СКОЛЬЗЯЩИЙ ТОКОПОДВОД ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Полезная модель относится к технологическому оборудованию, используемому для электродуговой сварки, в частности к устройствам для подвода тока к изделию и может быть использовано в машиностроении и строительстве для реализации процесса дуговой сварки в защитном газе с управлением пространственным положением сварочной дуги за счет изменения параметров ее собственного магнитного поля.
Известно устройство для подвода тока к коллектору электрических машин, выполненное в виде щеточного узла (RU 2076410 C1, H01R 39/40, Варламов Б.Е., Рользинг А.А., Плотников Н.Р., дата приоритета 14.12.1993 г., опубликовано 23.03.1997 г.), включающего держатель, обойму, щетку, подпружиненную в сторону коллектора, и посредством жгутика электрически связанную с контактом для внешнего подключения. В держателе и обойме выполнены пазы, имеющие узкую и широкую части для введения и установки контакта для внешнего подключения, причем последний выполнен Ω-образной формы, установлен в широкой части паза и зафиксирован пружиной. Пазы для введения и установки контакта могут быть выполнены Г, Т, или +- образной формы.
Недостаток указанного устройства заключается в его низкой функциональности, поскольку оно может быть применено только для подвода тока к подвижному изделию (в основном, цилиндрической формы), при неподвижном щеточном узле. Поджатие щетки к изделию с помощью пружины, внутри которой проходит токоподводящий жгут, может при сварке привести к перегреву пружины и потере ее своих пружинных свойств, т.е. выходу из строя механизма поджатия щетки к изделию.
Известна также конструкция скользящего токоподвода (Бельфор М.Г., Патон Б.Е. Оборудование для дуговой и шлаковой сварки и наплавки, Издательство: М.: Высшая школа - 1974, 256 с), принятого за прототип, которая позволяет подводить сварочный ток к передней бабке сварочного вращателя. Подвод тока производится не непосредственно к свариваемому изделию, а к бронзовому кольцу, жестко прикрепленному к планшайбе вращателя, на которой располагается свариваемое изделие. Токоподвод состоит из двух рычагов, с закрепленными на их концах контактными щетками. Рычаги с помощью одной пружины прижимают контактные щетки к бронзовому кольцу вращателя. Сварочные провода через наконечники соединяются непосредственно с контактными щетками.
Такая конструкция, в отличие от рассмотренного выше первого аналога, более надежна, поскольку пружинное нажимное устройство не взаимодействует непосредственно с токоведущими частями. Однако основным недостатком данной конструкции является невозможность ее применения для осуществления процесса дуговой сварки в защитном газе с управлением пространственным положением сварочной дуги за счет изменения параметров ее собственного магнитного поля. Во-первых, данная конструкция, также как и первый аналог, предназначена для подвода тока к вращающейся детали, при неподвижном узле токоподвода. Во-вторых, хотя конструкция и имеет два отдельных поджимающих рычага и два контакта токоподвода, к обоим контактам подключается один и тот же полюс сварочного источника питания, в то время как для осуществления процесса сварки с управлением пространственным положением сварочной дуги за счет изменения параметров ее собственного магнитного поля, необходимо обеспечить подвод тока к изделию по, минимум, двум изолированным друг от друга контактам токоподвода. Отсутствие изолированности контактов токоподвода между собой, и отсутствие жесткой связи контактов токоподвода со сварочной горелкой в процессе ее перемещения, также создает невозможность реализовать процесс сварки дугой, отклоняемой собственным магнитным полем с применением рассмотренного прототипа.
Техническим результатом предлагаемой конструкции скользящего токоподвода является возможность осуществления с его помощью процесса дуговой сварки в защитном газе с управлением пространственным положением сварочной дуги за счет изменения параметров ее собственного магнитного поля и значительное расширение функциональных возможностей токоподвода. Технический результат достигается за счет возможности перемещения токоподвода по поверхности изделия вместе со сварочной горелкой, благодаря наличию жесткой связи токоподвода со сварочной горелкой, а также за счет наличия, как минимум, двух электрически изолированных между собой рычагов с токоподводящими щетками, каждый из которых подключается к отдельному выходу (полюсу) источника питания.
Сущность предлагаемой конструкции скользящего токоподвода заключается в том, что токоподвод имеет жесткую связь со сварочной горелкой, что позволяет ему перемещаться по поверхности изделия синхронно с ней. Токоподвод состоит, как минимум, из двух независимых рычажных прижимов, каждый из которых с помощью пружины надежно поджимает скользящий токоподводящий контакт, расположенный на конце рычага, к поверхности изделия. Скользящие контакты токоподвода располагаются от оси электрода сварочной горелки на расстоянии не более 100 мм. За счет жесткого соединения токоподвода со сварочной горелкой в процессе сварки расстояние от контактов токоподвода до оси электрода остается неизменным. Ток подводится к каждому скользящему контакту токоподвода с помощью наконечника и кабеля от источника питания. Токоподводящий наконечник расположен непосредственно на поверхности щетки, либо на контактной поверхности рычажного прижима непосредственно над щеткой. Рычажные прижимы токоподвода крепятся к специальному изолятору, что обеспечивает возможность электрически изолировать скользящие контакты токоподвода друг от друга. Каждый скользящий контакт токоподвода подключен к отдельному выходу источника питания.
Возможно исполнение токоподвода с регулировкой расстояния от оси электрода до каждого из скользящих контактов токоподвода. Регулировка может быть выполнена с помощью регулировочного винта (винтовой пары). При этом расстояние от оси электрода до каждого скользящего контакта токоподвода может регулироваться независимо.
Возможно также исполнение токоподвода с регулировкой положения всего токоподвода по высоте. При этом перемещение токоподвода производится относительно остающейся неподвижной сварочной горелки. Регулировка может быть выполнена с помощью регулировочного винта (винтовой пары).
Возможно также исполнение токоподвода с одновременным наличием как регулировки расстояния от оси электрода до каждого из скользящих контактов токоподвода, так и регулировки положения всего токоподвода по высоте.
Такая совокупность новых признаков с известными позволяет существенно расширить функциональные возможности токоподвода, сделав его способным перемещаться по поверхности изделия синхронно со сварочной горелкой, а также использовать его не только для проведения традиционного процесса электродуговой сварки, но и для осуществления процесса дуговой сварки в защитном газе с управлением пространственным положением сварочной дуги за счет изменения параметров ее собственного магнитного поля.
Жесткое соединение токоподвода со сварочной горелкой обеспечивает при ее движении поддержание постоянным расстояния от оси электрода до каждого из контактов токоподвода в процессе сварки, что является одним из условий осуществления процесса сварки с управлением пространственным положением сварочной дуги за счет изменения параметров ее собственного магнитного поля. Реализованная в токоподводе возможность электрической изоляции между собой отдельных скользящих контактов позволяет подводить к каждому скользящему контакту напряжение от своего отдельного выхода источника питания.
Источник питания, предназначенный для дуговой сварки с управлением пространственным положением сварочной дуги за счет изменения параметров ее собственного магнитного поля, имеет один выход положительного полюса, подключаемый к сварочной горелке, и, как минимум, два выхода отрицательного полюса, каждый из которых должен подключаться к своему отдельному, и электрически изолированному от других, контакту подвода тока к изделию. При подводе тока к контакту, расположенному в непосредственной близости от оси электрода горелки, создается искривление магнитного поля вокруг сварочной дуги, что вызывает ее отклонение в сторону от токоподвода. При поочередном подводе тока к разным скользящим контактам токоподвода, расположенным в разных точках на поверхности изделия, можно получить различные траектории движения сварочной дуги. Если контакты токоподвода не будут электрически изолированы друг от друга, то это вызовет подвод тока к поверхности изделия одновременно по всем контактам токоподвода. При таком симметричном подводе тока искривления магнитного поля дуги не произойдет, и дуга будет гореть вертикально без отклонений в сторону.
Если в процессе реализации дуговой сварки с управлением пространственным положением сварочной дуги за счет изменения параметров ее собственного магнитного поля, расстояние от оси электрода до контакта токоподвода будет изменяться, то это вызовет изменение угла отклонения сварочной дуги, т.е. нестабильность процесса сварки. А при расстояниях более 100 мм эффект отклонения сварочной дуги вообще исчезнет.
Возможность регулировать расстояние от оси электрода до каждого из скользящих контактов токоподвода позволяет программируемо изменять угол отклонения сварочной дуги от каждого контакта токоподвода. А возможность независимой регулировки расстояния для каждого отдельного контакта токоподвода позволяет получать различные углы отклонения дуги при подводе тока к разным контактам токоподвода.
Возможность регулировки положения всего токоподвода по высоте относительно сварочной горелки позволяет использовать токоподвод для сварки различных типов сварных соединений, как без разделки свариваемых кромок, так и с наличием разделки. Так, при сварке соединений с разделкой кромок, сварочная горелка заглубляется в разделку на глубину, зависящую от толщины свариваемого металла, в то время как контакты токоподвода всегда должны оставаться на поверхности изделия. Это вызывает необходимость регулировки положения токоподвода по высоте относительно сварочной горелки.
Предлагаемая конструкция токоподвода позволяет соблюсти все условия, необходимые для полноценной реализации процесса дуговой сварки с управлением пространственным положением сварочной дуги за счет изменения параметров ее собственного магнитного поля, а именно:
- электрическая изоляция друг от друга разных скользящих контактов, позволяет подводить напряжение от отдельного выхода источника питания к отдельному, и электрически изолированному от других, скользящему контакту токоподвода;
- наличие, как минимум, двух скользящих контактов в токоподводе позволяет реализовать отклонение сварочной дуги, как минимум в двух различных направлениях;
- жесткая связь токоподвода со сварочной горелкой позволяет ему перемещаться по поверхности изделия синхронно со сварочной горелкой и сохранять неизменным расстояние от оси электрода до каждого из контактов токоподвода, что позволяет обеспечить сохранение стабильного угла отклонения сварочной дуги от каждого контакта токоподвода.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 представлен фронтальный вид токоподвода с двумя скользящими контактами; на фиг.2 представлен вид сбоку токоподвода с двумя скользящими контактами; на фиг.3 представлен фронтальный вид токоподвода с двумя скользящими контактами и возможностью регулировки расстояния от оси электрода до каждого из скользящих контактов; на фиг.4 представлен фронтальный вид токоподвода с двумя скользящими контактами и возможностью регулировки положения по высоте всего токоподвода относительно сварочной горелки.
Предлагаемая конструкция скользящего токоподвода состоит из диэлектрического основания 2 (фиг.1), которое жестко соединено со сварочной горелкой 1. Токоподвод перемещается по поверхности свариваемого изделия синхронно со сварочной горелкой. К диэлектрическому основанию крепятся, как минимум, два рычажных прижима 1 (фиг.2), на конце каждого из которых крепиться скользящий контакт токоподвода 2. Рычажные прижимы располагают исходя из требуемой траектории колебаний сварочной дуги, но таким образом, чтобы они не соприкасались друг с другом и были электрически изолированы друг от друга. Каждый из рычажных прижимов с помощью пружины 3 (фиг.1) надежно поджимает скользящий токоподводящий контакт, расположенный на конце рычага, к поверхности изделия. Ток подводится непосредственно к каждому скользящему контакту токоподвода с помощью наконечника и кабеля от источника питания. Каждый скользящий контакт токоподвода подключен с помощью наконечников 4 и 5 к отдельному выходу источника питания. В процессе сварки расстояние от контактов токоподвода до оси электрода 6 остается неизменным, и не превышающим 100 мм.
Возможно исполнение токоподвода при котором рычажные прижимы фиксируют на подвижной части регулировочной винтовой пары 1 и 2 (фиг.3), а неподвижная часть регулировочной винтовой пары крепиться к диэлектрическому основанию. При вращении винта регулировочной винтовой пары происходит изменение расстояния от оси электрода до каждого из скользящих контактов токоподвода. При этом токоподвод позволяет выполнить независимую регулировку расстояния от оси электрода до каждого скользящего контакта токоподвода.
Возможно также исполнение токоподвода при котором диэлектрическое основание токоподвода крепиться на подвижной части регулировочной винтовой пары 1 (фиг.4), а неподвижная часть регулировочной винтовой пары жестко крепиться к сварочной горелке. При вращении винта регулировочной пары происходит перемещение всего токоподвода по высоте (вверх-вниз) вдоль оси сварочной горелки.
Возможно также исполнение токоподвода с одновременным наличием регулировочных винтовых пар 1 и 2 (фиг.3), обеспечивающих изменение расстояния от оси электрода до каждого из скользящих контактов токоподвода, и винтовой пары 1 (фиг.4), обеспечивающей перемещение всего токоподвода по высоте (вверх-вниз) вдоль оси сварочной горелки.
Такая совокупность признаков позволяет:
- повысить функциональность токоподвода;
- реализовывать с помощью токоподвода традиционный процесс электродуговой сварки;
- реализовывать с помощью токоподвода процесс сварки дугой, отклоняемой собственным магнитным полем.
Указанное выше подтверждает, что предлагаемая конструкция токоподвода по сравнению с прототипом является более функциональной и универсальной по отношению к возможности реализации различных технологических процессов дуговой сварки.
Примером применения предлагаемой конструкции токоподвода может являться применение его для процесса сварки корневого слоя прямолинейного шва листовых элементов из стали марки Ст3сп толщиной 10 мм, с применением способа дуговой сварки в защитном газе неплавящимся вольфрамовым электродом дугой, отклоняемой собственным магнитным полем. Сварное соединение стыковое с разделкой кромок и величиной притупления кромок 1 мм. При этом глубина разделки кромок на свариваемых элементах составляет 9 мм.
Процесс осуществляется с применением специализированного источника питания марки СМТ-1 производства ООО «Сварочные машины и технологии». Для сварки корневого слоя шва применяется скользящий токоподвод с двумя рычажными прижимами, с расположенными на их концах скользящими медно-графитовыми контактами токоподвода. Контакты токоподвода располагают на поверхности изделия с обоих сторон от сварочной горелки, в плоскости проходящей перпендикулярно оси свариваемого стыка (см. фиг.1), и таким образом, чтобы центр вольфрамового электрода и центры обоих медно-графитовых контактов находились в одной плоскости (см. фиг.2).
Для осуществления процесса сварки используется скользящий токоподвод с фиксированным, в 30 мм, расстоянием от оси электрода до каждого из контактов токоподвода, и возможностью регулировки положения токоподвода по высоте с применением винтового регулятора (см. фиг.4).
Для осуществления процесса дуговой сварки в защитном газе неплавящимся вольфрамовым электродом дугой, отклоняемой собственным магнитным полем использованы следующие режимы сварки:
- расстояние от оси электрода до оси скользящего контакта токоподвода устанавливают одинаковым для каждого из двух плеч токоподвода, и равным 30 мм;
- частота коммутации тока между двумя контактами токоподвода 1,5 Гц;
д.д.
- время горения дежурной дуги Т=0,1 сек.;
1
2
- скважность коммутации - 50% (т.е. время горения дуги в каждом из двух ее крайних отклоненных положениях, одинаково), что, при времени горения дежурной дуги 0,1 сек., соответствует времени горения дуги в каждом крайнем отклоненном положении Т=Т=0,28 сек;
р1
р2
- величина сварочного рабочего тока для каждого из двух каналов подвода тока к изделию одинакова и составляет 1=1=130 А.
Величина рабочего тока во времени неизменна (т.е. сварка в непрерывном режиме);
д.д.
- величина тока дежурной дуги, пропускаемого одновременно по каждому из двух каналов, составляет I=40 А;
- диаметр вольфрамового электрода 3 мм;
- длина дуги 3 мм (что соответствует напряжению на дуге примерно 12 В);
- скорость сварки 16,5 см/мин;
- расход аргона 8 л/мин.
Перед сваркой вольфрамовый электрод горелки 6 (фиг.1) подключают к отрицательному полюсу источника питания СМТ-1, а токоподводящие наконечники 4 и 5 через сварочные кабеля подключаются к двум выходам положительного полюса источника питания. Причем каждый наконечник подключают к отдельному выходу положительного полюса источника питания.
С помощью винтового регулятора 1 (фиг.4) первоначально токоподвод поднимают вверх, таким образом, чтобы расстояние от конца вольфрамового электрода до нижней поверхности медно-графитовых контактов было в пределах 10 мм. В дальнейшем с помощью отдельного регулятора положения высоты, сварочную горелку заглубляют в разделку кромок свариваемых элементов и выставляют ее положение по высоте таким образом, чтобы расстояние от конца вольфрамового электрода до изделия составляла 2-3 мм. Затем используя регулятор высоты положения токоподвода 1, токоподвод опускают на поверхность изделия таким образом, чтобы оба скользящих контакта токоподвода 2 (фиг.2) были надежно поджаты к поверхности изделия рычажными прижимами 1.
Производят сварку корневого слоя шва на режимах, указанных выше. При подводе тока к одному из скользящих контактов токоподвода сварочная дуга отклоняется от него на угол 28-30 град, в плоскости, проходящей через ось вольфрамового электрода и ось токоподвода. После этого включается дежурный режим горения дуги, в котором ток подводится одновременно к обоим контактам токоподвода, в следствие чего сварочная дуга горит ровно по центру стыка без отклонений. В дальнейшем ток подводится ко второму контакту токоподвода и дуга отклоняется в сторону, противоположную направлению первоначального отклонения, также на угол 28-30 град. После чего опять устанавливается дежурный режим горения дуги. В дальнейшем описанный цикл повторяется многократно, до момента прекращения сварки.
В процессе сварки сварочная горелка и совмещенный с ней скользящий токоподвод синхронно перемещаются вдоль оси свариваемого стыка со скоростью сварки.
В результате реализации описанного выше цикла коммутации подвода тока к двум контактам скользящего токоподвода сварочная дуга совершает колебательные движения с одной свариваемой кромки на другую, с частотой 1,5 Гц. Это позволяет существенно снизить степень восприимчивости процесса сварки корневого слоя шва к дефектам подготовки и сборки кромок под сварку и выполнить качественный корень шва при наличии в стыке таких дефектов как смещение кромок величиной до 2,5 мм, неравномерный зазор по длине стыка с изменением величины зазора до 2 мм, неравномерная величина притупления кромки до 1,5 мм.
Таком образом, показана возможность практического применения предлагаемой конструкции скользящего токоподвода для сварки, и возможность достижения положительного технического эффекта в виде увеличения функциональности токоподвода и возможности с его помощью реализовать процесс дуговой сварки в защитном газе с управлением пространственным положением сварочной дуги за счет изменения параметров ее собственного магнитного поля.
Таким образом, предлагаемая конструкция скользящего токоподвода для дуговой сварки обеспечивает положительный технический эффект и может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый скользящий токоподвод обладает промышленной применимостью.