Перспективы развития источников питания дуговой сварки для отечественного судостроения

УДК 621.9.048.7

М.В. Карасёв, Д.Н. Работинский, Л.Г. Черкасова, К.А. Павлов, А.Е. Беляев, Н.А. Стешенкова

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ ДЛЯ ОТЕЧЕСТВЕННОГО СУДОСТРОЕНИЯ

В СССР и России на предприятиях судостроения в качестве источников питания для дуговой сварки плавящимся электродом в защитных газах традиционно применяется гамма различного сварочного оборудования.

В современной России существует огромный выбор различного сварочного оборудования для дуговой сварки, но никто за последние годы не подвергал типы этого оборудования системному анализу на предмет применимости в типовых технологических процессах на судостроительных предприятиях. В настоящей статье предлагается классифицировать применяемое сварочное оборудования, разделив ее на шесть условных групп, и на основе этой классификации определить дальнейшие пути применения каждой из групп в отечественном судостроении. Работа весьма актуальна и представляет интерес для технологов предприятий судостроения, которым принимать решения по обоснованному применения различных установок для сварки плавящимся электродом в защитных газах.

Одним из первых и самым популярным сварочным выпрямителем тиристорного типа в России был ВДУ-506. Он применялся, как правило, с механизмом подачи сварочной проволоки ранцевого типа «Гранит». Разработан во ВНИИЭСО в 80-е годы. Выпрямитель ВДУ-506 был разработан исходя из идеологии сварки в защитных газах, наиболее распространенной в те годы. Так как в основном использовалась сварочная проволока типа Св-08Г2С диаметром 2,0 мм, а в качестве защитного газа применялся углекислый газ, то конструкция сварочного выпрямителя была рассчитана на большой сварочный ток (более 400 А) и имела регулируемый дроссель, который изменял свою индуктивность в зависимости от стадии каплепереноса электрод-

ного металла (наиболее эффективной была регулировка дросселя на токах до 100 А).

Установка ВДУ-506 была целевой, предназначенной для сварки на больших токах дуги и диаметрах сварочной проволоки, поэтому динамические свойства этого выпрямителя невысоки, и в конце 90-х годов, когда проявилась тенденция к снижению сварочного тока и уменьшению диаметра сварочной проволоки, а также к использованию смесей газов при сварке, применение их стало ограниченным.

На ОАО «Сэлма» аналогичные установки выпускаются до сих пор под названием ВДУ-506С. Импортный аналог — выпрямитель LAW-520 фирмы «Е8АБ», Швеция.

Примерно в эти же годы в промышленности активно применялся сварочный выпрямитель типа ВС- 632 для механизированной сварки разработки ИЭС им. Е. Патона. В судостроительной промышленности применение этого типа выпрямителя было ограниченным, так как рабочий ток дуги был еще выше, чем у выпрямителя ВДУ-506. Выпрямитель был выполнен конструктивно очень просто. Регулировка тока дуги осуществлялась за счет ступенчатого изменения напряжения. Дроссель был неуправляемый, поэтому каждый тип такого выпрямителя для получения оптимальных сварочных свойств был рассчитан на определенный диапазон тока дуги.

С учетом опыта использования выпрямителей ВС-632 впоследствии была разработана гамма сварочных выпрямителей со ступенчатой регулировкой тока дуги, таких, как Кетрс№еЫ (Финляндия), Esabmig (Швеция), Уаг^1аг (Австрия), ВС-300, 4020, 600, ИТС (Россия) и выпрямители многих других фирм.

Высокие сварочные свойства этих выпрямителей достигаются за счет тщательно подобранных индуктивностей трансформатора и дроссе-

ля в определенном диапазоне сварочного тока. Эти сварочные установки вместе с подающими механизмами ранцевого типа («Адмиралтеец», ПДГ-322 и др.) до сих пор широко используются в российском судостроении на таких предприятиях, как «Адмиралтейские верфи» (Санкт-Петербург), ЦСС «Звездочка» (Северодвинск) и многих других. Основной диаметр сварочной проволоки составляет 1,2 мм, ток дуги — не более 300 А. Их главными положительными чертами являются высокая ремонтопригодность и простота в обслуживании. Недостаток — высокие требования к точности поддержания сварочного режима. В последнее время появились сварочные установки такого типа с элементами синергетики (ВС-450 и др.).

В конце 90-х годов на предприятиях судостроения стали активно применяться универсальные тиристорные сварочные выпрямители типа ВД-506ДК и ВДУ-511, разработанные в ЗАО НПФ «ИТС». Ближайший импортный аналог — тиристорный сварочный выпрямитель типа DC-400 (IDEAL ARC) фирмы «Lincoln Electric» (США). Конструктивной особенностью этих сварочных установок является использование дополнительного маломощного источника питания (дополнительный дроссель у ВД-506ДК или батарея конденсаторов у ВДУ-511), которые разряжаются на дуговой промежуток в момент его замыкания. Благодаря этому процесс сварки в значительной степени стабилизируется и требования к поддержанию точности сварочного режима снижаются. Эти выпрямители обеспечивают работу в широком диапазоне изменения сварочного тока и напряжения, позволяют выполнять сварку всех слоев сварного шва, включая корневой, с формированием обратного валика на весу во всех пространственных положениях. В основном применяется сварочная проволока сплошного сечения и порошковая диаметром 1,2 и 1,6 мм. Источники в судостроении применяются с механизмами подачи сварочной проволоки (типа ПДГ-322М и «Адмиралтеец»). Наиболее активно указанные источники применяются на ОАО «Севмаш», где они составляют основу парка сварочной техники.

Инверторные источники питания для дуговой сварки активно применяются на предприятиях

Металлургия и материаловедение -

судостроения с 90-х годов. Наиболее активно использовались источники финской фирмы «Kemp-pi». Отечественные инверторные источники питания, отвечающие требованиям судостроения, до недавнего времени не производились.

Конверторные источники для сварки стали активно применяться в конце 90-х годов. Основное отличие конверторных источников от любых других сварочных источников питания — в том, что электрическое питание сварочных конверторов осуществляется от традиционных электрических шин напряжением постоянного тока 50—90 В, которые традиционно прокладываются по судну при его строительстве или ремонте. Это позволяет обеспечить требования безопасности при сварочных работах в помещениях с повышенной опасностью и минимизировать массогабаритные показатели сварочной техники. Для сварочных конверторов типовыми является несущая частота 19—21 кГц и использование IJBT-модулей. На рис. 1 приведены схема использования сварочных конверторов для ручной дуговой сварки и общий вид сварочных конверторов.

Используемые сварочные конверторы по типу питания можно условно разделить на два вида: сетевые (для работы от сетевого напряжения 380 В, 50 Гц) и конверторы, питающиеся от низковольтных шин постоянного тока.

Если преимущества сварочных конверторов, питающиеся от низковольтных шин, по сравнению с любыми другими источниками очевидны, то использование сетевых сварочных конверторов и электрического питания от стандартной электрической сети также имеет преимущества по сравнению с любыми источниками питания — к ним относится нечувствительность к броскам напряжения в заводской сети (в отличие от инверторных сварочных источников) и отсутствие негативного влияния на питающую электрическую сеть по сравнению опять же со сварочными инверторами.

Недостаток сетевых сварочных конверторов — их массогабаритные показатели, которые больше, чем у сварочных конверторов группы 4, но меньше, чем у традиционных сварочных установок (группы 1—3).

Впервые в России работы по созданию сварочных конверторов начались в ЗАО НПФ

а)

Рис. 1. Схема включения сварочных конверторов

«ИТС». Создана и промышленно освоена гамма сварочных конверторов КСУ-320 (серия 06 и се -рия 01—10) и КСУ-500 для ручной дуговой и механизированной сварки, КСС-50ТИГ — для аргонодуговой сварки титана и его сплавов, а также сетевые сварочные конверторы: ВДУ-1500 для автоматической сварки под слоем флюса с подачей ультразвука в область сварочной ванны; ВД-320КС (серия 03 и серия 01-10) и ВД-500КС для ручной дуговой, аргонодуговой и механизированной сварки.

В 2012 году на серийное производство поставлены новые конверторные источники КСУ-320 (серия 01-10), КСУ-500, а также сетевые конверторы ВД-320КС (серия 01-10) и ВД-500КС со значительно улучшенными характеристиками по механизированной сварке в защитных газах.

Основные потребители этих установок — ОАО «Севмаш» (более 400 сварочных конверторов) и ЦСС «Звездочка».

а)

Ток

26.16' 25.40 26.60 26 .SO 27.00 2:7.20 27.40 27.60 оек.

За рубежом наибольшие достижения по проектированию сварочных конверторов у фирм «Esseti» (Италия) и «Lincoln Electric» (США).

При выпуске новых конверторов КСУ-320, ВД-320КС, КСУ-500 и ВД-500КС использованы следующие основные схемные решения и подходы:

1. Конверторы КСУ-320 и сетевые конверторы ВД-320 КС выполнены с цифровой схемой управления. Технологическая модернизация этих установок будет осуществляться заменой микрочипа в их схеме управления. Имеют два мощных микропроцессора. На одном из них реализованы процессы ручной дуговой и арогоно-дуговой сварки, а также динамическое управление процессом механизированной сварки в защитных газах, на втором микропроцессоре — стабилизация напряжения в режиме механизированной сварки в защитных газах и ограничение тока короткого замыкания.

2. Конверторы КСУ-500 и ВД-500КС выполнены с аналоговой системой управления. Тех-

б)

Рис. 2. Осциллограммы сварочного тока при многопостовой сварке с использованием балластных реостатов

Металлургия и материаловедение ^

нологическая модернизация этих источников будет производиться заменой платы управления источниками.

3. Все конверторы выполнены с блоком снижения напряжения при ручной дуговой сварке, имеют эффективное регулирование индуктивности сварочной цепи.

На рис. 3 показан общий вид сетевых сварочных конверторов типов ВД-320КС (серия 01-10) и ВД-500КС.

Инверторные сварочные установки ВДУ-508 «Пионер» резонансного типа с адаптивными сварочными трансформаторами — новая для России ступень в развитии сварочных инверторов.

В ЗАО НПФ «ИТС» разработка этой установки велась последние три года. Указанная схема сварочной установки была выбрана исходя из того, что, как показали наши работы последних лет, выпуск инверторной сварочной техники по лицензии зарубежных компаний не представляется перспективным, так как стоимость такого производства дешевле стоимости оригинальных установок не более, чем на 10 %, и имеются серьезные ограничения по их доработке и адаптации к российским условиям.

Кроме того, фирма-производитель оказывается жестко привязанной к поставкам комплектующих изделий конкретного производителя. На примере многих других российских фирм очевидна неперспективность такого подхода.

Поэтому был взят курс на собственную разработку. За базу были выбраны некоторые сварочные инверторные источники питания веду-

щих мировых фирм. При этом очень важным критерием был принцип невысокий цены и возможность достижения максимальных сварочных свойств новых установок по сравнению с ведущими мировыми сварочными фирмами-производителями.

Другим принципом при разработке новых инверторных сварочных установок была максимальная адаптация элементной базы и схемных решений с новыми конверторными источниками (группа 5), чтобы обслуживание их на предприятиях вела одна группа специалистов.

Схемотехнически инверторы ВДУ-508 «Пионер» построены на основе резонансного преобразования с коммутацией силовых ключей в ноле тока (2С8).

Источник характерен тем, что при коротком замыкании дугового промежутка (сварка в среде С02) или резком повышении тока (сварка в смеси Лг-С02) происходит увеличение собственной резонансной частоты сварочного контура, что при неизменной несущей частоте задающего генератора преобразователя частоты ведет к ограничению тока короткого замыкания и уменьшению разбрызгивания.

На рис. 4 приведены для сравнения блок-схемы традиционных инверторных источников, инверторных источников резонансного типа и конверторных сварочных источников.

На рис. 4 используются следующие условные обозначения: 1 — сетевой фильтр, блокирующий входную ВЧ помеху; 2 — силовой выпрямитель; 3 — ключи ВЧ коммутации; 4 — блок питания системы управления; 5 — система управления; 6 — резонансная цепь.

Рис. 3. Общий вид сетевых сварочных конверторов ВД-320КС

б)

Сеть 3Ю80У

и

^Сф2 СфЗ |

Т Т I

у.

-I-4-

_[сф4 I

14

[

[

-------, ,

5 II

г----. !

! =Л

РББ PWM

4

-1

I-

Ср 1.р

II ~

Сварочная цепь

1

в)

Рис. 4. Блок схемы традиционных сварочных инверторов (а), сварочных инверторов резонансного типа (б) и сварочных конверторов (в).

Конверторы (чопперы) являются непосредственными преобразователями постоянного тока в постоянный, предполагают работу при низких (допустимых ПУЭ) напряжениях питания и потому не обладают факторами снижения надежности, свойственным инверторам; кроме того, безопасны в эксплуатации

Металлургия и материаловедение -

Быстродействие резонансного контура в силовой цепи намного превышает быстродействие, которое можно получить при помощи электронных схем управления, поэтому динамика отслеживания процесса переноса капель электродного металла у резонансных инверторов выше, как выше и стабильность процесса сварки.

Особенностью конструкции линии инверторов ВДУ-508 «Пионер» является и применение нанокристаллического магнитопровода высокочастотного трансформатора (материал, аналогичный магнитопроводам «Гаммамет»). Материал представляет собой известный железо-никелевый сплав «пермаллой», но последний способен работать с рабочей индукцией 0,8 Тл на частотах до 5 кГц, а измельчение кристаллической структуры сплава до «нано» уровня позволило поднять частоту с тем же значением рабочей индукции до 30 кГц, а с индукцией 0,6 Тл — до 50 кГц. Он сохраняет свои магнитные свойства при нагреве.

Улучшение свойств объясняется снижением затрат энергии (снижение значения коэрцитивной силы — уменьшение ширины петли гистерезиса) на перемагничивание доменных областей кристаллической структуры сплава. Указанное свойство позволяет применять относительно низкочастотные ЮБТ и М08БЕЕТ

модули, уже находящиеся в серийном производстве. Это делает сварочные инверторы «Пионер» конкурентоспособными на всех рынках продукции группы.

Как следует из анализа блок-схем построения сварочных инверторов традиционного и резонансного типа, различие между этими схемами связано с наличием резонансного контура 6, включающего дроссель, конденсатор и обмотку трансформатора. Этот контур подлежит настройке по резонансной частоте.

На наш взгляд, основное достоинство созданной новой линейки сварочной техники — в том, что, наряду с высокими технологическими свойствами новых установок (конверторных, сетевых конверторных и инверторных), они отвечают всем требованиям отечественного судостроения по части максимальной близости элементной базы и схемных решений. Это позволяет производить обслуживание всех новых установок силами одной группы специалистов.

В таблице приведены основные технические характеристики инверторных сварочных источников типа ВДУ-508 «ПИОНЕР», сварочных конверторов типа КСУ-320 (серия 01—10), КСУ-500, сетевых сварочных конверторов ВД-320КС (серия 01-10) и ВД-500КС.

Основные технические характеристики новой сварочной техники

Наименование источника Режимы работы Диапазон регулирования сварочного тока, А Диапазон регулирования сварочного напряжения, В Схема выпрямления тока Схема управления Масса, кг

КСУ-320 (серия 01-10) ММА, МИГ 60-320А 290А-ПВ100 % - Конвертор Цифровая, 19-21 кГц 13

КСУ-500 50-500А 400А-ПВ100 % - Аналоговая, 19-21 кГц 26

ВД-320КС (серия 01-10) ММА, МИГ, ТИГ 60-320А 290А-ПВ100 % 15-32 Цифровая, 19-21 кГц 75

ВД-500КС 50-500А 400А-ПВ100 % 15-34 Аналоговая, 45Кгц (Пионер), 19-21 кГц (ВД-500КС_ 115

ВДУ-508 «Пионер» 50-500А 400А-ПВ100 % 15-32 Инвертор 50

Приведенная классификация показывает, что дальнейшее развитие применения сварочной техники в судостроении пойдет в жесткой конкуренции между сварочными установками 4-й, 5-й и 6-й групп (инверторные и конверторные источники). Самый серьезный вопрос здесь — наличие специалистов по техническому обслуживанию сварочных установок. Далеко не на всех предприятиях произведена подготовка таких специалистов. Следует отметить, что для эффективного применения таких сварочных установок требуются хорошие электрические сети.

Сварочные установки 3-й группы, вероятнее всего, уйдут с рынка судостроения сами по себе из-за высокой себестоимости, вызванной их высокой материалоемкостью. Однако этот переход следует выполнять очень осторожно, так как на всех предприятиях судостроения уже имеются подготовленные группы специалистов для технического обслуживания именно этой группы установок.

Сварочные установки 2-й группы останутся незыблемыми на рынке судостроения из-за необходимости иметь в судостроении предельно ремонтопригодную технику. Обслуживание этой техники не вызывает вопросов и не требует специальной подготовки специалистов.

Сварочные установки 1-й группы останутся только в некоторых областях рынка судостроения, где требуется простая и высокопроизводительная сварка при минимальных требованиях к свойствам сварного шва.

Итак, основные выводы нашего исследования:

Представлена классификация источников питания для дуговой сварки в судостроении, содержащая шесть условных групп сварочных источников. На основании этой классификации определены направления работ по созданию новой дуговой техники, произведена разработка и освоено промышленное производство новой для России линейки сварочных источников ин-верторного и конверторного типов.

В области конверторных сварочных источников, предназначенных для питания от шино-проводов низкого напряжения (45-90 В), на рынок судостроения представлены новые источники — КСУ-320 (серия 01-10) и КСУ-500, основное отличие которых от конверторных

источников предыдущих версий заключается в новой компоновке, адаптированной к требованиям судостроения и наличию режимов высококачественной механизированной сварки плавящимся электродом в защитных газах. Новые источники успешно заменят старые конверторные источники при сварке на стапелях и в конструкциях на плаву.

В области сетевых сварочных конверторов, предназначенных для питания от стандартной электрической сети 380 В, 50 ГЦ, на рынок судостроения представлены новые универсальные источники ВД-320КС (серия 01-10) и ВД-500КС, основные отличия которых от аналогичных источников предыдущих версий заключаются в наличии режимов высококачественной механизированной сварки плавящимся электродом в защитных газах и адаптация к аргоно-дуговой сварке титана и его сплавов с помощью блока БУ-ТИГ. Новые источники успешно заменят старые для работы в условиях скачков напряжений питания электрических сетей и изношенности электрических сетей на стапелях и в промышленных цехах.

В области инверторных сварочных источников на рынок судостроения представлен новый универсальный инвертор резонансного типа ВДУ-508 «Пионер», который по своим сварочным свойствам способен успешно конкурировать с зарубежными инверторными установками для дуговой сварки. Предназначен для эксплуатации в условиях цехов промышленных предприятий.

Все новые источники питания адаптированы для эксплуатации в России по климатическим условиям, характеристикам отечественных электрических сетей, техническому обслуживанию. Все новые источники, независимо от принципа их работы (инвертор, конвертор), имеют схожие схемные решения и элементную базу, что позволяет существенно повысить эффективность их технического обслуживания. Благодаря этому принципу, новая линейка сварочных источников не имеет равных в мировой практике.

Производство новых источников питания осуществляется в условиях производственной кооперации на предприятиях, входящих в группу «ИТС», а именно: на ОАО «Сэлма» (Симферополь), ОАО «Эсва» (Калининград) и ЗАО НПФ «ИТС» (Санкт-Петербург).