МИКРО ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МИКРОПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ

Для реализации оптимальных условий контрагирования дуга нормального и низкого давления в разработанных способах микроплазменной сварки и обеспечения стабильных и качест­венных сварных соединений из металлов малых толщин требу­ются специальные источники питания. Они должны обладать гиперболической или пологопадающей внешней характеристи­кой, обеспечивать надежное возбуждение и горение дуги в не­прерывном и импульсном режимах в широком диапазоне токов, начиная примерно с 0,5 А, с длительностью импульсов и паузы между ними (10—500) - КН5 с. Кроме того, для сварки легких металлов и сплавов необходимо обеспечить возбуждение и го­рение дуги обратной полярности.

В настоящей главе рассматриваются устройство, правила эксплуатации и ремонта микроплазменных аппаратов, представ­ляющих собой сочетание специализированных источника пита­ния и плазмотрона.

I. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

Все микроплазменные источники питания состоят из двух ос­новных узлов: сварочного выпрямителя и коммутатора (преры­вателя) тока. Источники питания, предназначенные для сварки алюминия и его сплавов, содержат еще, как правило, выпря­митель и коммутатор разнополярных импульсов тока. Кроме того, во всех источниках питания для микроплазменной сварки имеются маломощный выпрямитель для питания дежурной дуги, а также различные элементы автоматики; эл«хтрогаз. о- клапаны, реле и контакторы, гидравлические датчика и

Сварочный выпрямитель состоит из трансформатора и блока вентилей. В разработанных аппаратах использованы два типа трехфазных трансформаторов: с жесткой внешней характерис­тикой и симметричный трансформатор с развитым магнитным рассеянием и с подвижными катушками [36].

В сварочных выпрямителях микроплазменных источников питания используются кремниевые вентили типа ЬК и ВЛ Эти приборы отличаются высокой проводимостью (102—103 Ом~*) в прямом направлении и незначительными (до 5 мА) токами утечки в обратном направлении. Характеристики кремниевых вентилей остаются стабильными при повышенных температурах (вплоть до 150—200° С), допускают высокие плотности тока (до 200 А/см2), имеют минимальные габариты и массу.

В табл. 7 и 8 приведены значения основных параметров вентилей типа ВК [37].

Примерно такие же характеристики и у кремниевых лавин­ных вентилей типа ВЛ. Однако лавинные вентили представляют собой более надежные выпрямительные элементы, чем вентили типа ВК, поскольку при кратковременных перенапряжениях я них происходит обратимый лавинный пробой, не приводящий к выходу из строя прибора.

І Іаиболее сложной частью импульсных микроплазменных источников питания является коммутатор, предназначенный для преобразования постоянного тока в импульсный. Во всех микро - плазменных источниках питания используются коммутаторы, в которых в качестве приборов ключевого действия применен управляемый диод — тиристор. Учитывая сравнительную новиз­ну этих приборов (отечественные тиристоры начали широко использоваться в шестидесятых годах), остановимся кратко на описании их устройства, свойствах и технических характе­ристиках.

Термин «тиристор» обозначает полупроводниковый ключе­вой прибор, два возможных состояния которого (запертое и от-

крытое) обусловливаются регенеративной внутренней обратной связью в многослойной р— п — р — п-структуре. Наиболее рас­пространенными являются кремниевые управляемые вентили (тиристоры), выпускаемые отечественной промышленностью под марками КУВ,' ВКУ, ВКДУ. ВКДУВ, ПТЛ (УПВКЛ), Т, Т2, ТЛ (ВКДУЛ), ТЛВ (ВКДУЛВ), ТЧ, ТД и др. Основой тиристора является многослойная структура из кремния с чере­дующимися слоями, имеющими проводимости р и п. Крайние два слоя р h п с припаянными к ним металлическими электро­дами являются соответственно анодом и катодом тиристора. К внутреннему слою с проводимостью р присоединяется управ­ляющий электрод, через который пропускается ток управления.

Статическая вольт-амперная характеристика тиристора представлена на рис. 41 [381.

Если на управляющий электрод вентиля сигнал не подай (/у = 0), а напряжение между анодом и катодом не превышает

определенного значения £/пер, то тиристор закрыт и имеет боль* шое сопротивление в обоих направлениях. Переключение тири­стора из закрытого состояния в открытое может осуществляться двумя способами: подачей на анод прямого напряжения, пре­вышающего напряжение переключения, или подачей на управ-* ляющий электрод положительного импульса напряжения. В по­следнем случае начнет протекать ток управлении /у, вследствие чего резко снизится величина напряжения переключения

(£/«р 0 •

Необходимо отметить, что первый из упомянутых способов включения тиристоров используется крайне редко; в основном тиристоры включаются по управляющему электроду.

Для того чтобы закрыть включенный тиристор, необходимо уменьшить величину протекающего тока до величины, ниже некоторой минимальной величины, называемой удерживающим

ТОКОМ /уд.

В табл. 9 приведены значения основных параметров тири­сторов, используемых в источниках питания для микроплазмен­ной сварки [37, 39].

Необходимо отметить, что в справочных данных приводятся значения тока и напряжения управляющего электрода, измерен­ные на постоянном токе. Эти параметры можно брать за основу при длительности пускового импульса не короче 100 мкс. При более коротких запускающих импульсах для надежного вклю­чения тиристора необходим значительно больший ток управ­ления. Так, например, при длительности запускающего импуль­са примерно в несколько микросекунд ток управления необхо­димо увеличить в 2—3 раза.

Кроме величин напряжения и тока управления следует учитывать максимальное напряжение и предельную мощность, которые можно подавать на управляющий электрод тиристора,

Рис. 41.

Вольт-амперная характеристика гнрнстора.

не опасаясь его повреждения. Обычно они не должны превы­шать 10—20 В и 10—15 Вт.

На рис. 42 показано несколько известных схем получения управляющего сигнала для включения тиристора. С приходом отрицательной полуволны питающего напряжения на катод тиристора Т (рис. 42, а) на управляющий электрод через огра­ничительный резистор Ry будет подаваться положительное отно­сительно катода напряжение. При включении тиристора напря­жение на нем падает до незначительной величины (0,5—1,5 В), ток управления также уменьшается. Очевидно, чем больше вели­чина резистора /?у, тем позже откроется тиристор относительно момента прихода отрицательной полуволны, т. е. представляется возможность регулировать угол отпирания в пределах 0—90°.

Использование накопительной RC - цепочки и диода (рис. 42,6) позволяет изменять угол отпирания тиристора в пределах 0—180°, т. е. включать тиристор в любой необходимый момент в пределах всего полупериода питающего напряжения.

Схема работает следующим образом. Во время положитель­ного полупериода анодного напряжения конденсатор С заря­жается до напряжения отпирания тиристора Uy. Время заря-та определяется в основном постоянной времени /?С-цепочки. Во время отрицательного полупериода кондеьсатор перезаряжает­ся, обеспечивая подготовку схемы для следующего цикла.

Описанная резисторно-конденсаторная схема управления предельно проста, однако ее работа значительно зависит от параметров цепи управления тиристора. Поэтому значительно

чаще для запуска тиристоров используются различные автоном­ные генераторы импульсов: блокииги, мультивибраторы, релак­саторы и т. п. (см. рис. 42, в). В частности, в схемах источников питания для микроплазменной сварки почти повсеместно ис­пользуется релаксатор на переключающемся диоде (динисторе) (рис. 42, г). Динистор представляет собой четырехслойный по - лупроводниковый диод, включение которого происходит при определенном для данного класса прибора напряжении.

Таким образом, при достижении на конденсаторе (рис. 4'Z, d) напряжения £/с, равного напряжению переключения Unev дини - стора Д, он включится и конденсатор С сравнительно быстро разрядится через цепь управления тиристора. После разряда конденсатора динистор выключится и схема вернется в исходное состояние. В результате в цепи управления будут протекать им­пульсы тока, амплитуда и длительность которых определяются величинами входного напряжения и емкости конденсатора С, а частота следования — параметрами ЯС цепочки. Очевидно, что в рассмотренном релаксаторе параметры цепи управления оказывают значительно меньшее влияние на его работу.

Выключение тиристора представляет определенные трудно­сти. Это связано с тем, что после открытия тиристора управляю­щий электрод перестает влиять на его работу и для того, чтобы закрыть тиристор, необходимо принимать специальные меры. Наиболее просто вопрос выключения тиристора решается при работе его в цепи переменного тока. В этом случае при изме­нении полярности питающего напряжения при отсутствии тока в цепи управления обеспечивается прекращение протекания тока через тиристор, т. с. его выключение. Когда тиристор рабо­тает в цепи постоянного тока, то обычно для выключения на ьего подают напряжение обратной полярности с помощью, на­пример, предварительно заряженного конденсатора, всевозмож­ных резонансных LC-цепочек и т. д.

В специальной литературе [40—44] описано большое коли­чество схем тиристорных коммутаторов, в которых обеспечива­ется надежное включение и выключение тиристоров в необходи­мый момент времени. Однако эти коммутаторы предназначены для использования в слаботочных радиотехнических устрой­ствах: кольцевых счетчиках, распределителях импульсов, релей­ных схемах, генераторах импульсов напряжения и т. п. В то же время частотные характеристики режима сварки, сравнительно большие токи и специфичность дуги как нагрузки в значитель­ной мере затрудняют использование этих схем тиристорных коммутаторов.

Известно, что падение напряжения на дуге при изменении' тока в зависимости от условий горения может оставаться посто-

яниым либо изменяться. Следовательно, сопротивление дуги является сложной функцией тока. Оказывает влияние остаточ­ная ионизация, благодаря которой проводимость разрядного промежутка сохраняется после гашения дуги в течение десятков и сотен микросекунд, т. е. за время, соизмеримое с длительно-» стью протекания переходных процессов в электрических цепях коммутатора. В случае использования дежурной дуги, как это имеет место в микроплазменной сварке, проводимость проме­жутка сохраняется в течение всего времени ее горения. При сварке тонкого металла в большинстве случаев длительность импульса тока не превышает 10“* с, а часто бывает значительно короче.

Все упомянутые выше обстоятельства оказывают существен­ное влияние на работу коммутатора и, естественно, необходимо их учитывать при анализе его работы.