Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние и перспективы совершенствования процесса сварки алюминия и его сплавов дугой с неплавящимся электродом (литературный обзор)
1.1 Физические и технологические аспекты сварки алюминия и его сплавов 14
1.2 Проблемы сварки алюминиевых сплавов дугой с неплавящимся электродом 23
1.3 Перспективы применения дуги переменного тока с прямоугольной формой импульса для сварки алюминия и его
сплавов 29
Глава 2. Материалы, оборудование и методики выполнения экспериментов
2.1 Материалы 41
2.2 Оборудование 44
2.3. Методики выполнения экспериментов 46
Выводы к главе 2 53
Глава 3. Разработка конструкции источника питания дуги переменного тока с прямоугольной формой импульса
3.1 Силовая часть источника питания 54
3.2 Схема управления инвертором 60
3.3 Настройка и работа источника питания 66
Выводы к главе 3 71
Глава 4. Статические и динамические вольт-амперные характеристики дуги ПФИ73
4.1. Статические вольт-амперные характеристики дуги ПФИ 73
4.2. Динамические вольт-амперные характеристики дуги ПФИ.... 88
Выводы к главе 4 Кандидатская диссертация
Содержание
Глава 5. Энергетические и технологические характеристики дуги ПФИ
5.1 Параметры и характеристики дуги, определяющие эффективность применения её для сварки 96
5.2. Энергетические и силовые характеристики дуги ПФИ 97
5.3. Проплавляющая способность дуги ПФИ 109
Выводы по главе 5 125
Глава 6. Технологические аспекты применения дуги ПФИ для сварки алюминия и его сплавов 6.1 Общие рекомендации по применению дуги ПФИ для сварки 127
6.2 Разработка технологии аргонодуговой сварки
разнополярными асимметричными импульсами тока
прямоугольной формы неплаеящимся электродом труб из
деформируемых термически упрочняемых алюминиевых
сплавов 130
Выводы к главе 6 134
Общие выводы 136
Литература 139
Приложение 148
- Физические и технологические аспекты сварки алюминия и его сплавов
- Материалы
- Силовая часть источника питания
Введение к работе
Алюминиевые сплавы по объемам применения в качестве конструкционных материалов занимают второе место после сплавов на основе железа, причем область их применения неуклонно расширяется. Это объясняется как доступностью этих материалов, так и уникальным комплексом свойств (низкая плотность, сравнительно высокая прочность, высокая коррозионная стойкость), обуславливающим предпочтительное применения алюминиевых сплавов в аэрокосмической технике, судостроении, химическом аппаратостроении, строительстве и т.д. [1,2,3].
В то же время сварка алюминия и его сплавов, применяемая в качестве одного из основных технологических процессов при изготовлении конструкций из этих материалов, является серьезной проблемой, далекой от своего решения [6,10,13]. Это связанно с особенностями физических, химических и технологических свойств названных материалов: высокая теплопроводность, большой коэффициент линейного расширения, наличие на поверхности заготовок плотной тугоплавкой окисной пленки, склонность к образованию пор, кристаллизационных и холодных трещин при сварке. В результате прочность сварных соединений из алюминиевых сплавов в большинстве случаев уступает прочности основного металла (для некоторых сплавов коэффициент прочность сварного соединения не превышает 0,6 - 0,7) [1,2]. Это свидетельствует о необходимости разработки как новых, более эффективных способов и вариантов сварки алюминиевых сплавов, так и совершенствования существующих.
Для получения качественного сварного соединения любой способ сварки алюминиевых сплавов должен обеспечивать концентрированный нагрев материала в зоне сварки, разрушение окисной пленки на его поверхности и предупреждение повторного ее образования. Из ряда применяемых в настоящее время, способов сварки алюминия и его сплавов в большей мере выполняют эти условия электроннолучевая сварка и
Кандидатская диссертация Введение
сварка в аргоне дугой переменного тока неплавящимся электродом; в результате качество сварных соединений, получаемых посредством этих способов, оказывается более высоким (в сравнении с другими способами) [2,13,48].
Сварка в инертных газах гораздо более оперативна, универсальна и проста в реализации, что обеспечивает данному способу широкое применение при изготовлении конструкций из алюминиевых сплавов, особенно в тех случаях, когда к сварным соединениям предъявляются повышенные требования. Однако этому методу присущи и некоторые недостатки: низкая проплавляющая способность дуги, что негативно сказывается на эффективность его применения и высокий риск появления вольфрамовых включений в металле шва из-за большой тепловой нагрузки на неплавящийся вольфрамовый электрод [19,21].
В последние годы внимание исследователей в области сварочных технологий привлекает дуга переменного тока с прямоугольной формой импульсов (в дальнейшем «дуга ПФИ»). Как показывают полученные к настоящему времени результаты исследований, дуга ПФИ дает возможность раздельно регулировать длительность и амплитуду тока прямого и обратного импульсов и тем самым - изменять в нужную сторону интенсивность теплового и силового воздействия на сварочную ванну, а также уменьшить тепловую нагрузку на вольфрамовый электрод. Это позволяет с уверенностью говорить о том, что применение дуги ПФИ расширяет возможность аргонодуговой сварки неплавящимся электродом алюминиевых сплавов. Работы в этом направлении ведутся в институте электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины (Д.М. Рабкин, А.Я. Ищенко, В.А. Мишенков, А.Г. Чаюн, И.В. Довбищенко, А.Г. Покляцкий, М.Р. Яворская, Н.М. Воропай), Тольяттинском государственном университете (Г.М. Короткова, Г.А. Славин, М.А.Филиппов), Волгоградском государственном техническом университете (И.Е. Лапин, В.А. Косович, А.В. Савинов), а также в США (S. Kyselica, М. Tomsic, S. Barhorst), в Японии (Syogi
Кандидатская диссертация
Введение
Moritaka, Ikkai Toshikage, Onuma Akira, Ishimaru Kazuguki).
Однако сведения об энергетических и технологических характеристиках дуги ПФИ и влиянии на них параметров ее горения ограничены, разрознены и, порой, противоречивы, что затрудняет применение ее в сварочных процессах. Следует также отметить, что источники питания дуги ПФИ, построенные на базе инверторов, практически недоступны исследователям и технологам из-за высокой стоимости, а их характеристики ограничивают потенциальные возможности дуги ПФИ при сварке.
Таким образом, дальнейшие исследования электрофизических, энергетических и технологических характеристик дуги ПФИ, направленные на систематизацию и получения новых данных, позволяют служить основой при разработке конкретных технологических процессов сварки алюминиевых сплавов, является актуальной задачей.
В связи с изложенным целью настоящей работы является разработка новых технологических процессов и оборудования для сварки не-плавящимся электродом алюминия и его сплавов на основе исследования электрофизических и технологических характеристик дуги переменного тока прямоугольной формы импульсов.
Научная новизна работы. Впервые показано, что эффективный КПД дуги ПФИ зависит от соотношения длительностей тпр и т0бР и при увеличении т0бр/тпр+ тобР от 0,06 до 0,55 уменьшается на 6 -s- 8 %. При малых значениях Тобр/тпр + т0бР эффективный КПД близок по своему значению к эффективному КПД дуги постоянного тока прямой полярности, и превышает КПД дуги синусоидального тока на 10 ч-15 %.
Установлено, что термический КПД и проплавляющая способность дуги ПФИ определяется не только величиной тока, но и, силовым воздействием дуги на сварочную ванну. При х0бр/тПр+ ХобР = 0,06 -s- 0,37 возможно, применяя электроды с различной конструкцией рабочего участка, обеспечить горение дуги ПФИ как с сосредоточенным, так и с рассредоточенным катодными пятнами. Это позволяет изменять проплав-
Кандидатская диссертация Введение
ляющую способность дуги ПФИ в нужную сторону и, тем самым, повысить эффективность ее применения при сварке и наплавке.
УСТаНОВЛеНО, ЧТО При ИЗМенеНИИ СООТНОШеНИЯ ДЛИТеЛЬНОСТИ Тобр/Т
от 0,06 до 0,87, напряжение горения дуги прямой полярности снижается до значения 3,5 -з- 4 В, что существенно меньше напряжения горения стационарной дуги постоянного тока. Это обстоятельство необходимо учитывать при расчете энергетических характеристик дуги.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
Разработана новая конструкция инверторного источника питания для сварки неплавящимся электродом алюминия и его сплавов асимметричными разнополярными импульсами тока прямоугольной формы.
Исследованы электрофизические и энергетические характеристики дуги переменного тока с прямоугольной формой импульсов.
Изучены технологические особенности дуги переменного тока с прямоугольной формой импульсов.
Разработаны рекомендации по выбору конструкции неплавя-щихся электродов и технологических параметров режимов при сварке и наплавке алюминия и его сплавов дугой переменного тока с прямоугольной формой импульсов.
Разработаны и внедрены новые технологические процессы сварки неплавящимся электродом изделий из алюминиевых сплавов дугой переменного тока с прямоугольной формой импульсов.
На защиту выносятся:
1. Конструкция источника питания дуги переменного тока прямоугольной формы, обеспечивающий возможность регулирования амплитуды и длительности импульсов тока прямой и обратной полярности.
Кандидатская диссертация Введение
Результаты исследований электрофизических и энергетических характеристик дуги переменного тока с прямоугольной формой импульсов.
Результаты исследований технологических особенностей дуги переменного тока с прямоугольной формой импульсов.
Рекомендации по выбору технологических параметров при сварке алюминия и его сплавов дугой переменного тока с прямоугольной формой импульсов.
7. Технология сварки конструкций из алюминия разнополярными импульсами тока прямоугольной формы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и результатов работы, списка использованной литературы и приложения. Она изложена на 159 листах машинописного текста, содержит 68 рисунков и 10 таблиц. Список литературы содержит 90 наименований.
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель работы, ее научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведен обзор литературных данных по сварке алюминия и его сплавов, показаны актуальные проблемы сварки алюминиевых сплавов. Рассмотрено состояние и перспективы совершенствования процесса сварки алюминия и его сплавов дугой с неплавящим-ся электродом. Обоснованна перспективность применения дуги переменного тока с прямоугольной формой импульса для сварки алюминия и его сплавов.
Во второй главе приведены данные о свойствах применяемых в исследованиях материалов, оборудовании и приборах, используемых в работе, а также методики решения поставленных задач.
Третья глава посвящена разработке инверторного источника питания дуги переменного тока с прямоугольной формой импульсов, обес-
Кандидатская диссертация Введение
печивающий возможность регулирования амплитуды и длительности импульсов тока прямой и обратной полярности.
В четвертой главе приведены исследования электрофизических характеристик дуги переменного тока с прямоугольной формой импульсов. Показано влияние длительности импульсов обратной полярности и длины дуги на напряжения горения дуг прямой и обратной полярности. Приведены осциллограммы тока и напряжения дуги ПФИ показаны статические и динамические характеристики ее.
Пятая глава посвящена исследованию энергетических и технологических характеристик дуги ПФИ. Показано влияние длительности импульсов обратной полярности, длины дуги, скорости сварки на проплавляющую способность дуги.
В шестой главе даны рекомендации по выбору режимов сварки алюминиевых сплавов дугой ПФИ, рассмотрены основы разработки новых технологических процессов. Описана технология сварки дорнов из термоупрочняемых сплавов разнополярными импульсами тока прямоугольной формы.
В заключении представлены общие выводы по работе.
В приложении к работе приведены спецификация элементной базы инвертора, патент на изобретение (источник питания для сварки асимметричными разнополярными импульсами тока прямоугольной формы), акты внедрения технологии ремонтной сварки транспортировочных емкостей из алюминия на ЗАО ПКК «Славянка»; разработки и изготовления аппаратуры для дуговой сварки неплавящимся электродом электротехнических элементов из алюминия в монтажных условиях на Волгоградской дистанции электроснабжения Приволжской железной дороги; разработки технологии аргонодуговой сварки и наплавки неплавящимся электродом труб из деформируемых термически упрочняемых алюминиевых сплавов на Волжском научно-техническом комплексе (ВНТК); изготовление биметаллических заготовок ножей разъедините-
Кандидатская диссертация Введение
лей высоковольтных силовых цепей для ОАО «Камышинские электрические сети».
Основные положения диссертационного исследования опубликованы в работах:
Устройство для дуговой сварки разнополярными прямоугольными импульсами тока: Патент №2135336 РФ/ И.Е.Лапин, В.А.Косович, А.Н.Потапов, А.В.Савинов. - №98109459/20; Заявл.12.05.98; Опубл.27.08.99. - Бюл. № 24. - 240 с.
Косович В.А., Лапин И.Е., Потапов А.Н., Савинов А.В. Оптимизация параметров однофазных сварочных выпрямителей со вспомогательной цепью питания//Сварочное производство. - 1996. - № 7. - С.29 -30.
Косович В.А., Лапин И.Е., Потапов А.Н., Русол О.А. Коростелев Б.А. Электрические и тепловые характеристики малоамперной дуги постоянного тока с вольфрамовым электродом//Сварочное производство. -1998.- №7.-С.29-30.
Лапин И.Е., Косович В.А., Савинов А.В., Потапов А.Н. Тепловые условия работы неплавящихся электродов при сварке алюминия разно-полярными импульсами прямоугольной формы//Сварочное производство. - 2000. - № 10. - С.З - 5.
Косович В.А., Лапин И.Е., Потапов А.Н., Русол О.А. Пространственная устойчивость дуги и формирование шва при сварке тонколистового алюминия разнополярными импульсами тока прямоугольной фор-мы//Сварочное производство. - 2001. - № 5. - С.З - 5.
Косович В.А., Лапин И.Е., Потапов А.Н., Савинов А.В., Лысак В.И. Статические и динамические вольт-амперные характеристики дуги вольфрам - алюминий» с прямоугольной кривой переменного то-ка//Автоматическая сварка. - 2001. - № 10. - С.51 - 55.
Кандидатская диссертация Введение
Лапин И.Е., Косович В.А., Потапов А.Н., Савинов А.В. Энергетические характеристики дуги переменного тока с прямоугольной формой импульсов при сварке алюминиевых сплавов//Сварочное производство.. -2002.-№ 10.-С.З-6.
Лапин И.Е., Косович В.А., Потапов А.Н., Русол О.А. Пространственная устойчивость и проплавляющая способность дуги переменного тока при сварке алюминия // Сварка и пайка в машиностроении и приборостроении: Тез.докл.науч.-техн.конф. - Пенза, 1997. - С. 19 - 21.
Лапин И.Е., Косович В.А., Потапов А.Н., Савинов А.В. Инвертор-ная приставка к сварочным выпрямителям// Сварка и пайка в машиностроении и приборостроении: Тез.докл.науч.-техн.конф. - Пенза, 1997. -С.22 - 24.
10) Савинов А.В. Лапин И.Е., Косович В.А., Потапов А.Н., Инвер-
торный источник питания для дуговой сварки на переменном токе// Но
вые материалы и технологии НМТ - 98: Тез.докл.Всерос. науч.-тех.
конф.- Москва, 1998. - С.78-79.
11) Савинов А.В., Потапов А.Н., Филиппов О.И., Расчетно-
экспериментальная оценка условий работы неплавящихся электродов
при дуговой сварке// IV межвузовская конференция молодых ученых
Волгоградской области: Тез.докл.науч.-техн.конф. - Волгоград, 1998. -
С. 130-131.
Потапов А.Н., Савинов А.В., Филиппов О.И., Лапин И.Е. О качестве катодной очистки при дуговой сварке алюминия неплавящимся электродом// IV межвузовская конференция молодых ученых Волгоградской области: Тез.докл.науч.-техн.конф. - Волгоград, 1998. - С. 139-140.
Косович В.А., Лапин И.Е., Потапов А.Н. Влияние конструкции неплавящегося электрода на проплавляющую способность дуги при сварке алюминия// Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий: Тез.докл.науч.-техн.конф. - Волгоград, 1999. - С.8-9.
Кандидатская диссертация Введение
Косович В.А., Лапин И.Е., Потапов А.Н., Филиппов О.И. Влияние параметров дуги переменного тока на катодную очистку при сварке алюминия и его сплавов// "Славяновские чтения" "Сварка - XXI": Тез.докл.Российской науч.-техн.конф. -Липецк, 1999. -С.131 -135.
Косович В.А., Лапин И.Е., Потапов А.Н. Энергетические характеристики дуги переменного тока с прямоугольной кривой его изменения при сварке алюминия// Сварка-контроль: Тез.докл.науч.-техн.конф. - Челябинск, 2000. - С.76-78.
Косович В.А., Лапин И.Е., Потапов А.Н. Вольтамперные характеристики дуги «вольфрам-алюминий» с прямоугольной кривой переменного тока// Новые материалы и технологии на рубеже веков: Тез.докл. межд.науч.-техн.конф.ч.2 - Пенза, 2000. - С.103-106.
Лапин И.Е., Косович В.А., Потапов А.Н. Энергетические характеристики дуги " Вольфрам - алюминий" с прямоугольной кривой переменного тока// Новые материалы и технологии НМТ - 2000: Тез.докл.Всерос. науч.-тех.конф. - Москва, 2000. - С.64 - 65.
Лапин И.Е., Потапов А.Н., Косович В.А. Технологические свойства дуги с прямоугольной кривой переменного тока при сварке непла-вящимся электродом алюминия и его сплавов // Новые материалы и технологии НМТ - 2000: Тез.докл.Всероссийской науч.-тех.конф.- Москва, 2000. - С.65 - 66.
Савинов А.В., Лапин И.Е., Потапов А.Н. Критерии выбора не-плавящихся электродов для сварки на переменном токе импульсами прямоугольной формы// Перспективные пути развития сварки и контроля - «Сварка и контроль - 2001»: Тез.докл.Всероссийской науч.-тех.конф.-Воронеж, 2001. - С. 159 -162.
20) Лапин И.Е., Власов С.Н., Потапов А.Н. Ресурс работы непла-
вящихся электродов при аргонодуговой сварке// «Современные мате-
Кандидатская диссертация
Введение
риалы и технологии - 2002»: Тез.докл.науч.-тех.конф.- Пенза, 2002. -С.286 - 288.
21) Лапин И.Е., Атаманюк В.И., Савинов А.В., Потапов А.Н. Особенности тепловых условий работы неплавящихся электродов при сварке цветных металлов и их сплавов// «Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2002»: Тез.докл.Всероссийской науч.-тех.конф.- Пермь, 2002.-С. 159.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Сварка и пайка в машиностроении и приборостроении», 1997 г., г. Пенза; IV межвузовской конференции молодых ученых Волгограда и Волгоградской области, 1998 г., г. Волгоград, международной традиционной научно технической конференции «Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий», 1999 г., г. Волгоград, всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ - 2000», 2000 г., г. Москва; ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ и научных семинарах кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» ВолгГТУ, г. Волгоград.
Кандидатская диссертация Главд I
Физические и технологические аспекты сварки алюминия и его сплавов
Специфические свойства алюминия, обусловившие широкое распространение его сплавов в качестве конструкционных материалов, в значительной мере определяют и проблемы их сварки. Так, например, высокие значения теплоемкости, теплопроводности и скрытой теплоты плавления алюминия предопределяют при его дуговой сварке необходимость в значительно больших (в сравнении со сваркой стали) сварочных токах (в 1,2 -f 1,5 раз [1]). По тем же причинам при сварке плавлением алюминия и его сплавов в общем случае необходимы источники нагрева с максимальной концентрацией вводимой в свариваемое изделие энергии.
Легкая окисляемость алюминия в твердом и расплавленном состоянии обуславливает существенные затруднения при сварке, поскольку образующаяся тугоплавкая пленка окиси алюминия препятствует формированию шва и служит источником неметаллических включений в металле шва [1 -г 3,10,11 ].
Из-за большой жидкотекучести алюминия и низкой прочности при температуре выше 550С требуется применение подкладок при сварке плавлением [1], а из-за высокого коэффициента температурного расширения алюминия и сплавов на его основе и значительной усадки при кристаллизации сварного шва наблюдаются большие остаточные деформации сварных соединений.
Помимо перечисленных, к проблемам сварки алюминиевых спла Кандидатская диссертация следует отнести повышенную склонность их к образованию трещин [1 - 3]; последние в большинстве случаев являются кристаллизационными (так называемые горячие трещины). При сварке некоторых сплавов повышенной прочности (например, легированных цинком и магнием) возможно появление холодных трещин. Для их предотвращения применяют предварительный подогрев заготовок (или локальный подогрев мест сварки) до температуры 250 - - 400 С [1]. Однако в работе [2] отмечается, что при сварке подогретого металла получаются низкие механические свойства соединений. Что касается кристаллизационных трещин, то предупреждение их появления обеспечивается мерами как технологического, так и металлургического характера. В качестве мер металлургического характера вводят модифицирующие добавки небольших количеств циркония, титана и скандия, а также обеспечивают оптимальный химический состав металла шва. Так, например, даже малые добавки скандия в металле шва при сварке сплава АМгб присадочной проволокой 01571 оказывают положительное модифицирующее действие, уменьшая вероятность появления горячих трещин [4]. По мнению Раб-кина Д.М. [3] - эффективной технологической мерой предупреждения трещин для этих сплавов служит ускоренное охлаждение металла шва, обеспечиваемое применением концентрированных источников нагрева и высоких скоростей сварки.
Одной из серьезных проблем сварки алюминиевых сплавов является обеспечение равнопрочности сварных соединений основному металлу. Эта проблема сравнительно просто решается при сварке алюминия и сплава АМц. Однако при сварке алюминивомагниевых сплавов получить равнопрочное соединение значительно сложнее. Снижение прочности сварного соединения из этих сплавов по данным Гуревич ОМ. связано с обеднением твердого раствора магнием, тем более значительным, чем медленнее остывает кристаллизующийся металл [3].
Материалы
В качестве неплавящихся электродов применяли прутки диаметром от 2 до 5 мм из вольфрама лантанированного (ЭВЛ) (ТУ 48-19-27-77), вольфрама технически чистого (ЭВЧ) (ТУ 48-19-39-79) и вольфрама иттрированного (ЭВИ-2) (ТУ 48-19-222-76). Химический состав их приведен в табл. 2.1 [20].
Примечание: 1. Указанные в таблице массовые доли окиси лантана, окиси иттрия и тантала входят в массовую долю вольфрама.
Для марки ЭВЛ Ni в сумму примесей не входит.
Рабочий участок электрода затачивали на полусферу. В некоторых специально оговариваемых случаях применяли электроды других конструкций, обычно используемых для сварки дугой на постоянном токе [21]: с конической заточкой, композиционные и с полостью на рабочем участке (рис. 2.1). Угол заточки первых составлял 30, 45 и 60, диаметр притупления dn = 1 + 1,5 мм. Композиционные электроды представляют собой биметаллический стержень с медной оболочкой и вольфрамовым сердечником, рабочий участок которого свободен от меди на длине 6 мм. В опытах диаметр композиционного электрода dK составлял 5 ч- 6 мм, диаметр вольфрамового сердечника dB - 2 мм. Электроды с полостью на рабочем торце (рис. 2.1,в) изготавливали механической обработкой вольфрамовых прутков диаметром dK = 5 мм; диаметр полости dn составил 3 мм, глубина полости пп= 5 мм, толщина стенки - 0,35 мм.
Вторым электродом, выполнявшим роль свариваемого материала, служили пластины из алюминиевых сплавов АМгб и АМц размерами в плане 200 х 250 мм, и толщиной от 4 до 10 мм. Химический состав этих сплавов представлен в табл. 2.2. Эпизодическое применение других материалов отмечается в соответствующих разделах.
В качестве защитного газа применяли аргон чистый высшего сорта
Опыты выполнялись на специально созданном для этой цели лабораторном стенде (рис. 2.2.), включающем горелку 1, закрепленную на кронштейне 2 с возможностью горизонтального и вертикального перемещения, тележку 3 с приводом от электродвигателя, скорость которой можно изменять плавно от 12 м/ч до 40 м/ч, приспособление для фиксации алюминиевой пластины 6, систему газаподвода, водяное охлаждение горелки 5 и энергопитание. Источником питания служил разработанный автором (в соавторстве) на уровне изобретения (патент 2135336 РФ) инверторный источник питания 4, обеспечивающий возбуждение и устойчивое горение дуги переменного тока с прямоугольной формой импульсов (источник питания подробно описан в главе 3) [62]. Лабораторный стенд оснащен электроизмерительными приборами двухлучевым осциллографом С1 - 77, двухлучевым запоминающим осциллографом С8 - 14 7. При необходимости для наблюдения и анализа процессов горения дуги применяли микроскоп МБС - 9 и цифровую видеокамеру. С помощью последней осуществляли видеосъемку осциллограмм, после чего аналоговое изображение с видеоносителя перекодировали в цифровую форму, через адаптер - в компьютер IBM PC для последующего анализа.
В необходимых случаях вместо алюминиевой пластины 6 на тележку 3 устанавливали жидкостной непроточный калориметр с целью измерения теплового потока от дуги в свариваемый материал, которым служила алюминиевая пластина. Калориметр представляет собой две емкости, помещенных одна в другую (внутренняя ёмкость залита водой), изолированных снаружи кожухом из алюминиевой фольги.
Силовая часть источника питания
На базе изложенных в первой главе предпосылок был разработан новый источник питания для дуговой сварки разнополярными прямоугольными импульсами тока, обеспечивающий устойчивое горение дуги в широком диапазоне токов, и позволяющий раздельно регулировать длительность и амплитуду импульсов прямой и обратной полярности (патент №2135336, Россия) [59].
Источник питания (рис. 3.1) включает следующие основные узлы: тиристорныи инвертор 1, основной 2 и дополнительный 3 источники постоянного тока, переключатель 4. Выходные клеммы основного источника постоянного тока 2 соединены с входными клеммами 5, 6 j инвертора. Клемма «минус» дополнительного источника постоянного тока 3 соединена через переключатель 4 с выходными клеммами 7, 8 инвертора. Клемма «плюс» дополнительного источника постоянного тока соединена с входной клеммой 5 инвертора. (Возможно и другое соединение дополнительного источника постоянного тока с инвертором: клемма «плюс» - через переключатель 4 с клеммами 7, 8, а клемма «минус» - с клеммой 6). Выходная клемма 7 инвертора соединена с неплавящимся электродом 9, а выходная клемма 8 - со свариваемым материалом 10.
Инвертор выполнен по однофазной мостовой схеме с параллельной коммутацией (рис 3.2). Он состоит из четырех силовых тиристоров VTci, VTc2, VTC3, VTC4, четырех коммутационных тиристоров VTK1, VTK2, VTK3, VTK4I , четырех диодов VD VD2, VD3, VD4, двух конденсаторов CKi, Ск2 и двух дросселей LKi, LKi.
Работа инвертора основана на переключении в соответствующей последовательности полупроводниковых приборов, используемых в качестве ключевых элементов инверторного моста. Силовые тиристоры служат для формирования положительных и отрицательных импульсов выходного напряжения. Коммутирующие тиристоры, конденсаторы, дроссели, а также обратные диоды образуют параллельные коммутирующие устройства, подключенные к левому и правому плечам инвертора. Они обеспечивают выключение силовых тиристоров в конце каждого импульса выходного напряжения. В результате резкого переключения полярности прикладываемого к нагрузке напряжения форма его на дуге является прямоугольной с высоким значением du/dt, достигающим 170 кВ/с при смене полярности [60] (рис. З.З.г).
Спецификация элементной базы инвертора приведена в приложении 1.
Необходимо отметить, что в тиристорных инверторах при проведении операций переключения во избежание короткого замыкания источника перед отпиранием тиристоров, работающих в одной паре, следует предварительно запереть другую пару тиристоров [61]. Это требует сокращения интервалов проводимости тиристоров на время 5, что учитывают при построении схемы управления инвертором и выборе мощных быстродействующих полупроводниковых элементов. Интервал 5 соответствует запиранию очередной пары силовых тиристоров под действием узла принудительной коммутации, состоящего из конденсатора Ск1, дросселя LK1 в одном плече и Ск2,1_к2 в другом плече инвертора, и определяется временем прохождения цикла перезаряда конденсаторов Скі, Ск2. Коммутационные процессы обуславливаются поочередными перезарядами конденсаторов Скі, Ск2 в контурах с тиристорами VTKi, VTK4 или (в другой фазе) VTK2 \Л"КЗ. В коммутационном узле проявляется эффект последовательного накопления энергии, в связи с чем напряжение на конденсаторе Uc0
