МИКРО ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ТИРИСТОРНЫХ КОММУТАТОРОВ СВАРОЧНОГО ТОКА

В качестве примера рассмотрим коммутатор постоянного тока [45] (рис. 43), построенный на базе тиристорного мультивибра­тора. Принцип его работы состоит в следующем.

При включении тиристора Ті (рис. 43, а) в цепи электрод—• изделие будет протекать ток дуги /Д1, величина которого опре* деляется напряжением холостого хода £/х. х источника постоян* ного тока, падением напряжения на дуге Е/д і и резистором RL По истечении заданного промежутка времени t включается ти­ристор Т2, ранее открытый тиристор Т1 закрывается и начинает протекать ток дуги /Д2. Его величина также определяется на­пряжением Ux х, падением напряжения и резистором R2.

Через время t2=T — fj, где Т — длительность полного цикла работы коммутатора, снова включается тиристор Т1 и схема возвращается в первоначальное состояние.

Рис. 43.

Схема коммутатора (о) и эпюры тока и напряжения (б).

Рассмотрим, каким образом происходит выключение тири­сторов и от чего зависит надежность этого процесса.

С момента включения тиристора 77 (одновременно с проте­канием тока дуги 1Рj) будет перезаряжаться конденсатор С

через сопротивление R2, открытый тиристор 77 и дугу. Напря­жение, до которого заряжается конденсатор С (рис. 43,6), опре* деляется уравнением

t/cftH Uc (0) exp (- - (£/„ - t/J [l - exp (- A'jj, (IH.1)

где l/e(0)—напряжение, до которого был заряжен конденсатор С в течение предыдущего цикла работы коммутатора; т2 — постоян­ная времени заряда конденсатора, = R2C.

После включения тиристора Т2 напряжение конденсатора U'c (t) оказывается приложенным к ранее открытому тиристо­ру 77 в обратной полярности, в результате чего протекание тока через последний прекращается и начинается перезаряд конденсатора через сопротивление /?/, открытый тиристор Т2 и дугу.

Напряжение, до которого заряжается конденсатор С в этом случае, будет определяться уравнением

If с (І2) - Ifc (0) exp (- у + (f/x. x - UJ Г1 - exp (- j, (III.2)

где tj — постоянная времени заряда конденсатора, r1 = RC.

Очевидно, что Uc {0) — Uc (h) и ^c(O) = Uc(t). Тогда, рас­сматривая дугу как иеизменяющуюся противо-ЭДС с напряже­нием, равным падению на разряде, т. е. принимая Ї/Ді (/Дв =*

= UA и решая совместно уравнения (III.1) и (III.2), нетрудно

/ «

найти значения Uc{t) и Uc{U)*

Легко показать, что изменение напряжения на тиристоре 77 при включении тиристора Т2 описывается выражением

Uti = U'c (tx) exp — (tfx. x — UJ [l — exp (Ш. З)

При этом тиристор ТІ закроется, если время, в течение которого* приложенное к нему обратное напряжение, будет больше време­ни восстановления обратного сопротивления t* (время восста­новления управляемости).

Подставив в выражение (Ш. З) найденное значение U'c (fi)

и проведя несложные математические преобразования, получим соотношение, связывающее амплитудно-частотные параметры коммутатора с напряжением холостого хода источника тока и?

емкостью коммутирующего конденсатора в области его устой­чивой работы:

Если длительность импульса достаточно большая и выполни-

ти/дt^>C(Ux. ^Д), то выражение (III.4) упро­

щается и принимает вид

(U* ~ и„)С

- Т - —1п2. (III.5)

В случае короткого замыкания дугового промежутка нера­венство (II 1.5) преобразуется к известной формуле расчета і при­торного мультивибратора, работающего в режиме «Включено — выключено» (40]:

UX XC In 2 0,7UVVC

Рис. 44.

Зависимость тока душ от длительности импульса гри различных значениях С и К №ц. х = 65 В; ил--^ 25 В):

На рис* 44 представлены амплитудно-частотные характе­ристики коммутатора, построенные путем графического решения неравенства (II1-7) при различных значениях коэффициента К и емкости С.

Из приведенных характеристик видно, что с увеличением емкости С область устойчивой работы расширяется. Увеличение коэффициента К способствует улучшению частотных характе­ристик коммутатора, поскольку в этом случае уменьшается за­рядное сопротивление R2, а следовательно, постоянная времени заряда коммутирующего конденсатора. Однако увеличение со­отношения /д,//Д1 в большинстве случаев ограничивается тех­нологическими условиями. Особенно это относится к сварке при пониженном давлении, так как наличие тока примерно 15—50 А в паузе между импульсами будет приводить к перегреву изде­лия и ухудшению параметров сварного шва. Поэтому описывае­мый коммутатор для указанного способа сварки может исполь­зоваться только при фиксированных и небольших значениях тока /д,^ 1 - т-5 А. В этом случае частотные характеристики коммутатора оказываются значительно хуже. Ход кривых, пред­ставленных на рис. 45, показывает, что для данной емкости максимальная амплитуда коммутирующего тока до некоторого момента зависит от длительности импульсов, причем с увели­чением емкости указанная зависимость проявляется более от­четливо. Это важное обстоятельство необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации коммутатора. Если в работаю­щем коммутаторе сокращать длительность импульса тока, не уменьшая его амплитуды, то в некоторый момент наступит срыв работы коммутатора, что может вызвать прожог изделия, раз­рушение сварочной горелки, выход из строя тиристоров и т. д. Этот срыв легко объясняется тем, что при уменьшении длитель-

ности импульса время зарядки конденсатора сокращается, сле­довательно, падает напряжение U'c (тн), до которого он заря-»

жается. Это в свою очередь приводит к тому, что при перезаряд­ке конденсатора через сопротивление, которое определяет дан­ную амплитуду тока, не обеспечивается наличие обратного на­пряжения на закрываемом тиристоре в течение необходимого временп. Повышение напряжения холостого хода источника су­щественно не улучшает амплитудную и ухудшает частотную характеристику коммутатора при работе на коротких (примерно единицы миллисекунд) импульсах (рис. 46). В то же время при длительности импульсов 1(Н с и более амплитуда комму­тируемого тока возрастает. Однако при повышении напряжения холостого хода источника постоянного тока уменьшается КПД коммутатора, определяемый в основном соотношением UJUх.

Из проведенного анализа следует, что описанный коммута­тор приемлем для импульсной микроплазменной сварки и мало пригоден для сварки при низком давлении. В подобном комму­таторе также невозможно использовать выпрямитель с падаю­щей внешней характеристикой, что затрудняет коисіруирование источников питания. Кроме того, недостатком этого коммута­тора является сильная зависимость его выходных характеристик от режимов сварки и параметров дуги. Это происходит вслед­ствие того, что один и тот же сварочный источник используется как для сварки, так и для работы коммутатора. Поэтому можно ожидать, что амплитудно-частотные характеристики улучшатся, если для заряда коммутирующего конденсатора применить вспо­могательный источник напряжения.

На рис. 47 представлена схема подобного коммутатора [46]. Маломощный выпрямитель VI со сравнительно высоким напря-

жением холостого хода обеспечивает работу коммутатора и про­текание тока дежурной дуги в паузе между импульсами.

Выпрямитель U2 — сварочный. Принцип работы данного коммутатора в целом аналогичен рассмотренному ранее. Отли - чие^заключается в раздельном подключении катодов тиристоров соответственно к соплу горелки и к изделию и в применении переходного конденсатора С2 для передачи на катоды тиристо­ров импульса обратного напряжения. Кроме того, различны цепи разряда конденсатора С1: во время паузы конденсатор разряжается через дежурную дугу и выпрямитель U1, а во вре­мя импульса — через сварочную дугу и выпрямитель U2.

Выражение, приближенно описывающее область устойчивой работы этого коммутатора, имеет вид

- /

И Д. Д

Здесь /д. д — амплитуда тока дежурной дуги; [7Д. Д— падение на - пряжения па дежурной дуге; Е— напряжение, перезаряжающее конденсатор. Благодаря остаточной ионизации

Шх. х >Е> Шх. х-ил.

Однако целесообразно принимать Е—01х, х, так как при этом рассматриваются заведомо худшие уел овил для выключе­ния тиристора. Нетрудно убедиться, что амплитудные характе­ристики рассматриваемого коммутатора при определенных условиях превосходят аналогичные характеристики коммутато­ров, имеющих один источник питания*

Рис. 47*

Схема коммутатора с дополнительным источ­ником напряжения.

Рис. 48.

Схемы коммутаторов с дополнительным источ­ником повышенного напряжения.

Необходимо отметить, что рассматриваемые здесь коммута­торы обладают одним существенным недостатком, который за­ключается в протекании тока разряда конденсатора через сва­рочный источник и дугу. В этом случае затруднено применение таких сварочных источников, как генераторы постоянного тока* а наличие выброса тока в конце импульса приводит к быстрому износу (обеднению) вольфрамового электрода и является неже­лательным из технологических соображений. Поэтому более перспективным является тиристорный коммутатор, у которого вспомогательный источник напряжения используется только для зарядки коммутирующего конденсатора. Такой коммутатор спо­собен генерировать импульсы тока значительно большей ампли­туды и с длительностью, ограничиваемой только частотными ха­рактеристиками самих тиристоров. При этом его можно постро­ить таким образом, чтобы исключить разряд конденсатора через источник и дугу [47]. На рис. 48 представлены подобные схемы коммутаторов, которые могут быть использованы с источниками постоянного тока, имеющими как жесткую (а), так и падающую (б) внешнюю характеристику. Принцип их работы состоит в следующем.

При включении силового тиристора 77 в цепи электрод — из­делие начинает протекать сварочный ток, величина которого регулируется в одном случае балластным сопротивлением /?Г), а в другом — наклоном внешней характеристики сварочного источника.

Одновременно через тиристор Тл происходит заряд комму­тирующей емкости С от вспомогательного маломощного источ­ника U2 с повышенным напряжением холостого хода U2^ т. При включении коммутирующего тиристора Т2 конденсатор С раз­ряжается на сопротивление или индуктивность, создавая на них обратное напряжение, и тиристор ТІ выключается. По оконча­нии разряда конденсатора С тиристор Т2 выключается, тирис­тор Т:, через незначительное время задержки (£3~0,5—1 мс) снова откроется, и схема вернется в исходное состояние.

Таким образом, зарядка конденсатора происходит за все время периода Т. Поскольку T=/f^ и Т > RC по крайней мере при частоте следования импульсов тока 250 ~ 500 Гц, коммутирующий конденсатор С будет заряжаться до напряже­ния холостого хода вспомогательного источника, т. е. Uc= = U2^ х.

Расчет показывает, что максимальный коммутирующий ток будет определяться следующим простым выражением:

Нетрудно убедиться, что характеристики этого коммутатора намного превосходят соответствующие характеристики ранее описанных схем.

Таким образом, использование маломощного вспомогатель­ного источника с повышенным напряжением холостого хода позволяет улучшить амплитудно-частотные характеристики ти­ристорных коммутаторов, что делает их пригодными для им­пульсной сварки при низком давлении.

Для реализации импульсных процессов при сварке алюми­ния и его сплавов разработаны соотвеістьующие коммутаторы, способные генерировать разнополярные импульсы тока необхо­димой длительности, амплитуды, формы и обеспечивающие воз­можность их регулирования.

На рис. 49 показана блок-схема источника, который состоит из двух выпрямителей VI и U2 и коммутатора постоянного тока Последний включает в себя два тиристора 77, Т2, коммутирую­щий конденсатор С, зарядное устройство ЗУ и блок управле­ния БУ.

В исходном состоянии оба тиристора закрыты. В начальный момент работы между соплом и изделием зажигается дуга об­ратной полярности. Под действием этой дуги происходит очист­ка поверхности металла от окисных пленок. Величина тока дуги обратной полярности регулируется сопротивлением RI или на­клоном внешней характеристики выпрямителя U1. В момент поступления запускающего импульса на управляющий элект­род силового тиристора Г1 последний открывается и дуга обрат­ной полярности гаснет, так как разрядный промежуток сопло —

Рис. 49.

Блок-схема источника разнополярных импульсов гока.

изделие через открытый тиристор 77 и диод Д шунтируется низ - киомным сопротивлением R2. В то же время через открытый тиристор ТІ к разрядному промежутку электрод—изделие при­кладывается напряжение от выпрямителя U2, под действием которого формируется дуга прямой полярности, осуществляю­щая плавление металла. Величина тока дуги прямой полярности регулируется сопротивлением R2 или наклоном характеристи­ки источника U2. После включения тиристора Т2 происходит выключение силового тиристора 77, и напряжение выпрямителя U1 снова оказывается приложенным к промежутку сопло — из­делие.

Таким образом, поочередно к соплу горелки - прикладываются положительные, а к электроду — отрицательные относительно изделия прямоугольные импульсы напряжения. Длительность отрицательного импульса, а следовательно, и длительность про­текания тока дуги прямой полярности задается ьременем между приходом управляющих импульсов на тиристоры ТІ и Т29 а длительность положительных импульсов — частотой следова­ния управляющей пары сигналов.

Расчетной формулой для определения параметров коммута­тора могут служить выражения (ІІ1.4) или (ІІІ.8), где х — напряжение холостого хода выпрямителя дуги обратной поляр­ности.

Блок-схема другого коммутатора разнополярных импульсов тока показана на рис. 50 [48]* При включении тиристора TJ между электродом и изделием возникает дуга прямой полярно­сти. Одновременно происходит заряд конденсатора С1 от вы­прямителя U2 и конденсатора С2 от выпрямителя UL

По истечении заданного времени тпр (длительность импульса тока прямой полярности) открывается тиристор Т2. Напряже­ние на конденсаторе С2 в сумме с напряжением на С7 прикла­дывается к тиристору Т1 в обратном направлении, и тиристор 77 закрывается. Одновременно через открытый тиристор Т2 начинает протекать ток дуги обратной полярности, а кон­денсатор С2 перезаряжается от выпрямителя U2 до напряже­ния Un. Конденсатор С1 также перезаряжается от выпрями* теля UL

По истечении заданной длительности импульса тока обрат­ной полярности Тоб снова открывается тиристор 77. При этом напряжение конденсатора С2 в сумме с напряжением С1 при­кладывается к тиристору Т2 в обратном направлении, и он за­крывается.

Длительность и амплитуды токов дуг прямой и обратной полярности регулируются так же, как и в схеме на рис. 49.

Приближенные расчетные формулы для этою коммутатора разнополярных импульсов тока имеют вид

(ШЛО)

(IIIЛI)

Таким образом, описанные схемы коммутаторов однополяр­ных и разнополярных импульсов тока с дополнительными источ­никами питания по амплитудно-временным характеристикам полностью соответствуют разработанным способам микроплаз - менной сварки тонких меіаллов как при нормальном, так и при низком давлении. На их основе создан ряд аппаратов для импульсной микроплазменной сварки при нормальном и низ­ком давлении на прямой полярности и разнополярными им­пульсами тока.