Индуктивные накопители энергии в сварочном производстве

Подробности

Опубликовано 26.04.2016 06:41

Просмотров: 3993

Электромагнитная теория предполагает использование накопителей энергии двух видов: емкостные и индуктивные.

Емкостными накопителями являются конденсаторные батареи, в которых между металлическими обкладками создается электрическое поле и энергия этого поля в виде мощного импульса отдается нагрузке. Индуктивные накопители энергии при протекании электрического тока по виткам проводника создают вокруг себя магнитное поле, энергия которого тоже может питать нагрузку мощным импульсом. В электрических машинах и трансформаторах магнитное поле и магнитная энергия возникают в воздушных рабочих зазорах. В сверхпроводящем короткозамкнутом витке ток и создаваемое им магнитное поле могут существовать длительное время. В обычном витке проводника из-за потерь в активном сопротивлении ток постепенно затухает, поэтому времени сохранения энергии в индуктивных накопителях значительно меньше, чем в емкостных, однако его вполне достаточно для импульсной сварки.

Длительность сохранения энергии подбором параметров индуктивного накопителя (размеров, величины воздушного зазора, числа витков обмотки) может составлять от 1СГ5 с до нескольких секунд, соответственно, длительность сварки от 10_6 с (определяется временем переключения коммутирующих элементов) до долей секунды. Максимальное значение импульса сварочного тока определяется размерами свариваемых деталей и, соответственно, размерами индуктивного накопителя и может изменяться от нескольких до тысяч ампер. Напряжение зависит от состояния зоны сварки и может изменяться от десятков вольт до нескольких киловольт.

Сварку накопленной энергией, являющуюся одним из многочисленных видов сварки, выполняют с применением, в основном, конденсаторных сварочных машин. В них энергия электрического поля через понижающий трансформатор в виде импульса преобразуется в тепловую энергию формирования сварного соединения. Емкостные накопители создают короткие мощные сварочные импульсы с одинаковой энергией, поэтому конденсаторные сварочные машины обеспечивают более стабильное качество сварного соединения по сравнению с другими типами машин для контактной сварки.

Недостатками сварочных машин с накопителями энергии (как электрической, так и магнитной) является зависимость параметров импульсов от состояния зоны сварки: наличия окисных пленок и загрязнений, степени поджатия свариваемых деталей и др., что усложняет процесс управления электрическим током и мощностью.

В свое время данный способ сварки не нашел применения. Одной из причин этого явилась сложность создания надежного и быстродействующего отключающего устройства. Трудности возникают также из-за того, что цепи с большими токами приходится разрывать, а для этого не совсем удобно использовать даже тиристоры, которые невозможно закрыть простым снятием напряжения с управляющего электрода. В настоящее время коммутирующая техника достигла высокого уровня развития, вместо тиристоров применяют мощные, быстродействующие транзисторы (транзисторы серии 1СВТ, например, могут работать при частоте 75 кГц, передавая мощность до 10 кВт, для передачи большей мощности их соединяют параллельно.

Сварочная установка с индуктивным накопителем энергии может быть построена аналогично конденсаторной машине. В исходном состоянии ключи Кг и К2 разомкнуты, а ключ С3 замкнут. Во время зарядки индуктивного накопителя замыкается ключ Кг. При достижении максимального тока, который, например, может быть определен с помощью датчика электрического тока, ключ Кг размыкается и электрический ток циркулирует по замкнутой цепи, состоящей из индуктивного накопителя, ключа и диода. Затем электрический ток подается в зону сварки через трансформатор Г вначале замыканием ключа К2 и затем — размыканием ключа К3.

Индуктивный накопитель, так же как и емкостный, можно подключать к нагрузке через трансформатор. В конденсаторной машине трансформатор служит не только для понижения напряжения до сварочного значения. В таких установках трансформаторы имеют обычно значительные потоки рассеяния или сердечник магнитопровода выполняют с зазором, поэтому он являются одновременно накопителем магнитной энергии. В зависимости от величины индуктивности получают апериодический или колебательный разряд емкостного накопителя. Кроме того, в сварочных установках с емкостными накопителями понижающий трансформатор увеличивает постоянную времени сварочной цепи и поэтому увеличивает длительность сварочного импульса. В установках с индуктивными накопителями трансформатор тоже можно применять для управления режимом сварки.

Форма импульса при разрядке на активную нагрузку как для емкостного, так и для индуктивного накопителя имеет вид спадающих экспонент, и для неизменной нагрузки импульсы можно сделать совершенно одинаковыми. Однако активное сопротивление в зоне сварки не остается постоянным в процессе действия импульса. В начале сварки оно максимальное, что связано с наличием окисных пленок и загрязнений, а также может создаваться искусственно. После расплавления металла активное сопротивление снижается почти до нуля, при этом емкостные накопители энергии увеличивают электрический ток и повышают мощность. В индуктивных накопителях электрический ток и мощность не увеличиваются. Кроме того, после образования жидкого металла между свариваемыми деталями активное сопротивление падает почти до нуля, увеличивается постоянная времени сварочной цепи и почти прекращается выделение мощности в зоне сварки.

Таким образом, выделяемая емкостными накопителями мощность возрастает с уменьшением активного сопротивления нагрузки и уменьшается с его увеличением. В индуктивных накопителях, наоборот, выделение мощности возрастает с увеличение активного сопротивления нагрузки и падает с его уменьшением. Увеличение мощности индуктивными накопителями на активном сопротивлении в начале импульса и снижение ее в конце импульса создает условия для сварки тонкостенных деталей с малой ЗТВ, что позволяет также уменьшить мощность и размеры сварочного источника.

Имеется также возможность объединения индуктивных и емкостных накопителей энергии и формирования сварочного импульса их последовательным подключением. Например, вначале можно использовать индуктивный накопитель, середину импульса формировать емкостным накопителем, а в конце подключить еще один индуктивный накопитель. Или формировать сварочный импульс последовательным подключением двух индуктивных накопителей с разным количеством энергии. Такое подключение накопителей возможно с помощью современной коммутирующей и компьютерной техники.

В работе описаны результаты сварки установкой с индуктивным накопителем энергии. Принципиальная схема установки приведена в работе. Индуктивный накопитель представляет собой ферро-магнитный сердечник с немагнитным зазором, на котором располагается силовая обмотка и небольшая обмотка датчика максимального тока. Накопитель заряжается от конденсаторной батареи. При достижении максимального тока в обмотке по сигналу датчика максимального тока к заряженному индуктивному накопителю подсоединяли свариваемые детали, при этом сразу же уже разряженная на индуктивный накопитель батарея конденсаторов отключалась. Масса индуктивного накопителя около 0,5 кг. Выполняли сварку проволок диаметром 0,8 мм из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т.

Процесс сварки проходил следующим образом

Между очищенными торцами проволок наносили слой порошка мела, проволоки соединяли с постоянным усилием около 10 Н для последующего сжатия оплавленных концов. Затем подавался импульс от индуктивного накопителя энергии, сопровождающийся вспышкой света и треском, характерным для дуги.

Слой мела использовали в качестве защитной среды, при этом он одновременно обеспечивал создание искусственного активного сопротивления, на котором концентрировалось выделение теплоты с последующим образованием дуги, что позволило уменьшить размеры и массу индуктивного накопителя.

Металлографические исследования показали, что защитные покрытия от коррозии характеризуются типичной дендритной структурой литого сплава. Металл околошовной зоны имеет мелкозернистую аустенитную структуру. Средняя ширина сварного шва 0,12 мм, ЗТВ соизмерима с шириной шва. Малая ширина шва и небольшая ЗТВ указывают на то, что нагрев металла был местный и кратковременный и теплота не успела расплавить значительный слой металла и распространиться вглубь.

На этой же установке получены осциллограммы сварочного тока и напряжения. Данные также записывались в численном виде, которые затем обрабатывались с помощью математического пакета программ. Кроме кривых тока и напряжения, таким способом получены зависимости мощности, энергии импульса и активного сопротивления зоны сварки от общего времени сварки.

Анализ полученных кривых позволяет заключить, что увеличение электрического тока и напряжения от нуля до максимального значения в начале импульса связано с закрытием коммутирующего ключа. Затем напряжение плавно уменьшается приблизительно от 30 до 20 В, что соответствует напряжению при дуговом разряде. Излом кривых электрического тока и резкое снижение напряжения, мощности и активного сопротивления в конце сварки указывает на электрическое замыкание свариваемых деталей расплавленным металлом, при этом активное сопротивление уменьшается, а выделение тепловой энергии снижается. Сварка осуществлена энергией индуктивного накопителя, и форма кривых не зависит от вида его источника питания.

Важным для практического применения и проведения исследований является разработка источников питания с индуктивными накопителями энергии. Такие источники энергии могут быть созданы с применением индуктивных накопителей, заряжаемых от конденсаторной батареи и трансформаторов с воздушным зазором. Недостатком источников первого типа является то, что для зарядки индуктивного накопителя необходимо подключение еще и емкостного накопителя с энергией, равной энергии индуктивного накопителя. Для источников второго типа невыгодно использовать для зарядки трансформатора с воздушным зазором синусоидальное напряжение сети с частотой 50 Гц. Индуктивный накопитель необходимо заряжать короткими импульсами, причем чем короче зарядные импульсы, тем меньше потери в проводах обмотки. Возможно применять трансформатор, в котором зарядный импульс формируется обрезанием полу-синусоиды, однако это может привести к снижению качества электрической энергии сети.

Сварочным источником может являться и электрическая машина с индуктивным накопителем энергии1. Аналогом импульсных электрических машин с индуктивными накопителями энергии являются электрические машины магнитного сопротивления, в которых при перемещении вторичной части относительно первичной изменяется магнитное сопротивление между явно выраженными полюсами. Двигателями магнитного сопротивления являются обычные электромагниты и шаговые двигатели. Генераторами — индукторные генераторы, применяемые в автономных сварочных установках и имеющие преимущества перед генераторами постоянного тока и синхронными генераторами благодаря отсутствию щеточных контактов. Однако эти индукторные генераторы более массивные.

Процесс накопления магнитной энергии в генераторе магнитного сопротивления можно осуществить следующим образом. При перемещении вторичной части в нейтральном положении, когда магнитное сопротивление воздушных зазоров становится минимальным, в обмотку подается короткий импульс возбуждения и в рабочем зазоре возникает магнитное поле. При движении вторичной части силовые линии магнитного поля «растягиваются» т. е. происходит процесс преобразования механической энергии в магнитную энергию. В крайнем положении вторичной части, когда магнитное сопротивление воздушных зазоров станет максимальным и накопится максимальная магнитная энергия, к обмотке подключается нагрузка и магнитная энергия преобразуется в виде импульса в сварочную тепловую энергию.

В настоящее время проводятся исследования таких машин на численных моделях. Происходящие процессы в электрических машинах описываются уравнениями механики и электродинамики. С помощью математического пакета программ МаИСАй система этих дифференциальных уравнений решается в численном виде, что и является основой численных моделей. Удельная мощность машин с индуктивным накопителем по сравнению с традиционными машинами магнитного сопротивления увеличилась более чем в 2 раза, а КПД — более чем на 20 %. Увеличение энергетических параметров связано с тем, что в данных машинах магнитомеханическое преобразование энергии происходит при постоянном потокосцеплении, что энергетически выгоднее. В последующих моделях учитывали также и потоки рассеяния, оказавшиеся очень большими. Однако, несмотря на значительное отрицательное действие потоков рассеяния, получено увеличение энергетических параметров.

С помощью генераторов с индуктивными накопителями энергии можно получать как единичные сварочные импульсы, так и серии импульсов. Сварка сериями импульсов индуктивными накопителями энергии пока не изучена. Можно предположить, что такое свойство индуктивных накопителей энергии, как автоматическое повышение напряжения при увеличении активного сопротивления сварочного промежутка, облегчит начальное и повторное зажигание дуги и повысит стабильность сварочного процесса при изменении длины дуги, свойств защитного газа и др.

Сварка с применением индуктивных накопителей энергии имеет много общего с конденсаторной сваркой и поэтому ее можно также использовать для получения стыковых и точечных соединений деталей толщиной 2,0—0,5 мм и менее. Кроме того, индуктивные накопители энергии могут найти применение для резки и эрозионной обработки металлов.

Выводы

1. В настоящее время коммутирующая и компьютерная техника достигла высокого уровня, что позволяет вернуться к исследованию сварки индуктивными накопителями энергии.

2. Сварка индуктивными накопителями энергии осуществима и по сравнению со сваркой конденсаторными машинами имеет ряд особенностей, связанных с повышением отдачи мощности при увеличении активного сопротивления сварочной зоны, что может быть использовано для уменьшения толщины сварного шва, ЗТВ и, соответственно, для снижения массы и габаритных размеров сварочной установки.

3. Недостатки емкостных и индуктивных накопителей энергии могут быть снижены последовательным подключением нескольких накопителей в сварочный цикл.

4. Для сварки можно применять электрические машины с индуктивными накопителями энергии, имеющие более высокие энергетические показатели по сравнению с традиционными машинами магнитного сопротивления.