СВАРОЧНЫЙ АППАРАТ ИНВЕРТОРНОГО ТИПА ДЛЯ РУЧНОЙ СВАРКИ ШТУЧНЫМ ЭЛЕКТРОДОМ

Уровень Техники
Полезная модель относится к ручной дуговой сварке и пайке металлов. В частности, эта полезная модель относится к сварочным аппаратам для ручной сварки покрытым штучным электродом.
Ручная дуговая сварка плавящимся штучным электродом все еще остается самым популярным видом сварки и широко используется для ремонта, в мелком производстве и домашнем хозяйстве. Размер электродов в основном зависит от толщины соединяемых заготовок. Для сварки рядовой стали, размер электродов, как правило, несколько больше, чем толщина свариваемых заготовок. Это означает, что если сваривают стальной лист толщиной 2 мм, то максимальный размер металлического сердечника электрода составляет 2,6 мм в диаметре. При этом рекомендуемое расстояние между электродом и деталями немного меньше, чем диаметр сердечника.
Ручная дуговая сварка может проводиться с использованием переменного и выпрямленного электрического тока. При этом сварка может проводиться выпрямленным током прямой полярности (минус на электроде) и током обратной полярности (плюс на электроде). В режиме сварки прямой полярности 70% тепла дуги выделяются в заготовке. В режиме обратной полярности примерно 70% тепла дуги выделяется в сварочных электродах, сварочная ванна мелкая, и обеспечивается очистка поверхности заготовки тяжелыми ионами.
Сварка и пайка тесно связаны между собой, и иногда трудно отличить одно от другого. Разница в том, что во время сварки металлические детали соединяются при температуре выше точки их плавления и температуры плавления электрода, металл которого используется в качестве заполнителя в зазоре между заготовками. При пайке заготовки соединяются без их расплавления, а расплавляется только металл припоя. Несмотря на то, что дуговая сварка и пайка могут отличаться выбором электрода, оба эти процесса включают плавление, диффузию атомов, сплавление металлов вдоль границы раздела, и кристаллизацию расплавов или амальгамы металлов. Можно только выделить более глубокое перемешивание, взаимное растворение и взаимную диффузию металлов в случае импульсной сварки. Поэтому то, что написано в описании настоящей полезной модели относительно сварки применимо также и для дуговой пайки.
В дуговой сварке используются модуляция тока дуги и импульсные разряды. Модуляцию сварочного тока обычно производят путем наложения прямоугольного меандра на постоянный ток дежурной дуги. Модуляция сварочного тока улучшает перемешивание расплавленного металла и повышает прочность сварного шва. Сварка импульсным дуговым разрядом, одиночным или повторяющимися импульсами, уменьшает деформацию тонкого металла. Сварка повторяющимися импульсами широко используется в сварке проволокой в атмосфере защитных и активных газов. Частота повторения импульсов может быть низкой, т.е. в диапазоне 0,2-1 Гц, средней, т.е. в диапазоне 1-100 Гц, и с высокой частотой повторения, т.е. в диапазоне 100-500 Гц.
Известны держатели электродов для ручной дуговой сварки с кнопками-переключателями и с блоком дистанционного управления для включения-выключения сварочного тока, а также для настройки его величины во время сварки, см. [1, 2].
По соображениям безопасности, сварочные источники питания для ручной дуговой сварки имеют напряжение холостого хода не выше 100 В, а для того, чтобы начать дуговую сварку, сварщик кратковременно касается заготовки электродом и создает искру достаточной интенсивности, чтобы ионизировать область между концом электрода и заготовкой. Если электрод не отодвинуть быстро от заготовки, то он может привариться к ней. Для упрощения зажигания дуги и чтобы избежать приваривания электрода в патенте [3] предложено для запуска дежурной дуги удерживать ток низкой величины в момент касания, например менее 5 А, и автоматически увеличить ток дуги при удлинении дежурной дуги.
С появлением транзисторов высокой мощности и увеличением цен на медь сложилась такая ситуация на рынке, что высокочастотные инверторные преобразователи для дуговой сварки доступны по ценам, которые совместимы с ценами на старые модели сварочных трансформаторов, см. [4]. Эти сварочные инверторы не только легче, чем традиционные сварочные аппараты, но они имеют множество дополнительных возможностей для стабилизации и контроля сварочного тока. Многие сварочные инверторы обеспечивают горячий старт, то есть импульс повышенного тока для зажигания дежурной дуги, защиту от короткого замыкания, а также возможность работы с низким и нестабильным напряжением сети. Недорогие сварочные инверторы, которые используют однофазный переменный ток электросети, обеспечивают максимальный сварочный ток до 250 А. Они предназначены для сварки в помещении и на открытом воздухе. Инверторные преобразователи используются также для плазменной резки листового металла. В отличие от резки ацетиленом, плазменные резаки не требуют использования газовых баллонов и обеспечивают более чистые и узкие разрезы.
Полуавтоматическая сварка металлической проволокой в атмосфере инертного или активного газа была изобретена в 40-х годах для преодоления трудностей в области дуговой сварки цветных металлов, особенно алюминия и его сплавов. На сегодняшний день эта технология значительно улучшена и широко используется для сварки различных металлов в режиме переменного тока, выпрямленного тока прямой и обратной полярностей, а также модулированным и импульсным током. Промышленность также использует недорогие сварочные машины для сварки рядовой малоуглеродистой стали в воздухе порошковой проволокой. Объем флюса, который заключен в сердцевине порошковой проволоки, меньше по сравнению с объемом флюса на толсто-покрытом штучном электроде. Недостаток сварки проволокой в защитных и активных газах, а также сварки порошковой проволокой в воздухе состоит в относительно более высокой стоимости оборудования и расходных материалов по сравнению с ручной дуговой сваркой штучным электродом.
Из уровня техники известен метод ручной дуговой сварки штучными электродами [5], в котором оператор управляет длительностью сварочных импульсов, а эти импульсы разделены интервалами горения дежурной дуги. Длительность сварочных импульсов при этом превышает длительность интервалов между ними. Однако, эта технология сварки предназначена для соединения сваркой относительно толстых заготовок.
Тонкостенные профили, трубы и листы широко применяются в промышленности и домашних хозяйствах. Обычно для соединения заготовок из тонкого металла используется дуговая сварка проволокой в инертных и активных газах, точечная контактная сварка, а также сварка вольфрамовым электродом в атмосфере инертного газа. В ручной дуговой сварке штучными электродами толщина металла ограничивается в первую очередь мастерством сварщика, но это редко бывает тоньше 1,5 мм. Существует значительная потребность в снижение затрат на соединение сваркой заготовок из стальных сплавов с толщиной стенок в диапазоне от около 0,5-3,5 мм, и особенно в диапазоне 0,5-1,5 мм.
В качестве прототипа полезной модели выбран патент [6], в котором описывается способ сварки проволокой в инертных газах. В частности, раскрывается метод импульсной сварки выпрямленным током обратной полярности, в котором формируют специальные импульсы для соединения сваркой изделий из алюминия, а также из других металлов, таких как нержавеющая сталь, без использования флюсов. Недостатком данного технического предложения является относительно высокая стоимость оборудования и расходных материалов.
В качестве другого прототипа полезной модели выбран патент [7], в котором описывается устройство-схема для управления сварочным аппаратом. Это устройство оборудовано датчиком сварочного тока и реле-таймером для выключения силового блока после обрыва сварочной дуги. При нажатии кнопочного переключателя, укрепленного на держателе электрода, силовой блок сварочного аппарата вновь включается и обеспечивает подачу электрического напряжения холостого хода между держателем электрода и заготовкой.
Краткое описание полезной модели
Общей целью настоящей полезной модели является создание новых и усовершенствованных сварочных аппаратов, которые отвечают потребности снизить стоимость оборудования и расходных материалов в соединении стальных заготовок с толщиной стенки в диапазоне 0,5-3,5 мм по сравнению с существующими устройствами для сварки в защитных и инертных газах, а также для сварки порошковой проволокой в воздухе.
Эти и другие цели настоящей полезной модели достигаются в предлагаемом сварочном аппарате инверторного типа для ручной сварки покрытым штучным электродом, содержащем силовой блок с высокочастотным преобразователем сетевого переменного тока в выпрямленный ток и с двумя выходными клеммами для вывода выпрямленного тока с напряжением положительной полярности и отрицательной полярности, два силовых электрических кабеля, из них один кабель - для соединения одной клеммы с держателем электрода, а другой кабель - для соединения другой клеммы с заготовками, а так же генератор импульсов, сопряженный с высокочастотным преобразователем и содержащий два входных разъема для подачи управляющего напряжения, с возможностью включения генератора импульсов и высокочастотного преобразователя для поддержания на выходных клеммах сварочного аппарата напряжения холостого хода или фонового тока дежурной дуги при подаче управляющего напряжения на первый его входной разъем, и с возможностью переключения силы тока сварочного аппарата от фонового тока дежурной дуги до пикового тока с регулируемым значением при подаче управляющего напряжения на его второй входной разъем, переключатель с фиксацией с парой нормально разомкнутых контактов и с доступным для оператора тумблером, исполнительную схему для управления сварочным аппаратом, сопряженную с указанным генератором импульсов и содержащую источник управляющего напряжения. кнопку-переключатель возвратного типа с парой нормально разомкнутых контактов, укрепленную на изолированной ручке держателя электродов, реле-таймер с парой нормально разомкнутых контактов, причем указанное реле-таймер выполнено на замыкание контактов в регулируемом интервале времени при подаче управляющего напряжения, контакты указанного переключателя с фиксацией соединены в электрическую цепь с возможностью подачи управляющего напряжения через эти контакты на первый входной разъем указанного генератора импульсов, а контакты реле-таймера соединены в электрическую цепь последовательно с контактами указанной кнопки-переключателя с возможностью подачи управляющего напряжения через эту электрическую цепь на второй входной разъем указанного генератора импульсов.
В частном случае реализации указанного сварочного аппарата реле-таймер выполнено в виде циклического реле-таймера на замыкание-размыкание контактов при подаче управляющего напряжения и с независимо регулируемыми интервалами времени замыкания и времени размыкания контактов.
В другом частном случае реализации предлагаемого сварочного аппарата указанная исполнительная схема дополнительно содержит второй переключатель с фиксацией с парой нормально разомкнутых контактов и с доступным для оператора тумблером, а также второе циклическое реле-таймер с парой нормально замкнутых контактов и с доступными для оператора ручками-регуляторами, причем указанное второе реле-таймер выполнено на размыкание-замыкание этих контактов при подаче управляющего напряжения и с регулируемым коэффициентом заполнения для интервала времени замыкания, контакты указанного второго циклического реле-таймера соединены в электрическую цепь последовательно с контактами кнопки-переключателя и с контактами первого реле-таймера, с возможностью подачи через эту электрическую цепь управляющего напряжения на второй входной разъем генератора импульсов, а контакты указанного второго переключателя с фиксацией соединены в электрическую цепь последовательно с контактами кнопки-переключателя с возможностью подачи через эту электрическую цепь управляющего напряжения на указанное второе реле-таймер.
В следующем частном случае реализации предлагаемого сварочного аппарата указанная исполнительная схема дополнительно содержит третий переключатель с фиксацией с парой нормально разомкнутых контактов и с доступным для оператора тумблером, причем контакты указанного третьего переключателя с фиксацией соединены в электрическую цепь параллельно к нормально разомкнутым контактам первого реле-таймера.
В следующем частном случае реализации предлагаемого сварочного аппарата указанная исполнительная схема дополнительно содержит разделительный диод в ориентации проводимости для управляющего напряжения, реле-датчик выходного тока сварочного аппарата с парой нормально разомкнутых контактов, и само-блокирующее реле-таймер с двумя парами нормально разомкнутых контактов, где указанное само-блокирующее реле-таймер выполнено на замыкание контактов в регулируемом интервале времени при подаче управляющего напряжения, а первое реле-таймер в указанной исполнительной схеме дополнительно содержит пару нормально разомкнутых контактов и пару нормально замкнутых контактов, и это первое реле-таймер выполнено на замыкание нормально разомкнутых контактов и на размыкание нормально замкнутых контактов в регулируемом интервале времени при подаче управляющего напряжения на указанное реле-таймер, причем контакты указанного реле-датчика тока соединены в электрическую цепь последовательно с контактами указанной кнопки-переключателя с возможностью подачи через эту электрическую цепь управляющего напряжения на первое реле-таймер, дополнительная пара нормально разомкнутых контактов первого реле-таймера соединена в электрическую цепь последовательно с контактами кнопки-переключателя с возможностью подачи управляющего напряжения через эту электрическую цепь на первый входной разъем генератора импульсов, а дополнительная пара нормально замкнутых контактов первого реле-таймера подключена в электрическую цепь последовательно с разделительным диодом и кнопкой-переключателем, с возможностью подачи через эту электрическую цепь управляющего напряжения на указанное само-блокирующее реле-таймер, а также эта пара контактов подключена в электрическую цепь последовательно с первой парой нормально разомкнутых контактов само-блокирующего реле-таймера, и с первым переключателем с фиксацией, с возможностью подачи управляющего напряжения на указанное само-блокирующее реле-таймер, а вторая пара нормально разомкнутых контактов само-блокирующего реле-таймера соединена в электрическую цепь последовательно с первым переключателем с фиксацией с возможностью подачи управляющего напряжения через эту электрическую цепь на первый входной разъем генератора импульсов.
Краткое описание чертежей
Предлагаемая полезная модель дополнительно иллюстрируется графическими материалами на Фиг.1 - Фиг.7.
На Фиг.1 показана схема сварочного аппарата для обеспечения ручной импульсной сварки. Инверторный сварочный аппарат включает высокочастотный преобразователь 1 с силовыми транзисторами, конденсаторами, трансформатором напряжения и выпрямителем. Эти элементы присутствуют в каждом сварочном аппарате инверторного типа и на принципиальной схеме не показаны. К выходным клеммам 2 и 3 высокочастотного преобразователя подключены с помощью силовых кабелей 4 и 5 держатель электрода 6 и зажим 7 для соединения цепи с заготовками. Преимущественно, держатель электрода 6 соединяется силовым кабелем 4 к выходной клемме 2 положительной полярности. Держатель электрода 6 и зажим 7 могут быть любыми из известных конструкций. Высокочастотный генератор 8 сопряжен с высокочастотным преобразователем сварочного аппарата. Инверторный сварочный аппарат содержит также источник управляющего напряжения 9. Предлагается, что на изолированной ручке держателя электродов 6 кнопочный переключатель 10. Для целей настоящей полезной модели сварочный аппарат оборудован реле-таймером 11, и переключателем с фиксацией 12.
На Фиг.2 показана схема сварочного аппарата для обеспечения ручной импульсной сварки с модулированными импульсами. Эта схема дополнительно содержит переключатель с фиксацией 13 и циклическое реле-таймер 14.
На Фиг.3 показана схема сварочного аппарата для обеспечения ручной сварки модулированным током и ручном регулировании длительности сварочного импульса. Эта схема дополнительно содержит переключатель с фиксацией 15.
На Фиг.4 показана схема сварочного аппарата, в котором включение аппарата осуществляется по нажатию кнопки на держателе электрода, а переключение аппарата на пиковый сварочный ток осуществляется при горящей дежурной дуге и при повторном нажатии кнопки. В целях безопасности обеспечивается выключение аппарата в отсутствии выходного тока и по истечению установленного времени. Эта схема дополнительно содержит реле-датчик тока 16, разделительный диод 17 и само-блокирующее реле-таймер 18.
На Фиг.5 показан график величины тока через дуговой промежуток в зависимости от времени, когда сварочный аппарат для ручной дуговой сварки, изображенный на Фиг.1, обеспечивает импульсы выпрямленного тока обратной полярности в соответствии с принципами настоящей полезной модели.
На Фиг.6 показан график величины тока дуги в зависимости от времени, когда сварочный аппарат для ручной дуговой сварки, изображенный на Фиг.2, обеспечивает модуляцию сварочного тока с частотой около 50 Гц путем переключения от тока дежурной дуги величиной i к сварочному току величиной I и с коэффициентом заполнения импульсов около 50%.
На Фиг.5 и Фиг.6 использованы следующие обозначения: i - величина фонового тока дежурной дуги, I - величина пикового тока дуги, t - длительность импульса сварочного тока, Т - временной интервал между импульсами сварочного тока. Следует понимать, что величина фонового тока дежурной дуги до и после импульса сварочного тока в общем случае не совпадают.
На Фиг.7 представлен вариант выполнения держателя электрода 1 с возвратной кнопкой-переключателем 2, укрепленным на изолированной ручке держателя электрода, силовым кабелем 3 с разъемом 4 для соединения к клемме выходного тока, с кабелем 5 для соединения кнопки-переключателя к управляющей схеме сварочного аппарата с разъемом 6.
Подробное описание полезной модели
Переключение сварочного тока на ток дежурной дуги по окончанию сварочного импульса замедляет охлаждение расплава металла. Действительно, дежурная дуга нагревает расплав так, что застывание расплава металла и кристаллизация замедляется. Это помогает отделить шлак от расплава металла, удалить часть водорода из сварного соединения, обеспечивает рост более крупных кристаллов в сварочном шве. Дополнительно выяснилось, что при горящей дежурной дуге оператор может перемещать расплав в сварочной ванне. Перемещая расплав, оператор может заполнять металлом широкие зазоры между заготовками, заполнять прожиг в заготовке, сваривать толстую заготовку с тонкой, сваривать заготовки в тавровом соединении.
В соответствии с принципами настоящей полезной модели, нижний предел для тока дежурной дуги немного выше такой величины, при которой происходит плавление флюса на кончике электрода. Верхний предел для тока дежурной дуги несколько меньше, чем ток, при котором происходит плавление сердечника сварочных электродов и плавление поверхности заготовок. Точные пределы тока дежурной дуги зависят от вида свариваемого материала, толщины заготовок, диаметра сердечника сварочных электродов и других подобных факторов. Было установлено, что плавление флюсового покрытия сварочных электродов с сердечником 2 мм начинается уже при токе через дуговой промежуток выше 5 А и при поддержании тока дежурной дуги в течение 5-10 сек, а плавление металлического сердечника начинается при токе выше 25-30 А.
2
2
2
2
Нагрев заготовок на их полную толщину занимает некоторое время, см. [8]. Минимальная продолжительность этого промежутка времени можно оценить как δ=(Н/2·τ), где Н - толщина заготовки [мм], а τ - температуропроводность металла заготовки в [мм/сек]. При сварке заготовок электродами с диаметром сердечника свыше толщины заготовки необходимо учитывать продолжительность прогрева кончика электрода, которую можно оценить как Δ=(d/16·θ), где d - диаметр сердечника электрода [мм], θ - температуропроводность металла сердечника электрода [мм/сек]. Длительность сварочных импульсов предлагается выбирать из интервала от (δ+Δ) до (12·δ+Δ), а оптимально в интервале от (2·δ+Δ) до (12·δ+Δ).
2
Для справки, значения температуропроводности некоторых металлов: чистое железо - 23, рядовой малоуглеродистой стали (1% углерода по массе сплава) - 12; нержавеющей стали 304А - 4,2 [мм/сек]. Например, для сварки рядовой стали толщиной 0,5 мм (продолжительность прогрева δ=0,01 сек) электродами с диаметром сердечника из нержавеющей стали 2 мм (продолжительность прогрева кончика электрода Δ=0,06 сек) оптимальная длительность сварочных импульсов должна быть свыше 0,08 сек. Если длительность сварочных импульсов слишком велика, то сварное соединение получается чрезмерно широким. Если сварочный импульс слишком короткий, то сварное соединение получается узким и выступающим от поверхности заготовки.
Модуляция разрядного тока в диапазоне частот 50-500 Гц приводит к колебаниям давления газов, плазмы и динамического давления магнитного поля. Эти колебания создают капиллярные волны на поверхности расплавов. Характерная длина капиллярных волн уменьшается на высоких частотах и, следовательно, капли меньшего размера образуются и выносятся из кратера на конце электрода к сварочной ванне. Соответственно, более можно использовать более толстые электроды и удерживать более короткую длину дуги при сварке. Эффективность генерации капиллярных волн выше, если коэффициент заполнения импульсами около 50%, например в диапазоне 25-75%. При уменьшении коэффициента заполнения ниже 25% снижается скорость нагрева заготовки и электрода. При увеличении коэффициента заполнения свыше 75% положительный эффект модуляции сварочного тока снижается.
Было установлено, что модуляция тока расширяет диапазон сварочного тока, усредненного по длительности сварочного импульса, в сторону более низких величин. Действительно, модуляция сварочного тока с частотами в диапазоне 50-500 Гц увеличивает пиковые температуры расплавов на кончике электрода, и перенос расплавов с электрода в сварочную ванну начинается при меньших значениях усредненного по времени тока дуги по сравнению со сваркой без модуляции. Поэтому сварку заготовок с тонкими стенками можно проводить модулированным током и электродами с сердечником большего диаметра, которые медленнее расходуются, например с диаметром сердечника в два-три раза больше толщины заготовок. Дополнительно, модуляция тока позволяет увеличить перенос металла от расходуемого электрода к заготовкам для сварки в верхнем, т.е. потолочном положении.
Хотя предлагаемый сварочный аппарат предназначен преимущественно для сварки штучными плавящимися электродами рутилового типа током обратной полярности, т.е. плюс на электроде, другие электроды и прямая полярность их включения могут быть использованы с предлагаемым сварочным аппаратом. В частности, могут быть использованы графитовые и угольные электроды на прямой полярности включения для соединения деталей сваркой и пайкой. Для заполнения зазоров между заготовками в таком случае следует использовать присадочную проволоку. Проволока может быть стальной, включая нержавеющую сталь, или из медного сплава, например бронзы. Для облегчения зажигания дуги и защиты металла от окисления следует использовать флюс. Например, флюс может быть нанесен на присадочную проволоку.
Предлагаемая конструкция сварочного аппарата позволяет реализовать такие режимы работы, при которых обеспечивается сварка тонко-стенных металлических конструкций, улучшение прочности сварного соединения, и увеличение производительности труда оператора.
Обратимся теперь к Фиг.1, на котором представлена принципиальная схема сварочного аппарата. При разомкнутой электрической цепи между клеммами вывода тока 2 и 3, высокочастотный преобразователь обеспечивает напряжение холостого хода. Генератор 8 обеспечивает сигналы для управления силовыми транзисторами высокочастотного преобразователя, а параметры управления задаются с помощью доступных для оператора тумблеров-переключателей и поворотных ручек-регуляторов. Управление осуществляется по принципу широтно-импульсной модуляции, частотно-импульсной модуляции, фазовой регулировкой или по комбинации всех трех. Независимо от конкретной схемы выполнения высокочастотного генератора, обычно управление осуществляется подачей напряжения на один из выводов управляющей микросхемы. Например, для изменения выходного тока в известной схеме выполнения сварочного аппарата на основе высокочастотного инверторного преобразователя на вывод номер 8 микросхемы UC3825 в генераторе импульсов подают управляющее напряжение в диапазоне 3-4 В, см. [9].
В предлагаемом устройстве сварочного аппарата включение генератора осуществляется подачей управляющего напряжения от источника 9 через разъем Р1 и переключатель с фиксацией 12 на разъем Р3, который через резистивный делитель напряжения с переменными резисторами подключен к управляющему контакту микросхемы генератора. Переключение режима работы высокочастотного инвертора и увеличение выходного тока сварочного аппарата до желаемой величины осуществляется подачей управляющего напряжения на разъем Р2, Одновременная подача управляющего напряжения на Р2 и Р3 на управляющую микросхему высокочастотного генератора не является проблемой, если делитель от Р3 соединен через разделительный диод. В таком случае управление определяется большим напряжением на делителе от Р2. Конкретная электронная схема выполнения высокочастотного генератора и преобразователя не является предметом настоящей полезной модели и может быть выполнена по известным схемам с учетом рекомендаций в настоящем описании.
Например, по известным схемам выполнения сварочного аппарата инверторного типа при подаче управляющего напряжения положительной полярности 3 В на вывод 8 микросхемы UC3825 высокочастотный генератор импульсов включается, а высокочастотный преобразователь обеспечивает напряжение холостого хода на выходных клеммах сварочного аппарата или фоновый ток дежурной дуги между сварочным электродом и заготовкой. Переключение р.ежима работы высокочастотного инверторного преобразователя и увеличение выходного тока сварочного аппарата до желаемой величины осуществляется подачей управляющего напряжения в диапазоне 3-4 В на вывод 8 микросхемы UC3825.
При замыкании контактов фиксирующего переключателя 12 управляющее напряжение от источника напряжения 9 подается на разъем Р3 генератора импульсов, и при разомкнутой электрической цепи между выходными клеммами сварочный аппарат обеспечивает напряжение холостого хода в диапазоне 60-100 В. Обычно, при зажигании дуги инверторный сварочный аппарат обеспечивает сварочный ток в диапазоне свыше 30 А. В предлагаемой конструкции сварочного аппарата при зажигании дуги предлагаемый сварочный аппарат обеспечивает фоновый ток дежурной дуги в диапазоне 5-30 А. При замыкании электрической цепи кнопочным переключателем 10, установленном на держателе электродов 6, управляющее напряжение от источника 9 подается на реле-таймер 11. Реле-таймер 11 срабатывает и замыкает контакты. Управляющее напряжение через замкнутые контакты реле-таймера 11 подается на разъем Р2 высокочастотного генератора импульсов. Генератор импульсов осуществляет переключение режима работы высокочастотного преобразователя с тока дежурной дуги на пиковый сварочный ток. Реле-таймер 11 может быть выполнено в виде циклического реле-таймера. Циклическое реле-таймер 11 осуществляет периодические замыкания-размыкания электрической цепи. При размыкании контактов реле-таймера 11 сварочный аппарат переключается обратно на ток дежурной дуги.
Интервалы времени замыкания-размыкания циклического реле-таймера 11 независимо регулируются поворотными ручками, доступными оператору. Кнопочный переключатель 10 выполнен с само-возвратом, и при отпускании кнопки переключателя прекращается подача управляющего напряжения на вход Р2 высокочастотного генератора импульса, а сварочный аппарат переключается на ток дежурной дуги. При погасании дуги, сварочный аппарат обеспечивает напряжение холостого хода на выходных клеммах-разъемах 2 и 3. При отключении тумблера 12 сварочный аппарат прекращает выдачу напряжения холостого хода. Дополнительно, сварочный аппарат может быть оборудован блоком высоковольтного и высокочастотного зажигания дуги по известным схемам. Наличие блока высоковольтного и высокочастотного зажигания дуги упрощает зажигание дежурной дуги при сварке окрашенных и покрытых ржавчиной стальных заготовок.
Обратимся теперь к Фиг.2, на котором представлена вариант выполнения схемы сварочного аппарата с двумя циклическими реле-таймерами. При горящей дежурной дуге и замкнутых контактах кнопочного переключателя 10, управляющее напряжение подается на реле-таймер 11. При замыкании контактов первого реле-таймера 11 управляющее напряжение подается на разъем Р2 через нормально замкнутые контакты реле-таймера 14. Генератор 8 обеспечивает переключение выходного тока высокочастотного преобразователя на пиковый сварочный ток. При замыкании контактов переключателя 13, управляющее напряжение от источника 9 подается на циклическое реле-таймер 14, которое обеспечивает размыкание-замыкание своих контактов, например с частотой в диапазоне 50-500 Гц. При этом генератор 8 обеспечивает циклические переключения тока от пиковой величины к току дежурной дуги. Для увеличения надежности и точности срабатывания, указанные реле-таймеры могут быть выполнены с использованием оптоэлектронных коммутаторов по известным схемам.
Обратимся теперь к Фиг.3, на котором представлена вариант выполнения схемы сварочного аппарата с возможностью ручной регулировки длительности импульса сварочного тока. При замыкании контактов переключателя 15 длительность импульса сварочного тока задается временем удержания переключателя 10 в замкнутом положении. При этом сохраняется возможность проведения сварки с модуляцией тока. При замыкании переключателя с фиксацией 15 и при разомкнутых контактах переключателя 13 сварочный аппарат может быть использован для сварки непрерывным током без высокочастотной модуляции, например для сварки толсто-стенных заготовок.
В целях безопасности, по известным схемам управление инверторным сварочным аппаратом может быть доработано, как показано на Фиг.4. Кнопочный переключатель 10 теперь управляет также и включением высокочастотного генератора 8. Реле-таймер 11 управляет тремя парами контактов, две пары из которых нормально разомкнуты К1 и К2, а третья пара К3 нормально замкнута. Для целей настоящей полезной модели сварочный аппарат оборудован датчиком тока 16. Датчик тока 16 с порогом срабатывания около 5 А замыкает свои контакты при зажигании дежурной дуги. Схема управления инверторным сварочным аппаратом дополнительно содержит разделительный диоды 17, и самоблокирующее реле-таймер 18 с двумя парами нормально разомкнутых контактов. Реле-таймер 18 выполнено на замыкание контактов на период времени в интервале 2-10 сек при подаче управляющего напряжения.
При кратковременном нажатии кнопки 10, укрепленной на держателе электродов, управляющее напряжение от источника 9 через разъем Р1 подается через разделительный диод 17 на реле-таймер 18, которое замыкает контакты К5 на промежуток времени в интервале 2-10 сек. Напряжение от источника 9 через эту электрическую цепь подается на разъем Р3. При этом осуществляется включение высокочастотного генератора 8 и выдача напряжения холостого хода на разъемы 2 и 3. Нормально замкнутые контакты К2 могут быть соединены в электрическую цепь как показано на Фиг.4 или между разделительным диодом 17 и само-блокирующим реле-таймером 18. При зажигании дежурной дуги касанием электрода с силой тока в интервале 5-30 А датчик тока 16 срабатывает и замыкает свои контакты.
При горящей дежурной дуге и повторном нажатии кнопочного переключателя 10 напряжение от источника 9 подается через замкнутые контакты реле-датчика тока 16 на циклическое реле-таймер 11, которое осуществляет замыкания и размыкания контактов в соответствии с настройками. При замыкании контактов К1 управляющее напряжение от источника 9 подается через нормально замкнутые контакты реле-таймера 14 на разъем Р2. При этом генератор 8 переключает высокочастотный преобразователь, а инверторный сварочный аппарат осуществляет выдачу пикового тока на период времени в соответствии с настройками реле-таймера 11. Одновременно реле-таймер 11 размыкает пару контактов К3 и выключает реле-таймер 18. При размыкании контактов реле-таймера 18 управляющее напряжение от источника 9 продолжает поступать на разъем Р3 через замкнутые контакты К2 реле-таймера 11.
В случае, если контакты переключателя 13 замкнуты, циклическое реле-таймер 14 размыкает и замыкает контакты, например с частотой в диапазоне 50-500 Гц. В результате инверторный сварочный аппарат переключается на ток дежурной дуги и обратно на пиковый сварочный ток с такой частотой. При выключении реле-таймера 11 контакты К1 размыкаются, реле-таймер 18 включается, контакты К5 замыкаются, а инверторный сварочный аппарат переключается на ток дежурной дуги. При обрыве дежурной дуги датчик тока 16 размыкает контакты и выключает реле-таймер 11. По истечению времени настройки реле-таймера 18 управляющее напряжение перестает поступать на разъем Р3, генератор 8 выключается, а высокочастотный инверторный преобразователь перестает поддерживать напряжение холостого хода на разъемах 2 и 3.
Обратимся теперь к Фиг.5, на которой представлен график тока дуги через дуговой промежуток в зависимости от времени. В соответствии с принципами настоящей полезной модели высокочастотный преобразователь производит выдачу сварочных импульсов тока путем переключении от тока дежурной дуги i к сварочному току I и обратно. Мощности, выделяемой при горении дежурной дуги, недостаточно для разогрева заготовок до температуры плавления металла.
На Фиг.6, схематически представлен график величины тока через дуговой промежуток в зависимости от времени, когда в соответствии с принципами настоящей полезной модели в течение промежутка времени t сварочный ток через дуговой промежуток дополнительно периодически модулируют путем переключении между током дежурной дуги и сварочным током с частотой около 50 Гц и с коэффициентом заполнения импульсов около 50%.
На Фиг.7 представлен вариант выполнения держателя электрода с кнопкой-переключателем, укрепленной на изолированной ручке держателя, с проводами и с разъемами для присоединения к инверторному преобразователю и управляющей схеме сварочного аппарата.
Выводы
Хотя преимущества импульсной сварки широко известны и используются для сварки проволокой в атмосфере инертных и активных газов, а также для сварки вольфрамовым электродом в инертной атмосфере, и контактной сварке, неожиданно было обнаружено, что качественное соединение тонких стальных заготовок может быть сделано штучными электродами с использованием предлагаемого сварочного аппарата. Неожиданно оказалось, что электроды с диаметром металлического сердечника в 2 и даже 3 раза больше толщины заготовок могут быть использованы для сварки тонко-стенных металлоконструкций в случае, если сварочный ток модулируют. Было также обнаружено, что соединение сваркой тонкой заготовки к толстой, сваривание заготовок с широким зазором между ними, и заваривание прожогов в заготовках значительно облегчается при импульсной сварке с переключением на ток дежурной дуги между импульсами сварочного тока. Эти и другие преимущества могут быть достигнуты при использовании предлагаемой конструкции сварочного аппарата.
Хотя известны сварочные аппараты с таймером для ограничения времени сварки, например для контактной сварки, такие сварочные аппараты для сварки штучными электродами неизвестны. Хотя известны держатели электродов с кнопками и регуляторами для управления током дуги, конструкции, включающие кнопку-переключатель на держателе электрода в сочетании с таймером для ограничения длительности импульса сварочного тока, не были известны, и преимущества от их использования не следуют очевидным образом из технической литературы. В частности, неизвестны конструкции сварочного аппарата с преобразователем тока инверторного типа, включающие кнопку-переключатель, реле-таймер для ограничения длительности сварочного импульса, и циклическое реле-таймер для высокочастотной модуляции сварочного тока.
Для специалистов в данной области должно быть очевидно, что многие другие варианты и модификации предлагаемого технического решения могут быть использованы в соответствии с принципами настоящей полезной модели, которые раскрыты в формуле полезной модели.
Источники информации:
1. Blazina AM. (2003) Constant-speed motor-driven modular welding apparatus with electronic power control apparatus, electrode holder operation controls, and safety interlock. U.S. Patent 6,512,199
2. Leo DV. (1979) Welding control system. U.S. Patent 4,151,396
3. Veal LD, Castle WR. (1986) Arc welding control system. U.S. Patent 4,570,050
4. Соколов ОИ. (2008) Инверторные источники питания для дуговой сварки, М.: МГИУ
5. Князьков АФ, Князьков СА, Князьков ВЛ. (2004) Способ электродуговой сварки плавящимся электродом с импульсной модуляцией тока. Патент РФ RU 2268809
6. Duncan JR, Rohrberg RG, Moyer RA, Wright WE Sr. (1983) Pulsed direct current arc welding, U.S. Patent 4,421,972
7. Potts В, Bruszewski Z. (2007) Safety isolation of arc welding equipment. U.S. Patent 7,193,176
8. Incropera FP, DeWitt DP. (2011) Fundamentals of Heat and Mass Transfer. 7th Ed. John Wiley & Sons, ISBN: 9780470501979
9. Негуляев ВЮ. (2006) Сварочный инвертер - это просто, Киев