МИКРО ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА

АППАРАТЫ ДЛЯ МИКРОПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ НА ПРЯМОЙ ПОЛЯРНОСТИ

Аппарат А-1255. Одним из первых аппаратов для микроплаз­менной сварки на прямой полярности черных и цветных метал­лов является источник питания постоянного тока с линейно­падающей характеристикой (аппарат А-1255). Он выпускался Опытным заводом ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР в 1968— 1971 гг.

Источник питания (рис. 51) состоит из стандартного трех­фазного трансформатора [2] Тр2 (ТТ-0,63) с жесткой внешней характеристикой и вентилей Д1 — Д6 (Д-243), собранных по схеме Ларионова. Положительный полюс выпрямителя заземлен через реостат R1 (РСПС-3) и амперметр, а отрицательный пода­ется на электрод плазменной горелки через защитный дрос­сель Др. Изменением сопротивления реостата, а также переклю­чением его плеч осуществляется регулировка величины сварочно­го тока от 0,5 до 10 А. Напряжение холостого хода силового вы­прямителя равно 50 В. В аппарате имеется еще один выпрями­
тель для питания дежурной дуги, горящей между электродом и соплом плазменной горелки. Он также выполнен из стандартных элементов: трехфазного трансформатора ТрЗ (ТТ-0,25) и венти­лей Д7 — Д12 (Д-243Б). «Минус» выпрямителя дежурной дуги соединен с отрицательной клеммой силового выпрямителя, а «плюс» подается на сопло через балластный резистор R2 (ПЭВР-100—150 Ом), с помощью которого можно регулировать ток в пределах 0,8—1,5 А. Предусмотрена возможность увели­чения тока дежурной дуги до 2 А, например в момент поджига.

Это достигается параллельным включением обоих выпрямите­лей тумблером В4. Напряжение холостого хода выпрямителя дежурной дуги 100 R От этого же выпрямителя запитывается схема поджига (осциллятор), состоящая из генератора импуль­сов (Д13у ДІ4, С5, R3, R8) с высоковольтным трансформатором Тр1 и схемы запуска тиристора ДІЗ (Діб, ДПУ R4, /?5, С6, Гр4). Последняя представляет собой і? С-накопительную цепоч­ку с динистором Діб и импульсным трансформатором Тр4у вы­полненным на ферритовых кольцах. При достижении на об­кладках конденсатора С6 напряжения, равного напряжению - включения динистора (10—20 В), происходит разряд конден­сатора через первичную обмотку трансформатора Тр4. Пере­заряд конденсатора осуществляет ЭДС самоиндукции через диод Д17. Положительные импульсы напряжения с амплитудой 12—20 В и длительностью 6—10 мкс подаются через ограничи­вающий резистор R6 на управляющий электрод тиристо­ра Д13.

Генератор поджигающих импульсов также является RC-на­копителем, конденсатор которого С5 разряжается через первич­ную обмотку повышающего трансформатора. Высоковольтные импульсы (2—3 кВ) поступают на электрод и сопло горелки через конденсатор СЗ. Для защиты выпрямителей и приборов - в схеме источника предусмотрен фильтр — Др, Cly С4.

Конструктивно аппарат выполнен в виде переносного при­бора (рис. 52) и комплектуется плазменной горелкой ОБ-1115- Аппарат прост по устройству и позволяет сваривать большин­ство черных и цветных металлов толщиной от 0,1 до 0,8 мм. Допускаются колебания длины дуги в значительных пределах

Рис. 52.

и при этом на свариваемом изделии поддерживается практически постоянная тепловая мощность, выделяемая микроплазменной. дугой, что очень важно для ручной сварки.

Аппарат А-1255К. Этот аппарат явился модификацией про­екта А-1255 с несколько более простой электрической схемой (рис. 53). В частности, были упрощены выпрямитель дежурной дуги и схема поджига. Подключение схемы запуска тиристора Д11 и самого генератора поджигающих импульсов после бал­ластных резисторов R2—R4 обеспечивает автоматическое вы­ключение осциллятора после возбуждения дежурной дуги. Это происходит вследствие уменьшения напряжения на входе осцил­лятора до падения напряжения на дежурний дуге (15—25 В), •что становится недостаточным для запуска тиристора ДІЇ. Тех­нические характеристики аппарата А-1255К (сварочный ток, напряжение, толщина свариваемого металла, размеры корпуса и т. п.) идентичны технической характеристике аппарата А-1255.

Аппарат А-1255И. Он разработан на основе источника пита­ния А-1255К и обеспечивает микроплазменную сварку как на постоянном токе, так и в импульсном режиме. В нем использо­ван коммутатор с дополнительным источником напряжения, показанный на рис. 47. Напряжение сварочного выпрямителя поступает на электрод горелки через тиристор Діб (рис. 54), а напряжение выпрямителя дежурной дуги используется для работы коммутатора (R2t R8, С9, Д16л Д17, CIO R17). Для запуска тиристоров коммутатора собраны две одинаковые схе­мы С-накопителей с динисторами (Д15 и Д18), питающиеся

от опорных напряжении стабилитронов (Д14 и Д19). Переклю­чением резисторов R18—R23 и конденсаторов СП—С15 изме - 1 няется момент времени включения тиристора Д17, что приводит к выключению ранее открытого тиристора Д16. Следовательно, 1 изменением этих параметров регулируется время пребывания тиристора Діб в открытом состоянии, т. е. длительность импуль - '' са. Аналогично переключением резисторов Rll—R16 в конден­саторов С4--С8 изменяется момент повторного включения тири­стора Діб, т. е. регулируется длительность паузы. Очевидно, I что если переключатель П2 вывести в крайнее положение, разор­вав тем самым цепь запуска тиристора Д17, то принудитель­ной коммутации тиристора Діб происходить не будет и сварка і будет идти на постоянном токе. В импульсном режиме выбором элементов схемы запуска и закорачиванием части балластного I резистора контактами реле PJ обеспечивается получение им­пульсов тока длительностью 0,02—0,5 с с частотой следования I 1 -25 Гц и амплитудой до 20 Л. I

Опыт эксплуатации аппарата А-1255И подтвердил преиму - I щество импульсного процесса микроплазменной сварки, что зна - , чителыю расширило диапазон его применения по сравнению | с аппаратами А-1255 и А-1255К. 1

Аппарат А-1326 (МПУ-М). Аппаратов серии А-1255 было 1 изготовлено несколько сот штук. Их внедрение в промышлен­ность позволило разрешить множество проблем конструирова­ния и изготовления тонкостенных конструкций и приборов, в основном в области радиоэлектроники и приборостроения. Од - 1 пако по мере дальнейшего применения микроплазменной свар­ки, особенно на заводах с крупносерийным производством, по­требовалось повышение мощности аппаратов. Это было вызва­ло прежде всего необходимостью увеличения производительно»'в сги сварочных работ и расширения диапазона толщин свари­ваемых металлов. В связи с этим был сконструирован аппарат А-1326 (МПУ-М). Он предназначен для микроплазменной свар - 1 ки на постоянном токе и в импульсном режиме на токах до 30. А различных черных и цветных металлов толщиной до 1 — 1,3 мм.

В силовой части аппарата использован симметричный трех­фазный трансформатор Тр2 с магнитным рассеянием (рис. 55), поскольку обеспечение линейнопадающей характеристики на таких мощностях представлялось нецелесообразным по эконо­мическим и конструктивным соображениям. Регулировка сва­рочного тока выпрямителя осуществляется перемещением дви­гателем вторичной обмотки трансформатора и переключением его обмоток соответствующими контакторами (Р1 и ПМ2). Де - журная дуга питается от того же трансформатора Тр2 с выпря-

мительного моста Вн19—Бн24 через балластные резисторы R4— R6. Ток дежурной дуги имеет две ступени регулировки: 1,5 и 2 Л (переключатель В2). Поджиг дежурной дуги производится осциллятором (Вн32, Тр4, С8 и т. д.). идентичным по схеме осциллятору аппарата А-1255К. Частота высоковольтных под­жигающих импульсов регулируется резистором R7, а напря­жение-резистором R10. В аппарате применен тиристорный коммутатор (Вн29, ВнЗО, Rl, R2, СЗ—С7), подобный изображен - ному на рис. 47. Дополнительный источник повышенного напря­жения, собранный на трансформаторе Тр1 и выпрямительном мосте Вн7—Вн12, подключен к катодам тиристоров Вн29, ВнЗО и резисторам /?/, R2. Он обеспечивает зарядку коммутирующих конденсаторов СЗ—С7 до более высокого напряжения. Это, как было показано выше, способствует устойчивой работе коммута­тора.

Для управления тиристорами используются импульсы напря­жения мультивибратора, выполненного на транзисторах Т4У Т7. Импульсы на управляющие электроды поступают с плеч муль­тивибраторов через отдельные усилители мощности, выполнен­ные на транзисторах Т5 и Тб. Питание мультивибратора и уси­лителей осуществляется от отдельного источника питания Вн1— Внб через транзисторный стабилизатор напряжения 77—ТЗ, уменьшающий влияние колебаний напряжения сети на работу мультивибратора.

Мультивибратор запитывается только в импульсном режиме при включении тумблеров ВЗ и В4У и длительность пауз и им­пульсов его задается /?С-цепочками, собранными на резисторах R19—R29, R39—R49 и конденсаторах С12—С22, С25—С35.

Опыт эксплуатации аппаратов МПУ-М показал, что упомя­нутая схема запуска по ряду причин на больших скважностях работает ненадежно и поэтому была разработана специальная приставка ОБ-1460, которая подключалась к аппарату МПУ-М и обеспечивала надежный запуск тиристоров на всех режимах. Она состояла из /?С-иакопительных цепочек с динисторами. Переключателями В1 и В4 (рис. 56) изменяются емкость и со­противление цепочек, что в свою очередь обеспечивает регули­ровку длительностей импульса и паузы сварочного тока аппара­та МПУ-М. Впоследствии эта схема запуска располагалась внутри источника.

Аппарат выполнен в виде отдельной установки (рис. 57) с подставкой для крепления двух баллонов.

Аппарат А-1456 (МПИ-3). Этот аппарат является вторым источником питания повышенной мощности. Он разработан в ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР и выпускался в течение 1971— 1973 гг. Аппарат предназначен для сварки на токах до 20 А и отличается малыми габаритами (480x140x370 мм) и массой

(19 кг). Последнее обстоятельство способствовало дальней­шему расширению области использования микроплазменной сварки, в частности на поточных линиях, конвейерах, в ремонт­ных мастерских и т. п.

В основу аппарата положен конденсаторный накопитель энергии [49], схема которого показана на рис. 58. В отрица­тельный полупериод питающего напряжения открывается тирис - стор Т3 и накопительные конденсаторы заряжаются через дрос­сель LJ и разделительные диоды Д1—Дп. Для создания воз­можности регулирования напряжения на конденсаторах вклю­чение тиристора осуществляется на заднем фронте полуволны,

В аппарат МПИ-3 (рис. 59) суммарная емкость конденса­торов С7—С18 выбрана равной 360 мкФ, что обеспечивает по­лучение на выходе источника мощности порядка 700 Вт.

В аппарате отсутствует силовой трансформатор, и включе­ние источника питания в сеть производится таким образом, чтобы на катод управляемого диода Д8 была подана фаза. Фазировка производится с помощью сигнальной лампочки JIL « При отрицательной полуволне напряжения сети и включении диода Д8 осуществляется заряд конденсаторов С7—С18 через разделительные диоды Д13—Діб до напряжения, соответствую­щего заданному уровню мощности (в диапазоне 100 285 В), определяемому углом отпирания силового диода Д8 (т. е. па­раметрами схемы запуска).

При положительной полуволне питающего напряжения, ког­да тиристор Д8 закрыт, происходит поочередный разряд кон­денсаторов С7—С9, С10—С12, С13—С15, С16—С18 через соот­ветствующие разрядные тиристоры Д17> Д18у Д19, Д20 и общий разрядный дроссель Др2 на дуговой промежуток электрод — изделие. При этом возникает импульс тока, форма которого приближается к прямоугольной. Синхронизация включения тиристоров Д18—Д20 осуществляется идентичными схемами запуска, состоящими соответственно из стабилизирующих цепо-

чек (Д25, R29, Д26, R32, Д27, R35) и /?С-релаксаторов на ди­нистор ах (R30, R31, С4, R33r R34, С5, R36, R37t С6 и Д22, Д23> Д24). Схемы питаются от напряжений между одноимен­ными обкладками соответствующих групп конденсаторов. Ти­ристор Д17 включается /?С-релаксатором (R22, R23, СЗ, Д21), запитываемым от пик-трансформатора Тр2. Подключением ре­зисторов R24—R27 изменяется частота сварочных импульсов тока на выходе источника.

В аппарате МПИ-3 применено несколько новых схемных решений, улучшающих его технологические характеристики и облегчающих эксплуатацию. Так, предусмотрено плавное вы­ключение мощности для предотвращения образования кратера в конце сварки. Это достигнуто введением в схему фазового управления тиристора Д8, накипителыюго конденсатора С! и зарядного диода Д6. Плавное выключение осуществляется постепенным зарядом конденсатора С/ током разряда конден­сатора С2 через диод Д6 при размыкании контактов реле Р4 (при выключении сварки). Когда конденсатор CI зарядится настолько, что разница между напряжением на С2 и его напря­жением станет меньше напряжения переключения диода Д9, тиристор Д8 закроется [50].

Для компенсации разброса напряжения переключения дио­да Д9 в случае его замены введена схема, состоящая из выпря­мителя ДЗО—ДЗЗ, резисторов R8> R38 и потенциометра RfO. Изменением напряжения, снимаемого с R10, компенсируется разница в напряжении переключения заменяемого диода. Па - пример, при замене диода, имеющего напряжение переключения 20 В, на диод с напряжением переключения 15 В с помощью резистора R10 вводят дополнительно 5 В. Описанная схема значительно упрощает настройку и ремонт аппарата.

Во всех рассмотренных ранее аппаратах ток дежурной дуги сравнительно небольшой, примерно 0,8—2 А. Это предотвращает сильный подогрев свариваемых кромок в паузах между цик­лами сварки, когда горелка поднесена к изделию. В то же время, как показал опыт, при указанных значениях токов за­трудняется возбуждение дежурной дуги, особенно с длительно проработавшего электрода, у которого торец притуплен и обед­нен легирующими добавками. Поэтому в аппарате МПИ-3 пред­усмотрено форсирование тока дежурной дуги до 4,5 А в момент возбуждения с помощью автоматического закорачива­ния на несколько секунд части балластного резистора R39.

Для предотвращения окисления начального участка свар­ного шва и улучшения условий безопасности в аппарате пред­усмотрено поэтапное включение сварочного тока. При подне­сении горелки к изделию за счет напряжения конденсатора С22 (65 В) начнет протекать ток вспомогательной дуги между элек­

тродом и изделием (примерно 0,5 А) через балластные резис­торы R40, Ri5 и стабилитрон Д29. При этом срабатывает реле Р2 и только в этом случае возможно включение тиристора Дв.

Для защиты элементов блока питания от перенапряжений, которые могут возникать при каких-либо неисправностях схемы запуска тиристора Д8 или при выходе его самого из строя, предусмотрено реле РЗ выключающее в этом случае аппарат полностью.

Конструктивно аппарат МПИ-3 выполнен в унифицирован­ном корпусе «Награда» (рис. 60) и снабжен стрелочными рас­ходомерами конструкции ОКБ ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР.

Опыт изготовления и эксплуатации аппаратов типа МПИ-3 подтвердил ожидаемые преимущества, связанные с малыми га­баритами и массой устройства. Это в первую очередь экономия материалов, производственных площадей, мобильность в пере­оборудовании сварочных участков, возможность работы в неста­ционарных условиях. В то же время сравнительно небольшой сварочный ток аппарата не позволил в полной мере удовлетво­рить запросы производства в резком увеличении скорости сварки.

В связи с этим в ИЭС им. Е. О. Патона All УССР были по­ставлены работы по созданию малогабаритного аппарата из ток примерно 100 А и более. Решить поставленную задачу, ис­пользуя описанный выше принцип работы конденсаторного на­копителя не удалось, поскольку повышение выходной мощности влечет значительное увеличение габаритов конденсаторного бло­ка и особенно дросселей. Более рациональным оказалось под­ключение накопителя к источнику постоянного напряжения и осуществление зарядно-разрядных процессов на повышенных частотах. Для этого разделительные диоды Д1—Дп (см. рис. 58) были заменены на тиристоры, запуск которых (одновремен­но с соответствующим разрядным тиристором) осуществляется по замкнутому циклу, например, Д1 с Т2 затем Д2 с ТЗ... Дн с Т! и т. д. Это позволило в несколько раз увеличить сварочный

ток источника питания при габаритно-массовых показателях

- '-<і.

конденсаторного блока и дросселей даже меньших, чем в аппа - рате МПИ-3. Однако общая масса и габариты аппарата все же возросли из-за силового трансформатора источника постоянно­го напряжения, масса которого составляет 60%, а объем до 357о устройства в целом. Кроме того, значительно увеличился рас­ход материалов на изготовление источника, особенно меди и стали. Все это обусловило поиск новых принципов построения мшфоплазменных аппаратов подобного класса.

Исследования, проведенные в ИЭС им. Е О. Патона АН УССР показали, что весьма перспективным является при­менение высокочастотных инверторов, питаемых от бестранс - форматорных сетевых выпрямителей. Высокочастотные силовые трансформаторы, используемые в этом случае на выходе инвер­тора, как известно, значительно меньше и леї че соответствую­щих сетевых трансформаторов такой же мощности. В связи с этим в ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР был разработан спе­циальный инвертор с частотой преобразования мощности в не­сколько килогерц. Он положен в основу аппарата для микро­плазменной и плазменной сварки на постоянном токе и в им­пульсном режиме на прямой полярности током до 120 А. В бло­ке дежурной дуги аппарата также использован высокочастотный инвертор. В результате габариты аппарата сравнительно не­большие, примерно такие же, как у МПИ-3, а масса — менее 40 кг. Аппарат успешно прошел лабораторные испытания и в ближайшее время поступит в опытное производство.