ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Машины и автоматизация сварочного производства»

 

ИЗУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

 ПЕРЕНОСОМ МЕТАЛЛА ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ ПЛАВЯШМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ

 

Методические указания по выполнению лабораторной работы по дисциплине

«Автоматизация сварочных процессов»

 

Составитель     доктор техн. наук, проф. Ленивкин В.А.

 

Электронная версия лабораторной работы составлена на базе издания: Изучение и исследование системы управления переносом металла при сварке плавящимся электродом: Метод. указания /ДГТУ, Ростов н/Д, 2008. – 13 с.

Для студентов всех форм обучения по спе­циальности 150202.

 

В методических указаниях рассматриваются импульсные источники питания, применяемые при сварке в защитных газах, для получения управляемого переноса ме­талла. Изучаются принципы управления переносом металла, типы ис­точников, принцип их работы и построение этих устройств

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Ознакомиться со способами управления переносом металла при дуговой сварке плавящимся электродом. Изучить основные принципы построения автоматических систем управления переносом металла.

 

2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

2.1. Теоретические положения

Импульсно-дуговая сварка (ИДС) плавящимся электродом относится к механизированным способам сварки с программным управлением про­цессом, в частности, с периодически изменяющейся мощностью дуги. Программное управление процессом сварки предусматривает измене­ние основных энергетических параметров режима - напряжения и тока дуги. Такое изменение энергетических параметров режима преследует две технологичес­кие цели: воздействие на процессы у электрода (управление пере­носом металла и связанные с ним процессами) и воздействие на процессы в сварочной ванне и околошовной зоне (управление кри­сталлизацией металла шва и термическим циклом). Типичная осциллограмма импульсно-дуго­вой сварки плавящимся электродом показана на рис. 1.

 

 

Рис. 1. Осциллограмма тока и напряжения дуги при ИДС: длительность: t_И – импульса; t_П – паузы; Тц – цикла

 

Основными пара­метрами ИДС плавящимся электродом являются ампли­туда, длительность и частота их следования f. Импульсы тока выбираться из условия обеспечения управляемого переноса металла, т.е. отрыв капли от электрода каждым импульсом тока. Ам­плитуда импульсов, обеспечивающая управляемого пере­носа металла, определяется из эмпирической формулы:

 

,

 

где: σ – поверхностное натяжение материала электрода; d_э – диаметр электрода; I_с – эффективный ток процесса: I_с = 0,786γυ_п d_э/k_пл; γ – плотность металла электрода; υ_п – скорость подачи электрода; k_пл – коэффициент расплавления электрода.

2.2. Схемы включения источников питания

По назначению различают источники для сварки в инертных, активных защитных газах и универсального типа. Как правило, эти источники – однопостовые. По форме генерируемых униполяр­ных импульсов тока: экспоненциальные; затухающая синусоида; синусоидальные (часть синусоид); прямоугольные; импульсы слож­ной формы.

По способу управления переносом металла импульсные источни­ки подразделяются на источники, работающие по «жёсткой» программе, и на источники с обратными связями.

В зависимости от способа генерирования импульсов тока, прин­ципа построения силовой схемы, наличия или отсутствия сварочного источника питания базового тока можно выделить четыре основные схемы включения источников питания при импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом (рис. 2).

 

 

Рис 2. Схемы включения источников питания при ИДС плавящимся элек­тродом (ГИ – генератор импульсов; ИП – сварочный источник; УИ – универсальный источник; К – ключ; V – диод; Э – плавя­щийся электрод; И – изделие): а – парал­лельное включение ГИ и выпрямителя; б – па­раллельное включение ГИ и преобразователя; в – последовательное включение ГИ и выпря­мителя; г – питание сварочного поста от УИ

 

При наличии генераторов импульсов и сварочного выпрямите­ля (рис. 2,а) осуществляется их непосредственное параллельно- встречное соединение, и через замыкающий контакт силового контактора К подключают к сварочной дуге зажимы Э и И.

Если в качестве сварочного источника используется преобразователь постоянного тока, то генератор импульсов и преобразователь включаются аналогично. С целью предотвращения размагничивания (перемагничивания) генератора и исключения шунтирования импульсного источника ма­лым сопротивлением цепи якоря генератора последовательно в цепь якоря в проводящем направлении включают защитный силовой диод (рис. 2.6). Возможно также последовательное включение исто­чников питания (рис. 2, в). При питании дуги от универсального импульсного источника питания, совмещающего функции сварочного выпрямителя и генератора импульсов, источник подключается к ду­ге как обычный сварочный выпрямитель (рис. 2, г).

 

2.3. Импульсный источник питания с накопителем энергии

 

2.3.1. Схема импульсного источника питания

Источник конденсаторного типа имеет, наиболее широкое применение. В них длительность импульсов регулируется в широких пределах изменением частоты соб­ственных колебаний разрядного контура и не связана с длительно­стью полупериода изменения напряжения питающей сети. Амплитуду импульсов можно регулировать в широких пределах изменением заря­да конденсатора. Принципиальная схема источника питания конден­саторного типа, показана на рис. 3, а в виде отдельных блоков на рис. 4. Источники генерируют импульсы  частотой 100 или 33 имп/с, подаваемых в сварочную цепь со вторичной обмотки силового трансформатора.

 

 

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема с накопителем энергии

 

Блоки управления зарядным и разрядным коммутатором импульсного источника питания с накопителем энергии (батарея конденсаторов С) выполнены из одинаковых узлов.

Блок управления разрядным коммутатором выполнен аналогично блоку управления зарядным коммутатором, только в нем отсутству­ет фазовращающий мост.

 

 

Рис. 4. Блок-схема импульсного источника питания с накопителем энергии

 

В этом блоке на транзисторе VT1 собран формирователь импульсов, который получает сигнал на базу от выпрямителя, собранного из вторичной обмотки трансформатора Т2 со средней точкой и диодного выпрямителя В2 На транзисторе VT2 со­бран эмиттерный повторитель, а на транзисторе VT3 – выходной каскад. Переключателем S1 устанавливается частота следования импульсов 100 или 33 имп/с. При работе схемы на частоте 33 имп./с в блок управления разрядным коммутатором подключается блок выдержки времени. Этот блок представляет собой ждущий мультивибратор.

 

2.3.1. Фазовращательный мост

Фазовращательный мост рис.5 предназначен для изменения фазы управляющего синусоидального напряжения относительно напряжения сети. Он состоит из вторичной обмотки трансформатора Т2 с выведенной средней точкой, емкости CI и актив­ных сопротивлений резисторов RI, R2, R3.

Рис. 5. Фазовращательный мост	Рис. 6. Изменение фазы между управляющим и сетевым напряжением фазовращательным мостом

Изменяя сопротивле­ние резистора R2, можно плавно изменять сдвиг по фазе между управляющим напряжением U_упр и напряжением сети U_сети на φ₁ (рис. 6).

 

2.3.2. Формирователь

Формирователь предназначен для формирования из сдвинутого по фазе синусоидального напряжения U_ф управляющих импульсов с крутым передним фронтом и малой длительностью (рис. 7).

 

 

Рис. 7. Формирователь

 

Транзистор VT1 (типа р-n-р) включен по схеме с общим эмиттером. Если потенциал базы относительно эмиттера равен нулю или положителен, то транзистор VT1, заперт, т.е. напряжение на выходе из того транзистора (клеммы с, α) равно напряжения источника питания. Для того чтобы открыть транзистор типа р-n-р, необходимо к переходу база эмиттер подвести напряжение в прямом направлении, т.е. потенциал базы должен быть меньше потенциала эмиттера, тогда открывается р-n-переход эмиттер база, через транзистор VT1 пойдет ток, величина которого ограничена ре­зистором R4. При больших значе­ниях тока базы коллекторный ток увеличивается до определенного значения, равного току насыщения. При этом дальнейшее изменение то­ка базы не вызывает изменения кол­лекторного тока, т.е. транзистор VT1 работает в режиме насыщения. Напряжение на выходных клеммах с, α равно нулю. Так как к пере­ходу база-эмиттер в течение большей части полупериода сетевого напряжения подведено отрицательное напряжение (переход эмиттер база включен в прямом направлении), то в течение большей части полупериода транзистор VT1 открыт, работает в режи­ме насыщения, а на выходных клеммах с, α снимают остроконечные импульсы малой длительности

 

2.3.3. Эмиттерный повторитель

Часто в различных системах управ­ления находят применение источники импульсов, обладающие малым выходным сопротивлением. Чтобы не вызвать иска­жение формы импульсов, необходимо согласовать выходное сопротивление источника импульсов с входным сопротивлением последующего каскада. Для этих целей использован эмиттерный повторитель, который служит для согласования каскадов (формирователь, выходной каскад), собранных на транзисторах VT1 и VT3 (рис. 8), входной (с, α) и выходной (е, f) сигналы эмиттерного повторителя одина­ковы по напряжению.

 

 

Рис. 8. Эмиттерный повто­ритель

 

2.3.4. Выходной каскад

Выходной каскад служит для усиления по мощности импульса, поступающего с выхода эмиттерного повторителя (рис.9). Выход­ной каскад состоит из транзистора VТ3, нагрузкой которого явля­ется первичная обмотка импульсного трансформатора ТЗ. раздели­тельной емкости С2. Низкоомного резистора R7. Диод V3 за­щищает транзистор VТ3 от перенапряжения в момент переключений. Со вторичных обмоток w2 и w3 импульсного трансформатора Т3 поступают отпирающие импульсы на тиристоры VS1, VS2 управляемого выпрямителя.

 

 

Рис. 9. Выходной каскад

 

2.4.2. Ждущий мультивибратор

Мультивибратор является импульсным генератором, у которо­го положительная обратная связь осуществляется при помощи фазовращающего каскада.

Весьма часто в качестве ждущего импульсного генератора используется мультивибратор с эмиттерной связью рис. 12. Его преимущест­ва по сравнению с другими подобными схемами заключаются в генерировании выходных импульсов прямоугольной формы, в простоте ре­гулировки длительности выходных импульсов, в четком запуске. Схема может просто переводиться в заторможенный режим без специального источника смешения.

 

 

Рис. 12. Ждущий мультивибратор

 

При включении источника питания в схеме ждущего мультивиб­ратора транзистор VT7 запирается, а транзистор VT8 открыва­ется. Это связано с тем, что при появлении тока на резисторе RI9 создается положительное смещение для базы VТ7, и он за­пирается.

Одновременно с ростом напряжения на коллек­торе VT7 растет отрица­тельное смещение на базе транзистора VT8, и он открывается. Ждущий муль­тивибратор приходит в ус­тойчивое (ждущее) состоя­ние. Транзистор VT7 от­крывается отрицательными импульсами, которые по­ступают на вход ждущего мультивибратора с коллектора VT4 через дифференцирующую цепочку С3, R10 и диод V4.

Отрицательные импульсы следуют с частотой 100 имп/с С приходом на базу VT7 отрицательного импульса схема переходит во временно неустойчивое состояние, транзистор VT7 открывает­ся, а VT8 запираете. При запирании транзистора VT8 падение напряжения на нем достигает напряжения источника питания, и на­чинают заряжаться конденсаторы С7 и С8. Выдержка времени ждущего мультивибратора определяется величинами емкости конденсаторов С7, С8 сопротивлением резисторов R20, R21, R22. Номиналь­ные значения этих величин подобраны так, что время выдержки составляет 22...25 мс.

Ток заряда конденсатора С8 создает на резисторе R22 отри­цательное смещение базы транзистора VT7, удерживая его в открытом состоянии. Отрицательные импульсы, попадающие во вре­мя заряда конденсаторов С7, С8 на базу транзистора VT7, не изменяют состояние схемы. При времени заряда С7, С8, равном 22...25 мс, только каждый-четвертый импульс переводит ждущий мультивибратор во временное неустойчивое состояние. Схема возвра­щается в исходное состояние при снижении заряда на С8, а, следовательно, и отрицательного смещения на базе транзистора VT7до уровня его запирания. Транзистор VT8 открывается. При этом емкости С7 и С8 разряжаются. Основной ток разряда проходит через откры­тый переход коллектор эмиттер транзистора VT8, резисторы R19, R22, величина сопротивления которых значительно меньше со­противления резисторов R20, R21, что обеспечивает быстрый переход схемы в исходное положение.

При переходе транзистора VT8 из открытого состояния в за­крытое и последующем через выдержку времени возврату в открытое состояние на выходе мультивибратора формируется отрицательный прямоугольный импульс После дифференцирования прямоугольных им­пульсов цепочкой С5, RI3 на вход транзистора VT6 при положе­нии переключателя S1 – 33 имп/с поступает отрицательный импульс через каждые 30 мс, что соответствует каждому четвертому импульсу, подаваемому на вход ждущего мультивибратора. При этом на разрядный тиристор VS15 поступают управляющие импульсы с периодом 30 мс.

 

2.4.3. Силовая схема сварочного поста

Силовая схема сварочного поста для импульсно-дуговой свар­ки плавящимся электродом с параллельным включением основного и импульсного источников питания (рис. 10) состоит из следующих устройств:

·        основного источника питания с жёсткой или пологопадающей характеристикой;

·        токового реле К, включающего импульсный источник питания при появлении тока в цепи основного источника;

·        индуктивностей LI и L2, регулирующих длительность paзрядных импульсов тока. В зависимости от положения переключателя «Q1» можно установить три фиксированных длительности импульсов;

·        управляемого разрядного тиристора VS3 от рабочей ёмкости С;

·        тиристоров VSI, VS2 в зарядной цепи рабочей емкости;

·        защитных цепочек (С9, R23, C10, R24);

·        понижающего трансформатора TI, вторичная обмотка со средней точкой. Первичная обмотка Т1 пакетным выключателем Q2 подключена к сети »380В. Од­новременно Q2 включает трехфазный асинхронный двигатель венти­лятора. При правильном направлении вращения двигателя (поток воздуха направлен на тиристоры) реле обдува «K1» замыкает свои контакты в схеме управления разрядным коммутатором.

 

2.4.4. Работа схемы

При включении пакетного выключателя Q2 (рис. 10) подаётся сетевое напряжение на силовой трансформатор T1, трансфор­матор схемы управления- Т2 и электродвигатель М, При включении основного источника питания G, токовое реле К срабатывает и за­мыкает свои замыкающие контакты К в цепях управления зарядным и разрядным коммутаторами. Из блока управления зарядами коммута­тором поступают импульсы, открывающие тиристоры VS1 или VS2, с постоянной частотой 100 имп/с. С приходом отпирающего импуль­са открывается тот тиристор, у которого анод находится под положительным по отношению к катоду потенци­алом.

 

3. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

1. Ознакомиться со способами управления переноса электродного металла при дуговой сварке плавящимся электродом.

2. Изучить устройство и принцип работы блоков, импульсного источника питания.

3. С помощью электронного осциллографа исследовать работу импульсного источника питания. Определить форму сигналов, упра­вляющих работой тиристоров, и напряжение на рабочей ёмкости.

4. Построить временную диаграмму работы импульсного источ­ника питания.

Состав оборудования, необходимого для выполнения работы приведен в табл.1.

Таблица 1

 

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Собрать схему макета сварочного поста.

2. Выявить, с каких блоков выведены клеммы для наблюдения сигналов,

3. Исследовать и изучить формы сигналов, вырабатываемых различными блоками.

4. Построить временные диаграммы команд, действующие в им­пульсном источнике.

5. Определить параметры импульсов тока на дуге (амплитуду и длительность) при различных значениях индуктивности.

 

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Цель работы.

2. Рабочее задание.

3. Схема источника (только силовая часть с накопителем энергии).

4. Временные диаграммы и формы сигналов в различных блоках источника: сетевого напряжения; управляющих импульсов зарядным и разрядным устройствами; напряжение на рабочей батарее; импульсы тока дуги.

5. Определить амплитуду и длительность генерируемых импульсов

 

6. ЛИТЕРАТУРА

1. Дюргеров Н.Г., Сагиров Х.Н., Ленивкин В.А. Оборудование для импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом. - М.: Энергоатомиздат, 1985. – 80 с.

2. Ленивкин В.А. Автоматизация сварочных процессов. Учеб. пособие. /ДГТУ, Ростов н/Д. 2008. – 162 с.

 

7. ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ при выполнении лабораторной работы

1. К работе в лаборатории допускаются студенты после про­хождения инструктажа по технике безопасности и росписи в кон­трольном листе.

2. Перед началом работ необходимо проверить наружным осмотром исправность приборов и изоляции токоведущих частей, нали­чие заземления и защитных кожухов.

3. Запрещается, работать на неисправных приборах, при нару­шении изоляции токоведущих частей, отсутствии заземления.

4. Перед началом включения все выключатели должны быть разомкнуты.

5. Собранная для работы схема должна быть проверена пре­подавателем или лаборантом и только с их разрешения может бить включена к источнику питания.

6. Электрическая цепь включается только на время измере­ния.

9. Во время перерывов необходимо выключать приборы и цент­ральный щит электропитания. Помещение проветрить.

10. После окончания лабораторных работ студенты обязаны обес­точить и разобрать схему, сдать приборы и приспособления лаборанту и привести в порядок рабочее место.

Запрещается:

·        оставлять включенными приборы даже при кратковременном уходе;

·        использовать инструмент и приспособления не по их служеб­ному назначению.