя и числа витков обмотки с последующим точным программированием параметров процесса сварки толщинами прокладок 3 и 4 и соотношением занимаемых ими площадей в зазоре сердечника дросселя. При выборе прокладок 4 разных толщин возможно ступенчатое изменение низких скоростей нарастания и спада тока.

Вероятностная модель вынужденной организации процесса сварки с периодическими к.з. дугового промежутка следующая.

Когда горит дуга, образуется капля жидкого металла на конце электрода и электрод с каплей приближается к сварочной ванне, при этом перед касанием капли с ванной в сварочной цепи, как правило, самые минимальные токи горения дуги, которые могут быть в цикле, и при таких токах синергетический дроссель запрограммирован на большую индуктивность и обеспечивает низкие скорости нарастания тока к.з. при касании электрода с ванной, т.е. создаются благоприятные условия, чтобы капля не отбрасывалась от ванны.

Дальнейший ход процесса зависит от режима сварки и внешних возмущений, но синергетический дроссель "направляет" его по пути формирования оптимальной формы кривой тока при любом дальнейшем ходе его развития. Путей или программ оптимизации, которую запрограммированный дроссель подбирает для заданного режима сварки и действующих возмущений, может быть две.

1-й путь. При горении дуги образовалась маленькая капля и наступит соответствующее ей кратковременное к.з. Синергетический дроссель запрограммирован (п.1 программирования) для всех кратковременных к.з. индуктивность дросселя наибольшая по величине, что обеспечивает низкие скорости нарастания тока к.з. и низкие скорости спада после зажигания дуги.

Тогда для переноса любой маленькой капли с электрода в ванну дроссель сформирует низкие скорости нарастания и малые наибольшие амплитуды тока к.з. а после разрыва перемычки обеспечит горение дуги на низких скоростях спада тока.

Так как наибольшие амплитуды тока к.з. невелики и незначительны, в этом случае отличаются от минимальных токов горения дуги, то энергетические характеристики электрического взрыва перемычки также малы и процесс проходит спокойно и стабильно.

2-й путь. При горении дуги образовалась большая капля. Тогда амплитуду тока к.з. на начальной стадии дроссель наращивает до максимума по программе, рассмотренной в 1-м пути, но ток мал для разрыва перемычки, а время становится больше наибольшего времени кратковременных к.з. т.е. длительность к.з. затягивается. С этого момента в синергетическом дросселе предусмотрена для таких длительных к.з. другая программа изменения тока с целью оптимизировать форму кривой сварочного тока на этой стадии и не затягивать время к.з. (п.2 программирования).

Осуществляется самонастройка дросселя на другую программу это происходит в тот момент, когда амплитуда тока к.з. превысит запрограммированную наибольшую амплитуду тока кратковременных к.з. и часть магнитного сердечника дросселя с обеих сторон прокладок 4, включая прокладки 5, войдет в режим насыщения, следовательно, индуктивность дросселя уменьшится и будет определяться толщиной прокладок 3. Произойдет программное увеличение скорости нарастания тока к.з. с ограничением по максимуму времени перехода больших капель с электрода в ванну и амплитуды тока к.з. После этого зажигается дуга, параметры горения которой аналогично программируются дросселем за счет изменения его индуктивности при спаде сварочного тока: на начальной стадии резко снижается амплитуда тока горения дуги за счет большой скорости спада тока, близкой по величине повышенной скорости его нарастания и переводится горение дуги на меньшие токи и скорости его спада, близкие по величине низким скоростям нарастания.

Порядок чередования программ в синергетическом сварочном дросселе в процессе сварки заранее не определен и будет зависеть от характера возмущений при сварке.

Запрограммированный для выбранных режимов сварки синергетический сварочный дроссель, являясь частью динамической системы сварочного поста при сварке с к.з. задает алгоритм работы системы, причем на каждой стадии процесса сварки алгоритм определен однозначно, т.е. детерминирован, что и есть результативность алгоритма.

Органами регулирования режима синергетического оборудования сварочного поста, также как и в обычном оборудовании, являются ручки настройки сварочного тока и напряжения, средние величины которых остаются при сварке неизменными, а запрограммированный синергетический сварочный дроссель формирует для выбранных режимов сварки оптимальную форму кривой сварочного тока, обеспечивая технологические преимущества на различных стадиях процесса в цикле и стабильность для всего процесса сварки.

Таким образом, в межэлектродном промежутке в процессе сварки запрограммированный синергетический сварочный дроссель формирует оптимальную по технологическим свойствам форму кривой тока, реализуя соответствующие программы оптимизации в течение цикла и порядок их чередования в процессе сварки в зависимости от действующих в текущий момент возмущений, что и определяет вероятностную модель вынужденной организации процесса сварки.

Пример вынужденной организации процесса сварки с периодическими к.з. дугового промежутка при синергетическом управлении иллюстрирует фиг.2.

Первому к. з. на осциллограмме предшествует горение дуги, при котором сформировалась капля на конце электрода малых размеров, поэтому дроссель реализует 1-ю программу развития процесса для кратковременных к.з. и обеспечивает низкие скорости нарастания тока к.з. и спада тока горения дуги при небольшой амплитуде тока к.з.

Второму к.з. предшествует горение дуги, при котором сформировалась капля на конце электрода больших размеров, поэтому дроссель реализует 2-ю программу развития процесса для длительных к.з. и обеспечивает низкие скорости нарастания тока к.з. по 1-й программе, переходящие в повышенные, формирует наибольшую амплитуду тока, к.з. в момент разрыва перемычки и после зажигания дуги обеспечивает большие скорости спада тока, переходящие в низкие по 1-й программе с соответствующим уменьшением амплитуды тока горения дуги.

При третьем и четвертом к.з. синергетический дроссель сформировал кривую тока по 1-й программе, так как соответствующие длительности к.з. и капли жидкого металла были меньше запрограммированных максимальных значений для этой программы.

При пятом к.з. процесс формирования оптимальной формы кривой тока изменился и вернулся по программе ко второму к.з.

Таким образом, самонастройка дросселя в зависимости от действующих в процессе сварки возмущений проявляется в реализации различных программ, порядке их чередования, изменении величин наибольших амплитуд токов к.з. при переходе от к.з. к горению дуги при программировании ограничения их по максимуму.

Рассмотренная в примере вероятностная модель вынужденной организации процесса сварки, например, при механизированной сварке в углекислом газе тонколистовых конструкций электродной проволокой диаметром 0,8 мм получена при использовании синергетического дросселя, выполненного на сердечнике стержневого типа. Параметры синергетического дросселя: сечение магнитопровода 12,5 см² (2,5х5,0), площади немагнитных прокладок большой и малой толщин одинаковы и составляют 6,25 см ² (1,25 х 5,0), большая толщина прокладки 1,5 мм, малая 0,2 мм, силовая обмотка размещена на обоих стержнях, индуктивность дросселя в ненасыщенном состоянии 4х10^-3 Гн для формирования низких скоростей нарастания и спада тока и 0,7 х 10^-3 Гн для формирования повышенных скоростей нарастания и спада тока.

Приведенные параметры синергетического дросселя позволяют получить стабильный процесс сварки во всех пространственных положениях тонколистовых конструкций, например толщиной 0,5 0,8 мм на токах от 15 до 50 А.

Нижний предел возможных токов при сварке электродной проволокой диаметром 0,8 мм в процессах с к.з. без использования синергетического сварочного оборудования, когда еще возможна сварка и не нарушается стабильность процесса, составляет 50 60 А.

Таким образом, синергетическое управление процессом сварки с к.з. позволяет, например, при сварке проволокой диаметром 0,8 мм снизить в 4 раза минимально возможные токи при сварке тонколистовых конструкций, что не только расширяет область применения сварки тонкими электродными проволоками, но и позволяет во многих случаях заменить сварку неплавящимся электродом на более производительную и экономичную плавящимся.

Синергетический сварочный дроссель по сравнению с прототипом обеспечивает

повышение качества и расширение области применения сварки с к.з. благодаря увеличению стабильности процесса, уменьшению разбрызгивания металла и улучшению формирования шва путем самонастройки динамической системы поста на оптимальную форму кривой сварочного тока за счет реализации дросселем соответствующих программ оптимизации в течение цикла и порядка их чередования в процессе сварки в зависимости от действующих возмущений;

повышение производительности сварки, что достигается ограничением наибольшего времени длительных к.з. путем форсирования перехода капли электродного металла в сварочную ванну, а также возможностью замены сварки тонколистовых конструкций неплавящимся электродом на сварку плавящимся электродом с синергетическим управлением;

простоту конструкции и программирования, надежность в работе.