RU2135336C1

RU2135336C1 - Device for arc welding by different polarity square pulse current

Info

Publication number: RU2135336C1
Application number: RU98109459A
Authority: RU
Inventors: И.Е. Лапин; В.А. Косович; А.Н. Потапов; А.В. Савинов
Original assignee: Волгоградский государственный технический университет
Priority date: 1998-05-12
Filing date: 1998-05-12
Publication date: 1999-08-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; inert gas shielded welding of aluminium and its alloys by nonconsuming electrode. SUBSTANCE: output terminals of main supply source 5 are connected with inverter input terminals 8, 9. Output terminals 10, 11 of thyristor inverter are connected to spark gap. Additional DC source 6 is connected by one of its output terminals 10 through switch 7 to output terminals 10, 11 of inverter. Other output terminals of additional DC source is connected to one of inverter input terminals 8. EFFECT: enlarged operating capabilities owing to provision of separate control of amplitudes of direct and reverse polarity pulses. 5 dwg

Description

Изобретение относится к сварочной технике, а именно, к устройствам источников питания переменного тока для дуговой сварки (преимущественно алюминия и его сплавов неплавящимся электродом в инертных газах). The invention relates to welding equipment, and in particular, to devices of AC power sources for arc welding (mainly aluminum and its alloys with a non-consumable electrode in inert gases).

Известно устройство для дуговой сварки на переменном токе прямоугольной формы, включающее понижающий трансформатор, силовой тиристорный мост с дросселем в диагонали и два дополнительных тиристорных моста, которые своими входами подключены к вторичной обмотке трансформатора, а выходами соединены встречно-параллельно по отношению друг к другу и последовательно с силовым тиристорным мостом и нагрузкой, т.е. сварочной дугой (а.с. 1542721 СССР, МКИ B 23 K 9/00, 9/10; опубл. 15.02.90, Бюл. N 6). К достоинствам такого устройства следует отнести простоту конструкции и возможность раздельного регулирования длительности импульсов тока прямой и обратной полярности. В то же время, ему присущи и определенные недостатки. Во-первых, наибольшая частота переменного тока, обеспечиваемая данным устройством, ограничена величиной 25 Гц, изменение которой в процессе регулировки длительности полупериодов возможно лишь в сторону уменьшения. Во-вторых, предлагаемое устройство предусматривает лишь модулирование сварочного тока в целом, исключая возможность раздельного регулирования амплитуды импульсов тока прямой и обратной полярности. A device is known for arc welding on an alternating current of rectangular shape, including a step-down transformer, a power thyristor bridge with a diagonal choke and two additional thyristor bridges, which are connected by their inputs to the secondary winding of the transformer, and the outputs are connected counter-parallel to each other and in series with power thyristor bridge and load, i.e. welding arc (AS 1542721 USSR, MKI B 23 K 9/00, 9/10; publ. 15.02.90, Bull. N 6). The advantages of such a device include the simplicity of design and the possibility of separately controlling the duration of the current pulses of direct and reverse polarity. At the same time, it also has certain disadvantages. Firstly, the highest frequency of alternating current provided by this device is limited to 25 Hz, a change in which in the process of adjusting the duration of half-periods is possible only in the direction of reduction. Secondly, the proposed device provides only modulation of the welding current as a whole, eliminating the possibility of separately controlling the amplitude of the current pulses of direct and reverse polarity.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, принятое в качестве прототипа (а.с. 1551484 СССР, МКИ B 23 K 9/00; опубл. 23.03.90, Бюл. N 11). Это устройство включает основной источник постоянного тока и основной тиристорный инвертор, а также дополнительный источник постоянного тока, соединенный с дуговым промежутком через дополнительный инвертор. Closest to the invention in technical essence is a device adopted as a prototype (as.with. 1551484 USSR, MKI B 23 K 9/00; publ. 23.03.90, Bull. N 11). This device includes a main DC source and a main thyristor inverter, as well as an additional DC source connected to the arc gap through an additional inverter.

В результате устраняются перерывы в горении дуги при смене полярности, чем повышается ее устойчивость и качество сварки. Однако конструкция установки также не позволяет раздельно регулировать амплитуду импульсов тока прямой и обратной полярности, что существенно сужает диапазон параметров режима сварки и ее технологические возможности. As a result, interruptions in the burning of the arc when changing polarity are eliminated, thereby increasing its stability and welding quality. However, the design of the installation also does not allow separate control of the amplitude of the current pulses of direct and reverse polarity, which significantly narrows the range of parameters of the welding mode and its technological capabilities.

Задачей настоящего изобретения является повышение качества сварки тонколистовых материалов за счет сокращения количества прожогов, увеличение производительности сварки тонкостенных изделий и повышение стойкости неплавящихся электродов. The objective of the present invention is to improve the quality of welding of sheet materials by reducing the number of burns, increase the productivity of welding of thin-walled products and increase the resistance of non-consumable electrodes.

Технический результат - расширение технологических возможностей устройства для дуговой сварки разнополярными прямоугольными импульсами тока за счет раздельного регулирования амплитуды импульсов тока прямой и обратной полярности. The technical result is the expansion of the technological capabilities of the device for arc welding with bipolar rectangular current pulses due to separate regulation of the amplitude of the current pulses of direct and reverse polarity.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для дуговой сварки разнополярными прямоугольными импульсами тока, включающем основной и дополнительный источники постоянного тока, а также тиристорный инвертор, вход которого подключен к основному источнику, а выход к дуговому промежутку, дополнительный источник постоянного тока одной из своих выходных клемм соединен через переключатель с выходными клеммами инвертора, а другая выходная клемма дополнительного источника постоянного тока соединена с одной из входных клемм инвертора. The technical result is achieved by the fact that in a device for arc welding with bipolar rectangular current pulses, including the main and additional DC sources, as well as a thyristor inverter, the input of which is connected to the main source, and the output to the arc gap, an additional DC source of one of its output the terminal is connected via a switch to the output terminals of the inverter, and the other output terminal of the auxiliary DC source is connected to one of the input terminals of the invert pa.

Совместная работа основного и дополнительного источников питания постоянного тока протекает таким образом, что за один полный цикл работы инвертор основной источник питания формирует в сварочной цепи разнополярные прямоугольные импульсы тока равной амплитуды, а дополнительный источник генерирует в ней однополярные прямоугольные импульсы тока в пределах части рабочего цикла инвертора, соответствующей импульсу прямой или обратной полярности (в зависимости от положения переключателя). В результате суммирования импульсов, генерируемых основным и дополнительным источниками питания, кривая сварочного тока представляет собой асимметричные по амплитуде разнополярные импульсы тока прямоугольной формы. Величина импульсов тока прямой и обратной полярности задается настройкой основного и дополнительного источников постоянного тока, а длительность их устанавливается настройкой блока управления тиристорами инвертора. Таким образом, предлагаемое устройство дает возможность раздельного регулирования как деятельность, так и амплитуды импульсов тока прямой и обратной полярности, что позволяет осуществить более тонкую настройку оборудования и делает технологию сварки более гибкой. Это обеспечивает дополнительные возможности управления проплавляющей способностью дуги качеством катодной очистки свариваемой поверхности, позволяет повысить стойкость неплавящихся электродов. The joint operation of the main and additional DC power supplies proceeds in such a way that in one full cycle of operation, the inverter generates a bipolar rectangular current pulse of equal amplitude in the welding circuit, and an additional source generates unipolar rectangular current pulse within it within part of the inverter’s duty cycle corresponding to a pulse of direct or reverse polarity (depending on the position of the switch). As a result of the summation of the pulses generated by the primary and secondary power sources, the welding current curve is asymmetric in amplitude, bipolar current pulses of a rectangular shape. The magnitude of the current pulses of direct and reverse polarity is set by setting the primary and secondary DC sources, and their duration is set by setting the control unit of the inverter thyristors. Thus, the proposed device makes it possible to separately control both the activity and the amplitude of the current pulses of direct and reverse polarity, which allows for finer tuning of the equipment and makes the welding technology more flexible. This provides additional control over the arc's penetrating ability by the quality of the cathodic cleaning of the welded surface, and makes it possible to increase the resistance of non-consumable electrodes.

Проведенный заявителем анализ техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения. An analysis of the technique carried out by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information and identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, made it possible to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all the features of the claimed invention, and a definition from the list of identified analogues the prototype, as the closest in the totality of the features of the analogue, allowed us to identify the set of essential technology in relation to the applicant the result of the distinguishing features in the claimed object set forth in the claims.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству. Therefore, the claimed invention meets the requirement of "novelty" under applicable law.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники. To verify the conformity of the claimed invention to the requirements of the inventive step, the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify features that match the distinctive features of the claimed invention, the results of which show that the claimed invention does not follow explicitly from the prior art.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень". Therefore, the claimed invention meets the requirement of "inventive step".

На фиг. 1 представлена схема устройства, а на фиг. 2 - 5 - временные диаграммы тока в его элементах и кривая изменения тока дуги. In FIG. 1 shows a diagram of a device, and in FIG. 2 - 5 are time diagrams of the current in its elements and the curve of the arc current.

Устройство (фиг. 1) содержит тиристорный инвертор, включающий тиристоры 1 - 4, основной источник постоянного тока 5 и дополнительный источник постоянного тока 6, переключатель 7. The device (Fig. 1) contains a thyristor inverter, including thyristors 1 - 4, the main DC source 5 and an additional DC source 6, switch 7.

Выходные клеммы основного источника постоянного тока 5 соединены с входными клеммами 8, 9 инвертора. Клемма "минус" дополнительного источника постоянного тока 6 соединена через переключатель 7 с выходными клеммами 10, 11 инвертора. Клемма "плюс" дополнительного источника постоянного тока соединена с входной клеммой 8 инвертора. (Возможно и другое соединение дополнительного источника постоянного тока 6 с инвертором: клемма "плюс" - через переключатель 7 с клеммами 10, 11, а клемма "минус" - с клеммой 9). Выходная клемма 10 инвертора соединена с неплавящимся электродом 12, а выходная клемма 11 - со свариваемым материалом 13. The output terminals of the main DC source 5 are connected to the input terminals 8, 9 of the inverter. The minus terminal of the additional DC power source 6 is connected via a switch 7 to the output terminals 10, 11 of the inverter. The plus terminal of the auxiliary DC source is connected to the input terminal 8 of the inverter. (Another connection of the additional DC power source 6 to the inverter is also possible: the plus terminal is through switch 7 with terminals 10, 11, and the minus terminal is with terminal 9). The output terminal 10 of the inverter is connected to a non-consumable electrode 12, and the output terminal 11 is connected to the welded material 13.

Устройство приводится в рабочие состояние и работает следующим образом. The device is brought into working condition and works as follows.

Основой 5 и дополнительный 6 источники постоянного тока подключаются к световому напряжению и настраиваются на заданные значения тока импульсов прямой и обратной полярности. Перемычка переключателя 7 устанавливается в положение "m", если требуется большее значение тока в импульсах обратной полярности. Соответствующие такому подключению временные диаграммы тока, протекающие через тиристоры 1 - 4 от основного источника питания приведены на фиг. 2. На фиг. 3 представлены диаграммы тока через тиристоры 1, 4 до дополнительного источника питания, а на фиг. 4 - диаграммы суммарного тока через тиристоры 1 - 4. Диаграмма измерения тока дуги изображена на фиг. 5. Base 5 and optional 6 DC sources are connected to the light voltage and are tuned to the specified current values of the pulses of direct and reverse polarity. The jumper of the switch 7 is set to the position "m" if a larger current value is required in pulses of reverse polarity. The current time diagrams corresponding to such a connection flowing through thyristors 1-4 from the main power supply are shown in FIG. 2. In FIG. 3 is a diagram of the current through the thyristors 1, 4 to an additional power source, and FIG. 4 is a diagram of the total current through thyristors 1 to 4. A diagram for measuring the arc current is shown in FIG. 5.

Пусть в момент времени t₁ открыты тиристоры 1 и 3, через которые, а также через дуговой разряд, протекает ток от основного источника питания 5 (фиг. 2). При этом ток дополнительного источника 6 будет протекать через открытый тиристор 1 (фиг. 3) и электрическую дугу, а величина тока в импульсе тока дуги обратной полярности будет равна сумме токов нагрузки основного 5 и дополнительного 6 источников постоянного тока (фиг. 5).Let thyristors 1 and 3 open at time t ₁ , through which, as well as through an arc discharge, current flows from the main power source 5 (Fig. 2). In this case, the current of the additional source 6 will flow through the open thyristor 1 (Fig. 3) and the electric arc, and the current in the pulse of the arc current of the reverse polarity will be equal to the sum of the load currents of the main 5 and additional 6 DC sources (Fig. 5).

К моменту времени t₂ после завершения коммутирующих процессов (узлы коммутации на фиг. 1 не показаны), отпираются тиристоры 2 и 4, через которые протекает ток от основного источника питания 5 (фиг. 2). При этом ток дополнительного источника постоянного тока 6 протекает через тиристор 4, минуя дуговой промежуток. Величина этого тока равна величине тока короткого замыкания вторичной цепи дополнительного источника постоянного тока 6 и больше тока, протекающего от дополнительного источника питания 6 через тиристор 1 в период времени t₁ - t₂ (фиг. 3). Величина тока дуги в импульсе прямой полярности (интервал t₂ - t₃) равна току нагрузки основного источника постоянного тока 5 (фиг. 5).By the time t ₂ after completion of the switching processes (switching nodes in Fig. 1 are not shown), thyristors 2 and 4 are unlocked, through which current flows from the main power source 5 (Fig. 2). In this case, the current of the additional DC source 6 flows through the thyristor 4, bypassing the arc gap. The magnitude of this current is equal to the magnitude of the short circuit current of the secondary circuit of the additional DC power source 6 and more than the current flowing from the additional power source 6 through the thyristor 1 for a period of time t ₁ - t ₂ (Fig. 3). The magnitude of the arc current in a pulse of direct polarity (interval t ₂ - t ₃ ) is equal to the load current of the main DC source 5 (Fig. 5).

Если предполагается выполнять сварку дугой с равными по амплитуде токами в импульсах прямой и обратной полярности, перемычка 7 устанавливается в нейтральное положение "n". При этом величина тока дуги в импульсе прямой и обратной полярности будет равна току нагрузки основного источника постоянного тока 5 (фиг. 2). If you plan to perform arc welding with equal amplitude currents in pulses of direct and reverse polarity, jumper 7 is set to the neutral position "n". In this case, the magnitude of the arc current in the pulse of direct and reverse polarity will be equal to the load current of the main DC source 5 (Fig. 2).

Если требуются большие значения тока в импульсах прямой полярности, перемычку переключателя 7 следует установить в положение "p". При этом ток дополнительного источника 6 на прямой полярности будет протекать через открытый в этот момент тиристор 4 и дуговой промежуток, а на обратной полярности, минуя дугу, через открытый в этот момент тиристор 1. В первом случае величина тока дуги в импульсах прямой полярности будет равна сумме токов нагрузки основного 5 и дополнительного 6 источников постоянного тока, а в импульсах обратной полярности - току нагрузки основного источника постоянного тока 5. If large current values are required in pulses of direct polarity, the jumper of switch 7 should be set to position "p". In this case, the current of the additional source 6 on the direct polarity will flow through the thyristor 4 and the arc gap open at this moment, and on the reverse polarity, bypassing the arc, through the thyristor 1 open at this moment. In the first case, the arc current in the pulses of direct polarity will be equal to the sum of the load currents of the main 5 and additional 6 DC sources, and in reverse polarity pulses, to the load current of the main DC source 5.

Сварочная дуга возбуждается любым из известных способов, а по окончании сварки гасят путем отключения устройства от сети, или любым другим известным способом. The welding arc is excited by any of the known methods, and when welding is completed, they are extinguished by disconnecting the device from the network, or by any other known method.

При сварке тонколистовых материалов следует применять вариант, согласно которому величина тока дуги меньше в импульсах прямой полярности (перемычка переключателя 7 должна находится в положении "m"). При этом проплавляющая способность дуги меньше, что снижает вероятность прожогов и повышает качество сварки тонколистовых материалов. В то же время дуга будет достаточно устойчивой вследствие сравнительно большой величины тока в импульсах обратной полярности. Кроме того, при таком соотношении токов в импульсах прямой и обратной полярности обеспечивает хорошие условия для катодной очистки алюминиевых материалов от окисной пленки, что при сварке тонколистовых заготовок имеет первостепенное значение. When welding sheet materials, an option should be applied according to which the arc current is smaller in pulses of direct polarity (jumper switch 7 should be in position "m"). At the same time, the penetrating ability of the arc is less, which reduces the likelihood of burn-throughs and improves the quality of welding of sheet materials. At the same time, the arc will be quite stable due to the relatively large current in pulses of reverse polarity. In addition, with this ratio of currents in pulses of direct and reverse polarity, it provides good conditions for the cathodic cleaning of aluminum materials from oxide film, which is of paramount importance when welding thin-sheet blanks.

При сварке тонколистовых заготовок, когда необходима большая проплавляющая способность дуги, следует применять вариант, согласно которому величину тока дуги меньше в импульсах прямой полярности (перемычка переключателя должна быть в положении "p"). Тем самым увеличивается производительность сварки и повышается допустимая токовая нагрузка на неплавящийся электрод. When welding thin-sheet blanks, when a large penetrating ability of the arc is required, an option should be used according to which the magnitude of the arc current is less in pulses of direct polarity (the jumper of the switch should be in the "p" position). This increases the productivity of welding and increases the permissible current load on the non-consumable electrode.

Испытания разработанного устройства показали следующее. Tests of the developed device showed the following.

Сварочная дуга легко возбуждается и устройство горит во всем диапазоне изменений длительности (в опытах от 1 до 20 ms) и величины тока (в опытах от 20 до 300 А) импульсов прямой и обратной полярности. Величина тока регулируется в указанных пределах независимо в импульсах как прямой, так и обратной полярности посредством соответствующей настройки основного и дополнительного источников постоянного тока (5 и 6). Применение предлагаемого устройства при сварке тонколистовых алюминиевых сплавов позволяет практически полностью исключить прожоги и, тем самым, повысить качество сварных соединений, и при сварке толстолистовых алюминиевых материалов обеспечивает увеличение глубины проплавления, стойкости неплавящегося электрода и производительности процесса. The welding arc is easily excited and the device burns over the entire range of changes in the duration (in experiments from 1 to 20 ms) and the current value (in experiments from 20 to 300 A) of direct and reverse polarity pulses. The current value is regulated within the specified limits independently in pulses of both direct and reverse polarity by appropriate settings of the main and additional DC sources (5 and 6). The use of the proposed device when welding thin-sheet aluminum alloys allows almost completely eliminating burns and, thereby, improving the quality of welded joints, and when welding thick-sheet aluminum materials provides an increase in the penetration depth, resistance of the non-consumable electrode and the productivity of the process.

Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий: средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в области сварки, преимущественно алюминия и его сплавов;
для заявляемого изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в сварке средств;
средство, воплощающее заявляемое изобретение при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.The above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the invention: the tool embodying the claimed invention in its implementation is intended for use in industry, namely in the field of welding, mainly aluminum and its alloys;
for the claimed invention in the form described in the claims, the possibility of its implementation using the means described above in welding has been confirmed;
the means embodying the claimed invention in its implementation is capable of ensuring the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленное изобретения соответствует требованию "промышленная применимость". Therefore, the claimed invention meets the requirement of "industrial applicability".

Claims

A device for arc welding with bipolar rectangular current pulses, including the main and additional DC sources, as well as a thyristor inverter, the input of which is connected to the main source, and the output to the arc gap, characterized in that the additional DC source of one of its output terminals is connected through a switch with the output terminals of the inverter, and the other output terminal of the auxiliary DC source is connected to one of the input terminals of the inverter.