Каким должен быть аппарат для сварки и резки металлов?
Каким должен быть аппарат для сварки и резки металлов?

На сегодняшний день используются разнообразные виды дуговой сварки. К числу основных видов можно отнести: сварка покрытым электродом, неплавящимся (вольфрамовым) электродом, механизированная сварка сплошной металлической проволокой в защитных газах, автоматическая под слоем флюса.

Для дуговой сварки используются источники питания с номинальным напряжением 10-40 В и силой сварочного тока 10-2000 А, при напряжении холостого хода 60-80 В. Любой вид сварки требует соответствующих выходных характеристик источника. Например, ручная сварка возможна только при стабилизации силы тока, а механизированная сварка — при стабилизации напряжения.

Все сварочные аппараты одного вида разделяются по мощности в зависимости от толщины свариваемого металла, а также требуемой силы сварочного тока. Обычно сила сварочного тока делится на 3-6 диапазонов по 100-150 А в каждом. Из этого следует, что для обеспечения всех сварочных работ компании производители должны выпускать 30-50 различных сварочных аппаратов. Анализ сварочного оборудования крупнейших производителей, таких как «ЭСАБ», «Линкольн», «Кемпи», «ЕВМ», «Телвин», «Меркле» и другие, подтверждает данный вывод.

Для плазменной резки необходим источник с номинальным напряжением 100—300 В и силой тока 30-500 А. Рекомендуемое напряжение холостого хода при этом составляет — 300-400 В.

Широкий диапазон значений основных параметров источников для плазменной резки и дуговой сварки объясняют их огромную номенклатуру с маленьким уровнем унификации и практическое отсутствие универсальных источников.

Действующее состояние больше отвечает интересам изготовителей и поставщиков сварочного оборудования, чем их покупателей. Думаю, что это справедливо так как для больших производств составляющие сотни сварочных аппаратов, так и для малых, вынужденных иметь несколько разных аппаратов для одного сварщика.

Единый универсальный аппарат предназначенный для всех видов дуговой сварки, а также плазменной резки имел бы огромный спрос при выполнении следующих требований:

1. качественная сварка и резка;

2. простота настроек и управление;

3. надежность в использовании;

4. стоимость, сопоставимая со стоимостью сварочного аппарата похожей мощностью.

Исследование структуры современных сварочных аппаратов показал, что они состоят из двух довольно тесно связанных частей:

1. силовая часть, преобразующая энергию электросети в сварочный ток;

2. система управления, обеспечивающая требуемые параметры преобразования.

Самый легкий путь изготовления универсального сварочного аппарата — разработка мощного источника, который будет способен обеспечить максимальную силу тока для сварки и напряжение для резки. Следовательно, что данный источник будет избыточным но себестоимости и эксплуатационным характеристикам.

Другой путь решения довольно прост, как детский конструктор Lego. Его смысл состоит в разработке единого источника, который будет обеспечивать минимальные энергетические потребности для резки и сварки. Данный источник далее будем называть модулем. Значительно мощные источники питания для сварки и резки можно собрать из модулей последовательным или параллельным включением. Взя во внимание законы Кирхгофа, при параллельном включении сила тока модулей суммируется, тем самым обеспечивая требуемую величину сварочного тока, а при последовательном — обеспечивает необходимое для плазмотрона напряжение.

Модули работают от энергосети, преобразуя переменный ток в постоянный. При этом модули должны:

1. управляться (синхронизироваться) внешними сигналами;

2. иметь свои средства контроля работоспособности;

3. обладать высоким КПД, нагрузочными и динамическими способностями.

Компанией «Лаборатория электронных технологии» был разработан модуль смотрите рисунок 1, который отвечает перечисленным требованиям.
Второй важной проблемой создания универсального аппарата для сварки и резки, кроме силовой части, является система управления. Она должна обеспечить на выходе силового преобразователя необходимые для каждого вида сварки динамические и вольтамперные характеристики (ВАХ), а также иметь понятный и удобный интерфейс с пользователями.

Рисунок 1. Внешний вид модуля
Каким должен быть аппарат для сварки и резки металлов?






Техническая характеристика модуля:

Питающее напряжение, в 1x220, 1x380,

3x380,3x440

Выходные..................200А при 27В;

характеристики............170А при 45В

(ПВ=100%, 1=40°С)

Охлаждение....................Воздушное

Режим работы...............Постоянный

Соединение модулей........Параллельное / последовательное

Мощность, кВт.......................5-8

Рабочий ресурс, ч....................50000

Наработка на отказ, ч, не менее 15000

Время нарастания силы тока

до 90%, мс............................0,15

Время спада силы тока от 90%, мс 0,1

КПД, %.............................90-94

Частота инвертора, кГц...............-75

Габаритные размеры, мм 200x200x210

Масса, кг...............................6,7

ВАХ в основном задает поведение аппарата при осуществлении работы, на вход системы управления должен поступать в привычном для всех виде — в виде графика. Для этого рекомендуется использовать ноутбук, подсоединенный через USB-интерфейс к аппарату. Специально разработанный в программе графический редактор позволяет быстро изобразить на экране компьютера требуемую ВАХ и передать ее в аппарат. Вид редактора и изображение ВАХ указан на рисунке 2.

Рисунок 2. Вид редактора для ввода ВАХ в источник
Каким должен быть аппарат для сварки и резки металлов?










Редактор позволяет одновременно задавать сразу несколько характеристик. Это удобно при осуществлении импульсной сварки, когда для каждого импульса задается своя ВАХ. На рисунке 3 показан пример применения двух ВАХ при сварке с короткими замыканиями на короткой дуге. Красная кривая — для импульса, обеспечивающего горение дуги, а синяя — для ограничения силы тока при коротком замыкании.

Рисунок 3. Две ВАХ для импульсной сварки
Каким должен быть аппарат для сварки и резки металлов?












Переключение ВАХ проводится в течение нескольких микросекунд по алгоритму, задаваемому циклограммой. На рисунке 4 указана осциллограмма импульсной сварки стали в СО 2.

Рисунок 4. Осциллограмма импульсной сварки
Каким должен быть аппарат для сварки и резки металлов?





Данный подход к реализации сварочного процесса помогает быстро настроить аппарат на разные режимы сварки: СМТ, СТТ и другие.
Память аппарата позволяет иметь сотни ВАХ, и сварщику нужно только выбрать из указанного программного меню необходимый сварочный процесс, металл, а также толщину и силу сварочного тока. Остальные настройки произведет сам универсальный аппарат на основе записанных в его память компьютерных характеристик.

Динамическая характеристика источника питания определяет скорость и характер его реагирования на изменение нагрузки. Простое решение состоит в применении дросселей, которые изменяют индуктивность нагрузки и с помощью этого регулируют скорость нарастания и спада силы тока в цепи. Но использование дросселей неудобно, потому что регулировка ступенчатая и требует выключения аппарата для выполнения коммутации.
Требуемая продолжительность нарастания (спада) силы тока при сварке составляет миллисекунды, а энергетические возможности модуля позволяют осуществлять это на порядок быстрее. Поэтому, система управления даже для наиболее быстрого реагирования на внесение возмущения должна «тормозить» модуль, замедляя быстрый рост силы тока. Это можно осуществить посредством выдачи системой управления через 0,1 мс установки на увеличение силы тока на 10% от целевого значения. Таким образом можно менять скорость нарастания силы тока в широких пределах, реализуя динамические характеристики источника в необходимых для сварки и резки диапазонах.

В таблице 1 показаны уровни управления и способы их реализации.

Таблица 1. Уровень и способ реализации управления
Каким должен быть аппарат для сварки и резки металлов?


В рассматриваемых уровнях системы управление осуществляется посредством цифровой обработки данных текущего состояния, поэтому можно говорить о полном цифровом управлении сварочным процессом. Обеспечивается качественная настройка аппаратов на конкретную работу, быстрое воспроизводство настроек, их повторяемость, возможность их быстрой передачи на другие аппараты.

Данные аппараты крупных производств, на которых применяются сварочные аппараты различного назначения и мощности, так как упрощается эксплуатация парка аппаратов и предоставляется возможность маневра аппаратов с одной площадки на другую, переход от одного вида сварки к другому. Модернизация применяемых и освоение новых сварочных технологий существенно упрощается, так как есть возможность подбора ВАХ в лабораторных условиях на весьма высоком уровне. Простота встраивания в существующие производственные системы (портальные машины), как показал опыт, не вызывают больших трудностей.

Огромное достоинство, которое пока еще не востребовано отечественными производственниками, является возможность осуществление дистанционного контроля за выполнением сварного соединения. Сейчас это возможно сделать двумя способами: аппарат либо записывает все в свою память и далее отправляет отчет о работе в архив, или передает в процессе работы на специальный сервер, который контролирует выполнение работы.

Предприятие «Лаборатория электронных технологий» разработало на основе изложенной выше исследований ряд моделей универсальных сварочных аппаратов. В таблице 2 представлены возможные варианты сборки универсальных аппаратов для сварки и плазменной, резки на основе модулей.

Таблица 2. Варианты сборки универсальных аппаратов
Каким должен быть аппарат для сварки и резки металлов?








На рисунке 5 показано конструктивное оформление модульных универсальных аппаратов с количеством модулей от 1 до 4. В таблице З представлены выходные характеристики, полученные при выполнении сварочных процессов на универсальных аппаратах.

Рис. 5. Универсальные сварочные аппараты
Каким должен быть аппарат для сварки и резки металлов?









Таблица 3. Выходные характеристики, полученные при выполнении сварочных процессов на универсальных аппаратах
Каким должен быть аппарат для сварки и резки металлов?









Реализация концепции универсального аппарата для сварки и резки с цифровым синтезом сварочного процесса делает проще и удешевляет сложившуюся систему проектирования, производства и обеспечения производства сварочным оборудованием, а также позволяет достичь высокого качества сварки и плазменной резки.
Просмотров: 840 | Комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]

Поиск По сайту