СПОСОБ ДУГОВОЙ СВАРКИ ТРЕХФАЗНОЙ ДУГОЙ
METHOD OF WELDING BY THREE-PHASE ARC

Изобретение относится к сварочной технике, а именно к способам и источникам питания для электродуговой сварки.
Широко известны традиционные источники трансформаторного типа, применяемые для сварки.
Их недостатками являются сложность обеспечения точной установки и высокой стабильности установленных параметров процесса сварки при изменяющихся условиях, низкий КПД преобразования.
Поэтому все более широкое применение как вид преобразования параметров электроэнергии получают источники инверторного типа. В зависимости от типа потребителей переменного тока инверторы выполняются однофазными, двухфазными, трехфазными и многофазными (например, для вентильных двигателей), а по принципу действия - однотактными или двухтактными. Инвертор - это устройство, преобразующее постоянное напряжение в высокочастотное переменное. Современный сварочный инвертор - сложное цифровое устройство, управляемое мощным высокоскоростным процессором. Такая конструкция обеспечивает точную установку и высокую стабильность установленных параметров процесса сварки при изменяющихся условиях, экономию электроэнергии за счет высокого КПД преобразования, простоту настройки и легкость выполнения сварки, относительно традиционных источников трансформаторного типа.
Известен источник питания инверторного типа, в котором регулирование мощности в дуге осуществляется с помощью изменения периода следования импульсов в инверторе [A.Colens. A highfrequency electric Welding system. "Electronic Engineering" 1977, p.66]. Этот источник питания состоит из полупроводникового преобразователя, датчика напряжения, датчика тока и схемы управления, которая обеспечивает в рабочем диапазоне сварочного тока пологопадающую выходную характеристику источника питания. Для изменения периода следования импульсов используется информация по току и напряжению, измеренному за время, много большее периода следования импульсов.
Однако эта схема не обеспечивает оптимальную выходную статическую характеристику источника питания в области тока горения дуги при смене величины сварочного тока.
Известно устройство для управления сварочными токами источника питания инверторного типа [SU, а.с. 1119799, опубл. в БИ N 39, 23.10.84], состоящее из выпрямительного устройства, тиристорного инвертора и блока управления, в который входит преобразователь напряжения в длительность периода следования управляющих импульсов. Это устройство позволяет измерять среднее значение напряжения и тока каждого импульса на выходе источника, выделять наибольший из сигналов, пропорциональных измеренным значениям тока и напряжения, и использовать эти данные для регулирования периода следования импульсов в инверторе. Эта схема обеспечивает хорошие выходные динамические характеристики, но так же, как и предыдущая, не обеспечивает необходимую статическую характеристику, а значит, оптимальную регулировку величины сварного тока, т.е. качество сварного соединения ограничивается определенной толщиной свариваемых деталей.
Известны однофазные устройства для сварки модулированным током, формирующим прямоугольные разнополярные импульсы сварочного тока (аналог - патент РФ №1551484 от 10.04.87).
Недостатками устройства являются низкое качество сварки из-за неустойчивости горения дуги за счет пауз сварочного тока при питании ее разнополярными импульсами тока для сварки в углекислом газе, а также низкая производительность.
Известен способ сварки трехфазной дугой. В трехфазную систему питания включаются два электрода в две фазы и деталь в третью фазу. В этом случае горят три дуги: две дуги между электродами и деталью, а третья дуга между электродами. Исследования показали, что эта третья дуга, являясь по отношению к детали независимой дугой, горит или по воздушному промежутку между электродами, или же отдувается и горит, касаясь детали. Непрерывное горение трехфазной дуги позволяет снизить напряжение источника тока, что ведет к повышению косинуса «фи» (прототип - см. Internet http//www.osvarke.com/svarka-aluminiya.html, статья «Сварка алюминия»).
Сварка трехфазной дугой имеет ряд технологических преимуществ по сравнению со сваркой однофазной дугой. Производительность сварки повышается в 2-3 раза за счет двух электродов и дополнительной присадки, укладываемой в разделку шва. Изменяя химический состав электродов и присадочного металла, можно получить наплавленный металл различного состава. Это имеет большое значение при наплавках, сварке легированных сталей и цветных металлов. Включением в трехфазную сеть стандартных однофазных сварочных трансформаторов можно получить мощную дугу с суммарной силой тока 3000-4000 А.
При сварке трехфазной дугой имеет место переменное (в различных местах ванны) воздействие давления дуги на расплавленный металл. Это вызывает энергичное вращение и перемешивание расплавленных металла и шлака, которые способствуют более полному протеканию реакций и освобождению металла от газовых и неметаллических включений. Более медленное затвердевание расплавленного металла обеспечивает выход из него газов, что повышает механические и антикоррозионные свойства соединения.
Сварка трехфазной дугой обеспечивает экономию электроэнергии от 5 до 40%. Устойчивость и непрерывность горения дуги дает возможность применять сварку при пониженном напряжении во внешней сети. Нормальное формирование шва обеспечивается правильно подобранным режимом тока и скоростью сварки. Глубина проплавления основного металла при различной силе тока и скорости движения электродов достигает 7-14 мм. Значительная глубина проплавления дает возможность увеличить нескошенную часть фасок, что уменьшает расход проволоки, флюса, электроэнергии и т.д. Расход электроэнергии при автоматической сварке трехфазной дугой на 1 кг наплавленного металла в среднем равен 2,1 кВт-ч, в то время как при однофазной автоматической сварке 3,5 кВт-ч.
Широкое применение сварка трехфазной дугой получила в следующих случаях:
1. В конструкциях с большим объемом наплавленного металла.
2. В соединениях, требующих глубокого проплавления, а также при сварке без скоса кромок стыковых и угловых соединений машиностроительных конструкций.
3. В тяжелом и транспортном машиностроении при сварке легированных сталей, требующих регулирования глубины проплавления, чтобы уменьшить долю участия основного металла в металле шва, и при наплавке черных металлов цветными, чтобы обеспечить минимальную глубину проплавления.
Металл нагревается непрерывно, поскольку постоянно существует одна из трех совокупных дуг - одной независимой дуги, горящей между вольфрамовыми электродами, и двух зависимых дуг, горящих между изделием и электродами.
Недостатком известных способа и устройства является недостаточно высокая эффективность процесса сварки, которую можно повысить за счет обеспечения горения как минимум двух совокупных дуг, что, в свою очередь требует точного управления выходными параметрами источников питания, а также стабильности повторного возбуждения основных дуг во всем диапазоне регулирования, что обеспечивается прямоугольной формой тока и частотой смены его полярности.
Задачей настоящего изобретения является улучшение качества сварного соединения за счет повышения точности управления выходными параметрами источника питания в широком диапазоне регулирования сварочного тока.
Поставленная задача решается тем, что в способе трехфазной дуговой сварки трехфазной дугой, включающем сварку в среде инертного газа и использование двух зависимых дуг между изделием и каждым из неплавящихся электродов и одной независимой дуги между неплавящимися электродами переменного тока, каждую из которых питают от отдельной фазы трехфазного тока, в соответствии с изобретением в каждый момент времени обеспечивают горение не менее двух дуг и, по крайней мере, зависимые дуги питают фазными токами, имеющими форму прямоугольных импульсов прямой и обратной полярности регулируемой частоты и амплитуды.
Причем ширина прямоугольных импульсов прямой полярности меньше ширины импульсов обратной полярности.
Технический результат от использования всех существенных признаков изобретения заключается в улучшении качества сварного соединения за счет повышения точности управления выходными параметрами источника питания в широком диапазоне регулирования сварочного тока.
Стабильное горение как минимум двух дуг значительно улучшает качество сварного соединения и при этом обеспечивает высокую производительность процесса. Питание, по крайней мере, зависимых дуг фазными токами, имеющими форму прямоугольных импульсов прямой и обратной полярности регулируемой частоты и амплитуды, обеспечивает стабильность повторного возбуждения дуг во всем диапазоне регулирования смены частоты полярности. Стабильность повторного возбуждения дуг оказывает влияние на повышение качества сварного шва и сварного соединения деталей.
Время прохождения тока через 0 при прямоугольной форме тока (меандр) стремится к 0, что положительно сказывается на стабильности горения трехфазного факела.
Управление частотой смены полярности импульсов и амплитудой импульсов как прямой, так и обратной полярности позволяет исключить появление постоянной составляющей сварочного тока вне зависимости от рода свариваемого материала.
Управление шириной прямоугольных импульсов - ширина прямоугольных импульсов «прямой полярности» с изделия на электрод меньше ширины импульсов «обратной полярности» с электрода на изделие (при сварке изделий из легких сплавов) улучшает катодную очистку окисной пленки, повышает скорость сварки и увеличивает стойкость неплавящихся вольфрамовых электродов.
На фиг.1 представлена форма тока источника питания для дуговой сварки.
На фиг.2 представлена функциональная схема установки для дуговой сварки.
Заявляемый способ осуществляется при помощи установки для дуговой сварки, которая включает:
1, 2, 3 - инверторы, 4 - блок управления, 5 - двухэлектродная сварочная горелка, 6 - свариваемое изделие.
Первый вход инверторов 1, 2, 3, включенных по схеме «треугольник», подключен к внешнему источнику энергии, и управляются программируемым блоком управления 4, а выходы - к двум сварочным электродам сварочной горелки 5 и свариваемому изделию 6, показатели работы которых по частоте, форме тока и напряжению контролируются с помощью обратной связи блока управления, вырабатывающего управляющие сигналы. На блок управления подаются сигналы со стандартных датчиков (не показаны) частоты тока, формы тока, напряжения, амплитудного значения тока и других.
Источник питания для дуговой сварки позволяет сформировать оптимальную выходную характеристику следующим образом. Измеренное среднее значение тока на выходе каждого инвертора сравнивается с напряжением задания, полученным в результате перемножения напряжения уставки тока и управляющего сигнала, причем в качестве управляющего сигнала используется результат вычитания выходного напряжения и заданного фиксированного напряжения. Результат сравнения выходного тока с напряжением задания преобразуется в длительность периода управляющих импульсов, которые в качестве обратной связи управляют каждым инвертором. В процессе обработки информационные сигналы, пропорциональные выходному напряжению источника и току сварки, формируют управляющее воздействие на величину уставки входного тока со стороны сигнала, пропорционального выходному напряжению. Таким образом осуществляется привязка выходного тока к конкретной величине выходного напряжения, что позволяет изменять вольт-амперную характеристику при изменении величины уставки выходного тока и поддерживать неизменным отношение тока короткого замыкания к рабочему току во всем диапазоне изменений уставки сварочного тока. Такая выходная характеристика обеспечивает оптимальный сварочный ток в широком диапазоне значений, а значит, позволяет сваривать детали в широком диапазоне толщины.
Частота смены полярности и величина амплитуды импульсов как прямого, так и обратного регулируется с пульта управления. Такая форма кривых фазных токов обеспечивает почти мгновенный переход с одной полярности на другую через «ноль». Именно этот эффект в сочетании с тем, что в одном факеле горят одновременно не менее двух дуг, обеспечивая непрерывность ионизации дугового промежутка, позволил получить гибкую и совершенную регулировку параметров и устойчивость горения.
Способ дуговой сварки трехфазной дугой включает сварку в среде инертного газа и использование двух зависимых дуг между изделием и каждым из неплавящихся электродов и одной независимой дуги между неплавящимися электродами переменного тока. Каждую из дуг питают от отдельной фазы трехфазного тока. В каждый момент времени обеспечивают горение не менее двух дуг. По крайней мере, зависимые дуги питают фазными токами, имеющими форму прямоугольных импульсов прямой и обратной полярности регулируемой частоты и амплитуды.
Как показали испытания, за счет повышения точности управления выходными параметрами источника питания в широком диапазоне регулирования сварочного тока обеспечивается высокое качество сварных соединений, а также улучшение катодной очистки окисной пленки (при сварке и наплавке изделий из легких сплавов), повышение скорости сварки и увеличение стойкости электродов.
Способ может быть использован при сварке изделий из любых материалов любой толщины.