УНИВЕРСАЛЬНЫЙ АГРЕГАТ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ И ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ

Полезная модель относится к технологии дуговой сварки плавящимся электродом, в частности к универсальным источникам тока, обеспечивающим различные способы сварки (ручная покрытым электродом, полуавтоматическая в защитном газе, полуавтоматическая порошковой проволокой) и плазменной резки. Полезная модель может использоваться при выполнении монтажных и ремонтных работ на магистральных трубопроводах и при изготовлении металлоконструкций в отсутствии электрических и пневматических сетей.
Известен сварочный тиристорный выпрямитель [патент РФ 44074, В23К 9/00, оп. 27.02.2005 г]. Выпрямитель имеет основную силовую цепь, состоящую из автоматического выключателя, трехфазного понижающего трансформатора, тиристорного выпрямительного блока и сглаживающего дросселя, и вспомогательную силовую цепь (подпитку), состоящую из магнитного пускателя, диодного выпрямительного блока и балластного реостата, а также микропроцессорную систему управления, на вход которой подаются сигналы от устройства задания тока и напряжения, от датчиков сварочного тока и напряжения, от датчиков вентиляции и температуры. Микропроцессорная система управления формирует комбинированные внешние характеристики для каждого из способов сварки: с крутопадающим основным участком для ручной сварки покрытым электродом, с жестким участком - для полуавтоматической сварки, с вертикальнопадающим участком - для аргонодуговой сварки. Микропроцессорная система управления обеспечивает также выполнение специальных функций. При ручной сварке - это начальное ограничение напряжения холостого хода, горячий пуск, защита от прилипания, форсирование дуги. При полуавтоматической сварке - это горячий пуск и отсечка максимального
тока.
Основные достоинства данного выпрямителя - это широкая универсальность по способам сварки и высокие сварочные свойства. К его недостаткам относятся малая мобильность, связанная с необходимостью питания от трехфазной электрической сети, а также отсутствие функции плазменной резки, особенно необходимой в монтажных полевых условиях.
Известен также автономный источник - универсальный сварочный агрегат Vantage 500 (проспект фирмы Lincoln Electric, США, 2005 г.). В его состав входят дизельный двигатель, синхронный генератор переменного тока, диодный выпрямительный блок и транзисторный преобразователь (чоппер). Независимость от электрической сети ему придает дизельный двигатель, а широкие возможности управления гарантирует транзисторный преобразователь с микропроцессором. Микропроцессор формирует универсальные внешние характеристики и обеспечивает специальные функции для следующих способов сварки: ручная покрытыми электродами разных марок, в том числе специализированных для сварки трубопроводов, полуавтоматическая любыми типами проволок, в том числе порошковой, аргонодуговая сварка с контактным зажиганием дуги, а также для воздушно-дуговой строжки. Для обеспечения функции плазменной резки имеется вспомогательная цепь питания переменным током напряжением 240 В мощностью 20 кВт, к которой могут быть подключены небольшие инверторные установки для плазменной резки.
Главное достоинство универсального сварочного агрегата - высокая мобильность, позволяющая использовать его автономно при сварке на монтаже и ремонте металлоконструкций, и высокие сварочные свойства. Недостатком является трудность приспособления агрегата для целей плазменной резки, поскольку это требует дополнительного укомплектования специализированным инверторным источником и компрессором.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению (прототип) является автономная дизель-генераторная установка для сварки и
резки металла (патент РФ 28456 оп. 27.03.2003 г.). Установка выполнена на шасси автомобильного прицепа и содержит двигатель внутреннего сгорания, связанный механически через муфту с генератором переменного тока. Выводы обмоток генератора переменного тока соединены через блок коммутации с выпрямительным блоком. Установка содержит блок контроля и регулирования сварочного тока и регулятор тока резки. Двигатель внутреннего сгорания также механически связан с компрессором, образующим вместе с ресивером, элементами очистки и контроля параметров цепь сжатого воздуха. Далее воздух из цепи сжатого воздуха подается через кабель-шланг в плазматрон для резки.
Мобильность установке придает ее размещение на шасси автомобильного прицепа, автономность обеспечивает дизельный двигатель с генератором переменного тока, а независимость от сети сжатого воздуха - цепи сжатого воздуха с компрессором. Главным достоинством является возможность как сварки, так и плазменной резки металла. Основной недостаток установки - недостаточная универсальность по способам сварки, поскольку на монтаже кроме традиционной ручной сварки покрытым электродом стало необходимо выполнять также полуавтоматическую сварку. Еще один недостаток - отсутствие гибких программируемых средств и специальных устройств для адаптации сварочных характеристик источника к новым маркам электродов и проволок.
Задачей полезной модели является разработка автономного источника энергии, предназначенного для монтажа и ремонта трубопроводов и металлоконструкций в полевых условиях, обладающего широкой универсальностью по видам технологического процесса (сварка, плазменная резка, вспомогательные операции, выполняемые с помощью электро- и пневмоинструмента), по способам сварки (ручная покрытым электродом, полуавтоматическая плавящимся электродом), по используемым сварочным материалам (электроды с разными типами покрытия, сплошная и порошковая проволока, инертные и активные газы).
Задача решается тем, что в универсальный агрегат для дуговой сварки и плазменной резки, включающий двигатель внутреннего сгорания, механически связанный с синхронным генератором переменного тока, выход которого соединен с входом основной силовой цепи, содержащей переключатель, выпрямительный блок и дроссель, блок управления и цепь сжатого воздуха, механически связанную с двигателей внутреннего сгорания, выход основной силовой цепи и выход цепи сжатого воздуха связаны соответственно с электрическими и пневматическими органами рабочего инструмента, дополнительно введены цепь подпитки, цепь питания дежурной дуги и цепь питания электроприводов, при этом переключатель, тиристорный выпрямительный блок и дроссель основной силовой цепи выполнены управляемыми, а блок управления выполнен на основе микропроцессорного регулятора, первый управляющий выход которого соединен с управляемым входом цепи подпитки, второй управляющий выход соединен с управляемым входом цепи питания дежурной дуги, третий управляющий выход соединен с управляемым входом переключателя, четвертый управляющий выход соединен с управляемым входом тиристорного выпрямительного блока, пятый управляющий выход соединен с управляемым входом дросселя, шестой управляющий выход соединен с управляемым входом цепи сжатого воздуха, выход цепи подпитки соединен со вторым входом дросселя, выход основной силовой цепи через датчик тока соединен с первым входом панели внешних зажимов, выход цепи питания дежурной дуги соединен со вторым входом панели внешних зажимов, выход цепи питания электроприводов соединен с третьим входом панели внешних зажимов, а выход цепи сжатого воздуха соединен с пневмовходом панели внешних зажимов, при этом выходы панели внешних зажимов, выполнены с возможностью подключения электрических и пневматических органов рабочего инструмента, измерительный выход датчика тока соединен с первым измерительным входом микропроцессорного регулятора, а измерительный выход панели внешних зажимов через датчик напряжения
соединен со вторым измерительным входом микропроцессорного регулятора.
Микропроцессорный регулятор позволил реализовать комбинированные внешние характеристики и специальные функции.
Использование управляемого тиристорного выпрямительного блока в сравнении с применявшимся ранее регулированием по возбуждению генератора ускорило переходные процессы, повысило точность настройки и расширило пределы плавного регулирования
При этом цепь подпитки, содержащая последовательно соединенные первый магнитный пускатель, первый диодный выпрямительный блок и первый балластный реостат, включена параллельно основной силовой цепи и обеспечивает для заполнения пауз тока между включениями тиристоров, что повышает устойчивость сварочного и резательного процесса.
Цепь питания дежурной дуги, содержащая последовательно соединенные второй магнитный пускатель, второй диодный выпрямительный блок, второй балластный реостат и осциллятор, предназначена для возбуждения и поддерживания дежурной дуги между электродом и соплом плазматрона в дежурном режиме работы.
Цепь питания электроприводов содержит последовательно соединенные вспомогательный генератор и блок питания и предназначена для питания устройства подачи сварочной проволоки при полуавтоматической сварке.
Цепь сжатого воздуха содержит последовательно соединенные компрессор, ресивер сжатого воздуха влаго-маслоотделитель, реле давления и управляемый клапан и служит источником сжатого воздуха, необходимого при плазменной резке и работе пневмоинструмента.
Детальное изложение устройства и принципа действия универсального агрегата иллюстрировано следующими чертежами и рисунками:
На фиг.1 представлена блок-схема агрегата;
на фиг.2 - внешние характеристики агрегата в режиме ручной сварки покрытым электродом;
на фиг.3 - внешние характеристики агрегата в режиме
полуавтоматической сварки порошковой проволокой;
на фиг.4 - внешние характеристики агрегата в режиме плазменной резки;
на фиг.5 - осциллограммы тока и напряжения в режиме ручной сварки покрытым электродом;
на фиг.6 - осциллограммы тока и напряжения в режиме полуавтоматической сварки порошковой проволокой.
Универсальный агрегат для дуговой сварки и плазменной резки (фиг.1) содержит двигатель внутреннего сгорания 1, который механически связан с синхронным генератором 2, компрессором 3 и вспомогательным генератором 4. Синхронный генератор 2 имеет три трехфазные секции обмоток: основную силовую секцию обмоток, выводы которой связаны с первым выходом синхронного генератора, дополнительную секцию обмоток, выводы которых связаны соответственно со вторым выходом и вспомогательную секцию обмоток, выводы которой связаны с третьим выходом. Первый выход синхронного генератора 2 (выводы основной силовой обмотки) соединен с входом переключателя "сварка-резка" 5, выход которого через последовательно соединенные тиристорный выпрямительный блок 6, дроссель 7 и датчик тока 8 подключен к первому входу панели внешних зажимов 9. Основные силовые обмотки генератора 2, переключатель "сварка-резка" 5, тиристорный выпрямительный блок 6 и дроссель 7 образуют основную силовую цепь 10. Переключатель 5, тиристорный выпрямительный блок 6 и дроссель 7 выполнены управляемыми и каждый из них имеет соответствующий управляемый вход. Тиристорный выпрямительный блок 6 выполнен по схеме трехфазного мостового выпрямления. Переключатель "сварка-резка" 5 выполнен на основе управляемых силовых контактов. Дроссель 7 имеет две ступени электрического регулирования индуктивности, выход дросселя 7 является выходом основной силовой цепи 10.
Выход датчика тока 8 соединен с первым измерительный входом 11 микропроцессорного регулятора 12, а измерительный выход панели внешних зажимов 9 соединен через датчик напряжения 13 со вторым измерительным
входом 14 микропроцессорного регулятора 12.
Дополнительные обмотки генератора 2 через последовательно соединенные первый магнитный пускатель 15, первый диодный выпрямительный блок 16 и первый балластный реостат 17 подключены ко второму входу дросселя 7. При этом последовательно соединенные дополнительные обмотки генератора 2, первый магнитный пускатель 15, первый диодный выпрямительный блок 16 и первый балластный реостат 17 образуют цепь подпитки 18. Управляемый вход первого магнитного пускателя 15 является управляемым входом цепи подпитки 18, а выход первого балластного реостата 17 является выходом цепи подпитки 18.
Вспомогательные обмотки генератора 2 через последовательно соединенные второй магнитный пускатель 19, второй диодный выпрямительный блок 20, второй балластный реостат 21 и осциллятор 22 подключены ко второму входу панели внешних зажимов 9. При этом вспомогательные обмотки генератора 2, второй магнитный пускатель 19, второй диодный выпрямительный блок 20, второй балластный реостат 21 и осциллятор 22 образуют цепь питания дежурной дуги 23. Управляемый вход второго магнитного пускателя 19 является управляемым входом цепи питания дежурной дуги 23, а выход осциллятора 22 является выходом цепи питания дежурной дуги 23.
Компрессор 3 механически через последовательно соединенные ресивер 24 сжатого воздуха, влаго-маслоотделитель 25, реле давления 26 и клапан 27 подключен к пневматическому входу панели внешних зажимов 9. При этом последовательно соединенные компрессор 3, ресивер 24 сжатого воздуха, влаго-маслоотделитель 25, реле давления 26 и клапан 27 образуют цепь сжатого воздуха 28. Управляемый вход клапана 27 является управляемым входом цепи сжатого воздуха 28.
Последовательно включенные вспомогательный генератор 4 и блок питания 29 образуют цепь питания электроприводов 30. Выходы обмоток вспомогательного генератора 4 соединены с входом блока питания 29, выход
которого является выходом цепи питания электроприводов 30. Выход цепи питания электроприводов подключен к третьему входу панели внешних зажимов 9.
Панель внешних зажимов 9 представляет собой доску с электрическими и пневматическими разъемами для подключения либо электрододержателя для ручной сварки покрытым электродом (ММА), либо технологической аппаратуры со сварочной горелкой для полуавтоматической сварки в защитном газе (MIG/MAG) или самозащитной проволокой, либо для подключения плазмотрона для выполнения плазменной резки (PC).
Основным элементом системы управления режимами сварки и плазменной резки является микропроцессорный регулятор 12. Первый управляющий выход 31 микропроцессорного регулятора 12 соединен с управляемым входом первого магнитного пускателя 15, второй управляющий выход 32 соединен с управляемым входом второго магнитного пускателя 19, третий управляющий выход 33 соединен с управляемым входом переключателя 5, четвертый управляющий выход 34 соединен с управляемым входом тиристорного выпрямительного блока 6, пятый управляющий выход 35 соединен с управляемым входом дросселя 7, шестой управляющий выход 36 соединен с управляемым входом клапана 27.
Информация о настройке и контроле режимов сварки и резки отображается блоком индикации 38, вход которого соединен с первым информационным выходом 39 микропроцессорного регулятора 12. Для выбора и настройки параметров процесса сварки и резки используется блок настройки режимов 40, выход которого соединен с первым информационным входом 41 микропроцессорного регулятора 12.
На второй информационный вход 42 микропроцессорного регулятора 12 приходит сигнал от пульта дистанционного управления. На третий информационный вход 43 приходит сигнал от внешнего программирующего устройства, в качестве которого может быть использован персональный компьютер.
При работе в режиме полуавтоматической сварки в защитном газе или самозащитной проволокой к панели внешних зажимов 9 подключается технологическая аппаратура со сварочной горелкой, при этом к седьмому и восьмому выходам 44 и 45 микропроцессорного регулятора 12 подключаются соответственно механический привод и газовый клапан полуавтомата, а сигнал от кнопки сварочной горелки поступает на четвертый информационный вход 37.
Назначение элементов полезной модели распределяется следующим образом. Двигатель 1 приводит во вращение синхронный генератор 2 и как первичный источник энергии придает источнику свойство автономности, т.е. независимости от электрической сети. Синхронный генератор переменного тока 2 преобразует механическую энергию вращения двигателя 1 в электрическую энергию трехфазного переменного тока. Генератор 2 имеет основные и дополнительные силовые обмотки, и вспомогательные обмотки. Основные силовые обмотки обеспечивают питание основной силовой цепи 10, а дополнительные силовые обмотки обеспечивают питание цепи подпитки 18. Переключатель режимов "сварка-резка" 5 коммутирует основные силовые обмотки генератора 2. При работе агрегата в режиме плазменной резки дополнительно задействуется цепь питания дежурной дуги 23. Тиристорный блок 6 выпрямляет ток. За счет фазового управления включением тиристоров выполняется настройка сварочного и резательного режима и формирование необходимых внешних вольтамперных характеристик. Дроссель 7 сглаживает пики выпрямленного тока и используется для управления переносом электродного металла при полуавтоматической сварке. Подпитка 18 служит для заполнения пауз тока между включениями тиристоров, что повышает устойчивость сварочного и резательного процесса.
Цепь сжатого воздуха 28 обеспечивает сжатым воздухом плазматрон при плазменной резке, а также пневматический инструмент. Микропроцессорный регулятор 12 имеет разные алгоритмы управления в зависимости от способов
и режимов сварки и плазменной резки. При ручной сварке покрытым электродом за счет обратной связи по току формируется комбинированная внешняя характеристика с вертикально падающим основным участком (фиг.2). Кроме того, обеспечиваются специальные функции ограничения напряжения холостого хода, горячего пуска, защиты от прилипания и форсирования дуги. При полуавтоматической сварке сплошной проволокой в защитном газе или порошковой самозащитной проволокой формируется характеристика со стабилизированным жестким участком (фиг.3), а также выполняются специальные функции горячего пуска и отсечки тока. При плазменной резке регулятор формирует вертикальнопадающую внешнюю характеристику (фиг.4) и задает сложный цикл установления процесса с включением цепи сжатого воздуха, цепи питания дежурной дуги и цепи режущего тока
Технологические возможности полезной модели испытаны при ручной сварке, полуавтоматической сварке и плазменной резке. В комплект модели агрегата марки АДДУ-4001ПР включены дизельный двигатель воздушного охлаждения мощностью 37 кВт и частотой вращения 1800 об/мин, трехфазный индукторный генератор осевого типа, тиристорный блок с трехфазной мостовой схемой выпрямления на ток до 400 А, управляемый дроссель на две ступени, воздушный компрессор производительностью 550 л/мин при давлении до 0,7 МПа, плазматрон воздушного охлаждения на ток до 150 А, безыскровой осциллятор, а также микропроцессор марки PIC16F452.
При ручной сварке покрытым электродом источник имеет комбинированную внешнюю характеристику, состоящую из трех участков (фиг.2). Пологопадающий участок 46 представляет собой естественную характеристику вентильного генератора, состоящего из индукторного генератора переменного тока и тиристорного выпрямительного блока при его полнофазном включении. Крутопадающий участок 47 имеет регулируемый наклон от 0,4 до 2 В/А и предоставляет сварщику возможность снижения тока
д
кк
д
при удлинении дуги, что полезно при сварке вертикального шва. Крутопадающий участок 47 является основным, с его помощью настраивается ток в диапазоне I=40-400 А. Участок форсирования 48 необходим для управления переносом электродного металла при коротком замыкании каплей на ванну, он задает ток короткого замыкания каплей I=(1-2)I. Траектория 49 показывает ограничение тока величиной 30 А при длительном коротком замыкании. На фиг.2 жирными линиями показано также семейство характеристик с различной крутизной наклона и разной настройкой тока короткого замыкания при сварке электродом марки УОНИ 13/55 диаметром 3 мм на токе 100 А.
Реальная осциллограмма (фиг.5) процесса при сварке электродом марки УОНИ 13/55 диаметром 4 мм на токе 150 А иллюстрирует выполнение источником специальных функций. Из состояния ожидания (временной интервал 55) с ограниченным напряжением холостого хода 12 В процесс с момента касания электродом изделия переходит в режим горячего пуска длительностью 0,5 с (временной интервал 56). Поскольку короткое замыкание затянулось более 0,7 с (временной интервал 57), то сработала защита от прилипания, в результате чего ток был ограничен величиной 30 А (временной интервал 58). При последующем разрушении контакта слабо прилипшего электрода с деталью надежно зажглась дуга, и далее установился процесс устойчивого горения с высокой стабильностью тока (временной интервал 59). При прекращении сварки обрыв дуги привел источник к режиму холостого хода с работающей подпиткой при напряжении около 90 В (временной интервал 60), что должно способствовать надежному повторному зажиганию, если бы обрыв был случайным. По окончании выдержки в 0,8 с источник снова перешел в режим ожидания с безопасно ограниченным напряжением холостого хода 12 В (временной интервал 61).
При полуавтоматической сварке выпрямитель имеет внешнюю характеристику из трех участков (фиг.3). Участок 50 подпитки (90 В, 30 А) предназначен для заполнения пауз в кривой тока, чем обеспечивается
д
высокая устойчивость процесса. Жесткий участок 51, формируемый из естественной характеристики вентильного генератора 46, гарантирует высокое быстродействие саморегулирования, характерное для полуавтоматической сварки плавящимся электродом, с помощью этого участка настраивается сварочное напряжение U=15-40 В. Участок отсечки 52 предназначен для ограничения тока величиной 400 А при его длительности более 0,3 с, что защищает изделие от прожога, а тиристоры от перегрева при длительном коротком замыкании. На фиг.6 приведены осциллограммы тока и напряжения при полуавтоматической сварке порошковой самозащитной проволокой марки NR207 диаметром 1,7 мм при настроенном напряжении 19,5 В и токе 210 А. В исходном состоянии на дугу напряжение не подается. После нажатия кнопки на горелке одновременно включаются основная силовая цепь 10, цепь подпитки 18 и механизм подачи проволоки. В результате кратковременно возникает режим холостого хода 62. В момент касания проволокой детали идет этап горячего пуска длительностью 0,1 с с полнофазным включением тиристорного блока, что обеспечивает приблизительно двукратное превышение тока короткого замыкания 63 над настроенным сварочным 64. В результате проволока на участке вылета из горелки быстро расплавляется, и в образовавшемся межэлектродном промежутке устанавливается дуга. Напряжение в установившемся процессе 65 поддерживается микропроцессорным регулятором 12 с высокой точностью ±0,5 В. Для окончания процесса кнопка на горелке отпускается, в результате чего прекращается подача проволоки, и источник после обрыва дуги переходит в режим холостого хода 66, а затем отключается от горелки.
При работе агрегата в режиме плазменной резки включаются цепь питания дежурной дуги 23 и цепь сжатого воздуха 28. С помощью высокочастотного высоковольтного напряжения осциллятора 22 в промежутке электрод - сопло возбуждается искровой разряд, который затем переходит в дуговой (под воздействием электрического поля основной силовой цепи), т.е. возбуждается, так называемая дежурная дуга постоянного
тока, горящая между электродом и соплом плазматрона. Затем потоком плазмообразующего газа (воздуха), который создается цепью сжатого воздуха 28 дежурная дуга перемещается, растягивается и истекает из сопла. При касании факела дежурной дуги изделия замыкается цепь электрод - изделие и возникает основная дуга, ток дежурной дуги снижается до нуля. Основная дуга питается от основной силовой цепи 10, при этом формируются внешние характеристики приведенные на фиг.6.
Естественный крутопадающий участок 53 получен при последовательном соединении обмоток основных силовых секций синхронного генератора 2 с помощью переключателя 5 для получения высокого напряжения холостого хода 270 В, необходимого для надежного возбуждения и устойчивого горения дуги при плазменной резке. Основной вертикальнопадающий участок 54 обеспечивает высокую стабильность тока резки и длительную стойкость плазматрона. Перемещением этого участка выполняется настройка тока резки в диапазоне 80-120 А.