Содержание к диссертации
Аннотация 4
Введение „ 9
1. Особенности аргонодуговой сварки неплавящимся электродом
алюминия и его сплавов 13
-
Технологические особенности сварки алюминиевых сплавов .... 13
-
Основные требования к электромагнитным параметрам процесса дуговой сварки алюминия и его сплавов 15
1.2.1. Технологические требования к параметрам импульсов свароч
ного тока в установившемся режиме 19
-
Диапазон частот и длительностей импульсов 20
-
Соотношение длительностей импульсов 21
1.2.1.3 Соотношение амплитуд импульсов токов прямой и обратной
полярностей 22
-
Технологические требования к параметрам импульсов сварочного тока в переходных режимах 24
-
Общие требования к сварочным ГИТ 26
1.3. Виды сварочных ГИТ с быстрым переходом через нуль 26
-
ГИТ с питанием от выпрямителей с активным балластом 27
-
ГИТ с питанием от источников с параметрическим формированием внешней характеристики 30
-
ГИТ с индуктивными накопителями энергии 34
-
Трансформаторные ГИТ с ИНЭ 35
-
Выпрямительные ГИТ с ИНЭ 42
1.4. Задачи исследования 51
2. Разработка схем сварочных генераторов импульсов тока с ин
дуктивными накопителями энергии 53
-
Анализ процессов энергопреобразования в ГИТ с секционированными ИНЭ 53
-
Разработка ГИТ с секционированными ИНЭ 58
-
Исследование установившихся режимов работы ГИТ 67
1. Анализ требований к математическим моделям ГИТ, принимае
мым допущениям и ограничениям 67
Выбор системы относительных параметров 75
Анализ электромагнитных процессов в ГИТ при питании непо
средственно от источников постоянного напряжения 76
Анализ электромагнитных процессов в ГИТ при питании от ис
точников с промежуточным емкостным накопителем 101
Выводы 129
Исследование динамических режимов работы сварочных ГИТ с
секционированными ИНЭ 130
Медленные изменения условий работы ГИТ 130
-
Влияние изменения напряжения питания 130
-
Влияние изменения напряжения дуги 132
Параметрическая стабилизации энергии в дуге 139
Быстрые изменения условий работы ГИТ 147
-
Влияние индуктивности ИНЭ на стабильность горения дуги в переходных режимах 148
-
Пуск ГИТ с секционированными ИНЭ 153
Выводы 160
Совершенствование управляемых ключей ГИТ и эксперимен
тальные исследования разработанных ГИТ 161
Совершенствование управляемых ключей ГИТ 161
Экспериментальные исследования ГИТ 163
Выводы 178
Заключение 179
Общие выводы 179
Предложения 180
Использованная литература 181
Приложение 1. Сравнение массогабаритных показателей ИНЭ в
ГИТ с раздельными и секционированными ИНЭ 201
4 Аннотация
Актуальность, темы. Алюминиевые сплавы широко применяются в различных отраслях промышленности. Это обусловлено комплексом разнообразных свойств, которые обеспечивают им важные преимущества перед другими конструкционными материалами. При формировании сварных соединений из алюминиевых сплавов чаще предпочтение отдается аргонодуго-вой сварке неплавящимся электродом переменным током; как наиболее отвечающей металлургическим и технологическим требованиям.
Однако при сварке синусоидальным током возникают проблемы, связанные с устойчивостью горения дуги при токах менее 70 А. При этом-токе скорость его перехода через нуль около 30 кА/с, а при<наличии нелинейности магнитной цепи может быть еще меньше. Она настолько мала, что дуга в области малых токов перед переходом тока через нуль успевает деионизиро-ваться. Её повторное возбуждение при появлении напряжения противоположной полярности нарушается. Это ухудшает стабильность горения сварочной дуги, из-за нарушения непрерывности её горения, что приводит к снижению качества и производительности сварки.
Для решения этих проблем, наиболее перспективным является использование импульсного переменного тока со скоростями перехода через нуль существенно больше 30 кА/с. Такой ток формируется сварочными генераторами импульсов тока за счет высвобождения энергии при разряде индуктивных накопителей энергии. При этом обеспечивается не только устойчивое горение дуги, но и возможность независимого программирования амплитудно-временных параметров режима горения дуги прямой и обратной полярности, что позволяет управлять геометрическими размерами шва, эффективностью катодного распыления поверхностной оксидной пленки и динамическим воздействием на расплав сварочной ванны. Однако массогабаритные показатели индуктивных накопителей велики, так как для разной полярности используются отдельные накопители и источники их заряда. Это увеличивает стоимость, массу и габариты всего источника питания для сварки.
Кроме этого, недостаточно, изучен: вопрос устойчивости формирования
дугового разряда и стабильности, выделяемой в дуге энергии в переходных режимах: пртпуске^ при: увеличении-и уменьшении;длины.дуги. Результатов таких исследований; не обнаружено, что: не, позволяет сформулировать- конкретные требования к параметрам источника питания с: учетом не только установившихся, но и-переходных.режимовработы.
В связи с;.этим-, изыскание возможностей по уменьшению' массогаба-
ритных.показателейиндуктивных: накопителей энергии и -учет особенностей
устойчивого:горения?дугиш-переходных режимах: являетсяшеобходимьіміусг
ловием для? повышения качества непроизводительности аргонодуговойсварки
алюминиевых сплавовш; улучшению массогабаритных показателей источни-
ковшитания», - ,;' .
Использование:тиристоров; для*управляемых ключей связано, с приме-. нениемеузлов'/искусственной-коммутации; содержащих заряженные:конденсаторы. Эта энергия, вводимая в. цепь- с тиристором для его;- выключения, вносит инерционность в работу ключей; искажая форму и длительность импульсов тока через- дугу, что ухудшает стабильность горения дуги.
.- Цель работы;- у лучшение' стабильности сварки- и. массогабаритных показателей ГИТ путём, разработкишовых схемотехнических решений-ГИТ. с ИГО*
Задачи? работы;, В> соответствию с поставленной целью? были - сформулированы следующие задачи:
-
разработать схемные решения сварочных ГИТ с ИНЭ^ которые обеспечивали бы формирование таких же импульсов тока, как и известные, но при меньших массе и габаритах ИНЭ, исследовать процессы в них в установившемся. режиме и определить области параметров ГИТ, обеспечивающих непрерывное:горение сварочной дуги.
-
процессы в разработанных ГИТ в переходных режимах и определить факторы, обеспечивающие непрерывность горения сварочной дуги и постоянство выделяемой вшей энергии в переходных режимах.
Методы исследования. Теоретические исследования при решении поставленных задач выполнялись математическим моделированием с использованием операторного метода решения дифференциальных уравнений по Кар-сону, численного интегрирования систем дифференциальных уравнений методом Рунге - Кутта, а также программы Mathworks MATLAB R2006a. Экспериментальные исследования проводились на экспериментальных образцах ГИТ с использованием осциллографирования токов и напряжений- в ГИТ электронным двухлучевым осциллографом С1-69, а также щитовыми* вольтметрами и амперметрами. Фотосъёмка осциллограмм с экрана осциллографа, сварных швов на испытуемых образцах и экспериментальной установки осуществлялась фотокамерой «Зенит - TTL» с объективом "Гелиос - 44» на фотоплёнку «Фото-250» чувствительностью 250 единиц ГОСТ. При необходимости съёмка велась через фотоприставку с удлинительными кольцами.
Научная новизна работы. 1. Предложена классификация ГИТ, основанная на особенностях процесса заряда и разряда ИНЭ, которая позволяет разделить ГИТ на: рекуперативные, диссипативные и компенсационные.
-
Разработаны математические модели предложенных ГИТ, достоверно описывающие их свойства и в установившемся, и в переходных режимах.
-
Установлено, что причиной погасания дуги при возрастании напряжения на ней, например, за счет её удлинения, является снижение тока импульса до нуля в течение времени меньшего длительности интервала разряда ИНЭ, что ведет к образованию бестоковой паузы и прекращению разряда.
-
Показано, что для обеспечения стабильного горения дуги при воздействии на неё факторов, увеличивающих напряжение на ней, индуктивность ИНЭ должна быть выше, чем при их отсутствии. Причем, чем выше скорость увеличение напряжения дуги, тем больше значение минимально допустимой индуктивности ИНЭ.
-
Установлено, что параметрическая стабилизация энергии в сварочной дуге возможна у всех разработанных ГИТ. Причем, максимальным на-
7 пряжением и энергией в режиме параметрической стабилизации обладают
КГИТ, а минимальным - РГИТ.
6. Разработана методика расчета предельной индуктивности ИНЭ, которая позволяет рассчитать её величину с учетом скорости возрастания напряжения на сварочной дуге.
Практическая ценность и внедрение результатов работы.
На основании проведенных исследований были разработаны и экспериментально проверены ГИТ для аргонодуговой сварки неплавящимся электродом алюминиевых сплавов, обладающих сниженной массой и повышенной стабильностью горения дуги.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы , были представлены на V Сибирской научно-технической конференции «Пути повышения эффективности сварочного производства», 16-17 ноября 1982 г., г. Красноярск; на Межотраслевой научно-технической конференции «Применение автоматизированных полупроводниковых преобразователей частоты для экономии материалов, трудовых и энергетических ресурсов в машиностроении», 11-13 мая 1983 г., г. Уфа; на III Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы преобразовательной техники», 1983 г., г. Киев; на IV Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы преобразовательной техники», 1987 г., г. Киев; на V Всероссийской научно-практической конференции «Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства (промышленность, транспорт, сельское хозяйство)», 2005 г., г. Пенза; на Международной научно-технической конференции «Автоматизация технологических процессов и производственный контроль», 23-25 мая 2006 г., г. Тольятти; на Первом международном экологическом конгрессе (Третьей международной научно-технической конференции) «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» ELPIT 2007, 20-23 сентября 2007 г., г. Тольятти, на Международной научно-технической конференции «Безопасность. Технологии. Управление», 2008 г., г. Тольятти; на Международной
8 научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», 12-15 мая 2009 г., г. Тольятти.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 26 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, отчет о НИР, и 11 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, общих выводов, списка литературы и приложения. Ход и результаты работы изложены на 200 страницах текста и 8 страницах приложения, содержит 142 рисунка, 2 таблицы. Список использованной литературы содержит 184 наименования источников информации.
Введение к работе
Область применения, цветных металлов в производстве сварных изделий непрерывно расширяется. Наблюдается отчетливая тенденция замены черных металлов алюминием и его сплавами [26; 27; 123;, 137]'...
Однако оксидная плёнка на- поверхности: алюминия; и его сплавов прочная- в- электрическом^ механическом- и термическом отношениях, препятствует сплавлению, кромок при< сварке, ухудшает механические свойства шва, снижает стабильность горения дуги. Это ухудшает качество сварного соединения или делает невозможным его получение [123; 124; 131];.
Для удаления: оксидной плёнки в -процессе сварки дугу питают neper менным током; Интенсивное разрушение пленки происходит; в .полупериоды обратной полярности/ - в результате катодного распыления [38; 41; 123; 131; 183]. При питании дугш переменным- симметричным синусоидальным током возникают трудности, связанные с тем, что-технологические свойства дуг прямой и обратной полярностей существенно отличаются. Основное теп-ловложение в деталь, осуществляется током прямой полярности., а очистка оксидной пленки- током обратной полярностт [5 Г; 123; 131;: 143].
Наиболее часто при аргонодуговой сварке применяют неплавящиеся. электроды; из чистого или: легированного лантаном, иттрием* либо торием вольфрама [65; 123; 124;: 131];. Токи прямой и обратной полярностей:у источников симметричного переменного тока* равны. Если- величина тока прямой. полярности соответствует требуемому тешювложению: в деталь,, то равная ему величина тока обратной полярности, особенно при сварке деталей больших толщин, может быть недостаточной для очистки: от оксидной плёнки. При увеличении тока растет тепловая нагрузка.на электрод, стойкость его1 снижается, так как при; использовании симметричного тока промышленной. частоты при аргонодуговой сварке однофазной, дугой тепловложение в электрод составляет 26-28% от тепловложенияв деталь [22; 29; 123; 124; 125].
Поэтому предпочтительными являются источники питания асимметричного синусоидального тока. Они позволяют формировать в дуге полуволны тока с различным соотношением амплитуд прямой и обратной полярностей. Применение таких источников питания позволяет, рациональнее распределяя энергию между электродом и изделием, улучшить качество сварных соединений [61; 66; 131], обеспечивая более плотную структуру и меньший разброс механических свойств [6; 62; 66; 123; 131].
Однако в ряде случаев (например [115], при сварке сплава 1420) требуется установка не только разных амплитуд, но и длительностей токовпрямой и обратной полярностей, что недостижимо источниками синусоидального асимметричного тока. Кроме того, при питании от таких источников недостаточна стабильность горения дуги. В процессе уменьшении тока при подходе его к нулевому значению дуга гаснет, и дуговой промежуток успевает деионизироваться из-за малой скорости перехода тока через нуль. При изменении полярности приложенного напряжения повторное возбуждение дуги становится невозможным [6; 62; 66; 123].
Для увеличения надежности повторного' возбуждения дуги целесообразно применение несинусоидальных импульсных источников*питания - генераторов импульсов тока (ГИТ), в частности генераторов переменного тока с «прямоугольной формой волны», то есть с быстрым переходом тока через нуль [21; 42; 50; 53; 55; 117; 123; 129; 130; 181;182]. Такие сварочные генераторы разнополярных импульсов тока (ГРИТ) обеспечивают надежное возбуждение дуги при смене полярности тока [21; 53; 21; 123], повышают величину электрической проводимостагдуги [55]. Они позволяют регулировать соотношение длительностей импульсов токов прямой и обратной полярностей. Это улучшает распределение тепловложения между электродом и изделием и благоприятно влияет на кристаллическую структуру сварных изделий [39; 123; 127; 129; 130]. Однако, амплитуды токов различных полярностей всегда равны.
Стабильность горения дуги зависит не только от процессов на интервале изменения полярности тока, но и на интервалах его протекания при прямой и обратной полярностях. При увеличении длины дуги до значений, при которых напряжение на ней становится соизмеримым с напряжением источника питания, ток через дугу стремится к нулк>и она гаснет ввиду деиониза-ции дугового промежутка. Для стабильного горения дуги при* кратковременных изменениях её длины (эластичности), дугу питают от источников» с индуктивными накопителями»энергии (ИНЭ) [39; 131]. При недопустимом превышении напряжения дуги энергия такого накопителя, высвобождаясь при попытке уменьшения тока, поддерживает еп> протекание в сварочной, цепи, что обеспечивает непрерывность существования дугового разряда. Чем больше энергия накопителя, тем выше эластичность дуги. Изменение полярности тока в таких ГИТ осуществляется за счет ключевых элементов, коммутирующих дуговой.промежуток [39; 50; 127; 129; 130; 131].
Есть два основных подхода к построению таких ГИТ. Первый - это использование промежуточных выпрямителей с коммутирующими элементами для формирования прямоугольных импульсов тока [39; 50; 129; 130]. В этом случае частота формирования импульсов тока при любом соотношении длительностей прямой-и обратной полярностей может быть любой и не зависит от частоты питающей сети. Дляфегулирования^ соотношения амплитуд в таких ГИТ используют независимые ИНЭ, заряжаемые от индивидуальных выпрямителей, которые разряжают на дуговой промежуток поочередно. Влияние на питающую-сеть таких генераторов незначительно, но заряд ИНЭ от двух промежуточных выпрямителей усложняет конструкцию ГИТ.
Второй подход заключается в использовании ГИТ с ИНЭ, заряжаемыми непосредственного от промышленной сети переменного тока через трансформатор с последующим его разрядом на дугу через коммутирующие ключевые элементы [1; 5; 9; 13; 15; 17; 19; 21; 31; 32; 54; 80; 84; 85; 89; 90]. Конструкция'генератора упрощается за счет отсутствия выпрямителя, но частота формирования импульсов тока всегда равна частоте питающей сети и
12 отсутствует возможность регулирования соотношения амплитуд импульсов прямой и обратной полярностей, что ограничивает технологические возможности таких ГИТ и приводит к существенному влиянию на питающую сеть, уменьшая коэффициенты мощности и формы.
Таким образом, по сравнению с источниками асимметричного синусоидального тока такие генераторы импульсов с ИНЭ с одной стороны обладают лучшими технологическими и эксплуатационными свойствами за счет возможности формирования разнополярных импульсов тока и регулирования соотношений их длительностей и амплитуд. Но вследствие введения ИНЭ с устройствами их заряда увеличиваются масса и габариты ГИТ. Используемые для изготовления индуктивных накопителей активные материалы - медные провода и листовая электротехническая сталь - дороги и тенденция к их подорожанию сохраняется. Поэтому совершенствование таких ГИТ для снижения массы активных материалов актуально.
Качество сварного соединения во многом зависит от стабильности горения дуги, то есть от непрерывности существования дугового разряда в рабочем промежутке. При этом актуально, чтобы стабильность обеспечивалась не только в установившихся режимах при неизменных или медленно изменяющихся условиях сварки, но и в переходных режимах - при резких колебаниях длины дуги, пуске и других переходных режимах.
Кроме этого, качество соединений при технологических процессах, связанных со сваркой на коротких и сжатых дугах, требуют постоянства выделяемой энергии в дуге при формировании как прямой, так и обратной полярностей тока [65; 116]. Для таких процессов является актуальной задача выбора параметров ГИТ, обеспечивающих стабилизацию энергии дуги в заданных пределах.
Поэтому цель настоящей работы - улучшение стабильности сварки и массогабаритных показателей ГИТ путем разработки новых схемотехнических решений ГИТ с ИНЭ.
