RU2359796C1

RU2359796C1 - Arc welding method with transfer of electrode metal and device to this end

Info

Publication number: RU2359796C1
Application number: RU2008113460/02A
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Киселев (RU); Алексей Сергеевич Киселев; Антон Сергеевич Гордынец (RU); Антон Сергеевич Гордынец; Ростислав Иванович Дедюх (RU); Ростислав Иванович Дедюх
Priority date: 2008-04-07
Filing date: 2008-04-07
Publication date: 2009-06-27

Abstract

FIELD: welding.

SUBSTANCE: invention relates to a method and device for consumable-electrode arc welding and can be used in manual or machine welding of joints of main and industrial pipelines, as well as other metal structures in different industries. When welding, transfer of electrode metal is controlled during the short circuit period. Before the short circuit, welding current is bridged and reduced to zero. Then during the short circuit period, welding current is varied proportionally to electrical conductivity of the liquid metal jumper. At the end of the short circuit, welding current is once again reduced to zero. After the short circuit, bridging is stopped and arcing is induced at the peak level of welding current, which during arcing, is gradually reduced to a base level. The device has a direct current power supply, throttle, current sensor, control unit, electrode, stabilitron, delay line and N diodes, connected in series and accordingly. The throttle has an impregnable magnetic core and a split winding.

EFFECT: prevention of metal sputtering during the short circuit period.

3 cl, 3 dwg

Description

Группа изобретений относится к дуговой сварке плавящимся электродом с периодическими замыканиями межэлектродного промежутка расплавленным металлом и может быть использована при ручной и механизированной сварке стыков магистральных и технологических трубопроводов, а также других металлоконструкций в различных отраслях промышленности.The group of inventions relates to arc welding with a consumable electrode with periodic closures of the interelectrode gap by molten metal and can be used in manual and mechanized welding of joints of main and technological pipelines, as well as other metal structures in various industries.

Известен способ дуговой сварки (А.с. СССР №563241, В23К 9/00, 30.06.1977 г.), при котором в период замыкания межэлектродного промежутка расплавленным металлом непрерывно увеличивают сварочный ток и измеряют падение напряжения на жидкой перемычке. При достижении падения напряжения заданного порогового значения на завершающей стадии существования жидкой металлической перемычки ток кратковременно уменьшают.A known method of arc welding (AS USSR No. 563241, V23K 9/00, 06/30/1977), in which during the period of closing the interelectrode gap by molten metal, the welding current is continuously increased and the voltage drop across the liquid jumper is measured. When the voltage drop reaches a predetermined threshold value at the final stage of the liquid metal bridge, the current is briefly reduced.

Недостатком известного способа сварки является повышенное разбрызгивание металла в начальный период короткого замыкания при большой величине тока в сварочной цепи.A disadvantage of the known welding method is the increased spraying of the metal in the initial period of the short circuit with a large current in the welding circuit.

Известно устройство для дуговой сварки с короткими замыканиями (А.с. СССР №484055, В23К 9/00, 15.09.1975 г.). Оно содержит: источник питания постоянного тока для сварки; сварочный дроссель; коммутирующий тиристор; электрод; свариваемое изделие; вспомогательную токоограничительную цепь, состоящую из дросселя и резистора; датчик контроля перемычки; шунтирующую цепь, состоящую из вспомогательного тиристора, конденсатора, дополнительного источника питания постоянного тока и зарядного резистора. Устройство обеспечивает ограничение тока в сварочной цепи на завершающей стадии короткого замыкания до последующего возбуждения дуги. На этом этапе ток из цепи коммутирующего тиристора переключается в шунтирующую цепь, после чего ток в цепи нагрузки определяется величиной сопротивления вспомогательной токоограничительной цепи.A device for arc welding with short circuits (A.S. USSR No. 484055, V23K 9/00, 09/15/1975). It contains: a DC power source for welding; welding choke; switching thyristor; electrode; welded product; auxiliary current-limiting circuit consisting of a choke and a resistor; jumper control sensor; a shunt circuit consisting of an auxiliary thyristor, a capacitor, an additional DC power source and a charging resistor. The device provides a limitation of the current in the welding circuit at the final stage of a short circuit to the subsequent excitation of the arc. At this stage, the current from the switching thyristor circuit is switched to a shunt circuit, after which the current in the load circuit is determined by the resistance value of the auxiliary current-limiting circuit.

Недостатком такого устройства является отсутствие возможности отключения тока в начальный период короткого замыкания, что повышает вероятность разбрызгивания жидкого металла. Кроме того, устройство обеспечивает относительно медленное нарастание тока в сварочной цепи после возбуждения дуги и включения коммутирующего тиристора, что снижает ее тепловую мощность в этот период и, соответственно, уменьшает производительность процесса сварки.The disadvantage of this device is the inability to turn off the current in the initial period of the short circuit, which increases the likelihood of splashing liquid metal. In addition, the device provides a relatively slow increase in the current in the welding circuit after arc excitation and switching on the switching thyristor, which reduces its thermal power during this period and, accordingly, reduces the productivity of the welding process.

Известен способ дуговой сварки (А.с. СССР №768108, В23К 9/00, БИ №2, 1984 г.). При этом способе сварки в период замыкания межэлектродного промежутка расплавленным металлом ток в сварочной цепи увеличивают и осуществляют непрерывное измерение напряжения между электродами, а в момент достижения его величины порогового значения ток в сварочной цепи уменьшают. После разрыва жидкой металлической перемычки и повторного возбуждения малоамперной дуги контролируют величину дугового напряжения и при достижении им опорной величины увеличивают ток в сварочной цепи на заданное время, а затем уменьшают до очередного замыкания.A known method of arc welding (A.S. USSR No. 768108, V23K 9/00, BI No. 2, 1984). With this welding method, during the period of closing the interelectrode gap by molten metal, the current in the welding circuit is increased and the voltage between the electrodes is continuously measured, and when the threshold value is reached, the current in the welding circuit is reduced. After breaking the liquid metal jumper and re-exciting the low-ampere arc, the arc voltage is monitored and, when it reaches the reference value, increase the current in the welding circuit for a predetermined time, and then reduce it to the next circuit.

К недостаткам известного способа сварки можно отнести отсутствие текущего контроля электрических параметров дуги в период параметрического дозирования энергии и возможности управления ими, что снижает стабильность процесса сварки и повышает вероятность разбрызгивания металла на этом этапе. Кроме того, достоверность информации о завершении периода короткого замыкания существенно зависит от многих случайных факторов, например изменения вылета электрода и нарушения контакта в электрической цепи, что предполагает использование сложных измерительных систем.The disadvantages of the known welding method include the lack of current control of the electric parameters of the arc during the parametric dosing of energy and the ability to control them, which reduces the stability of the welding process and increases the likelihood of metal spatter at this stage. In addition, the reliability of the information about the end of the short circuit period significantly depends on many random factors, for example, changes in the electrode stick-out and contact disturbance in the electrical circuit, which involves the use of complex measuring systems.

Для реализации известного способа сварки (А.с. №768108) предложено использовать устройство, в котором сварочная головка подключена к одной клемме источника постоянного тока через дроссель, а тиристорный ключ с принудительной коммутацией и шунтирующий его переменный резистор включены последовательно в сварочную цепь между другой клеммой источника постоянного тока и изделием. Кроме того, устройство содержит датчик непрерывного контроля размеров перемычки, блок сравнения дугового напряжения, источник опорного напряжения и линию задержки, которая дозирует энергию плавления электродного металла.To implement the known welding method (A.S. No. 768108), it is proposed to use a device in which the welding head is connected to one terminal of a direct current source through a choke, and the thyristor switch with forced switching and its shunt resistor are connected in series in the welding circuit between the other terminal DC power and product. In addition, the device includes a sensor for continuous monitoring of the jumper dimensions, an arc voltage comparison unit, a reference voltage source and a delay line that doses the melting energy of the electrode metal.

Недостатком известного устройства является использование в качестве коммутатора тока тиристорного ключа, быстродействие которого ограничено, что приводит к нарушению алгоритма работы при часто повторяющихся коротких замыканиях. Кроме того, из-за наличия дросселя в сварочной цепи не обеспечивается быстрое нарастание тока в начальный период дозирования энергии, что уменьшает тепловую мощность дуги и снижает эффективность процесса сварки.A disadvantage of the known device is the use of a thyristor switch current as a switch, the performance of which is limited, which leads to a disruption of the algorithm of operation during frequently repeated short circuits. In addition, due to the presence of a choke in the welding circuit, a rapid increase in current is not provided in the initial period of energy metering, which reduces the thermal power of the arc and reduces the efficiency of the welding process.

Известен способ дуговой сварки плавящимся электродом с принудительным гашением дуги перед коротким замыканием межэлектродного промежутка (с.9 в кн.: Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах/ В.А.Ленивкин, Н.Г.Дюргеров, Х.Н.Сагиров. - М.: Машиностроение, 1989. - 264 с.).A known method of arc welding with a consumable electrode with forced arc extinction before short-circuiting the interelectrode gap (p. 9 in the book: Technological properties of a welding arc in shielding gases / V.A. Lenivkin, N.G. Dyurgerov, Kh.N. Sagirov. - M .: Engineering, 1989 .-- 264 p.).

Для осуществления этого способа сварки применяют источник питания, выходное напряжение которого не превышает суммарного значения приэлектродных падений напряжения дуги. Полный цикл процесса сварки состоит из трех этапов. На первом этапе осуществляется замыкание межэлектродного промежутка расплавленным металлом. На втором этапе, который начинается в момент разрушения жидкой металлической перемычки, возбуждается и горит дуга за счет ЭДС самоиндукции сварочной цепи. В момент снижения напряжения сварочной цепи до критического уровня дуга принудительного гаснет, и начинается третий этап, длящийся 2...80 мс до очередного замыкания межэлектродного промежутка.To implement this welding method, a power source is used whose output voltage does not exceed the total value of the electrode voltage drops of the arc. The full cycle of the welding process consists of three stages. At the first stage, the interelectrode gap is closed with molten metal. At the second stage, which begins at the moment of destruction of the liquid metal bridge, the arc is excited and burns due to the EMF of the self-induction of the welding circuit. At the moment of reducing the voltage of the welding circuit to a critical level, the forced arc goes out, and the third stage begins, lasting 2 ... 80 ms until the next closure of the interelectrode gap.

К недостаткам известного способа сварки с естественными перерывами в горении дуги и источника питания для его осуществления относятся низкая стабильность процесса и большое разбрызгивание металла в момент разрыва перемычки при максимальном заданном значении тока короткого замыкания. Кроме того, такой принцип управления током невозможно использовать при ручной сварке покрытыми электродами по причине низкой надежности начального и повторного возбуждения дуги.The disadvantages of the known welding method with natural interruptions in the burning of the arc and the power source for its implementation include low process stability and a large spray of metal at the time of the jumper rupture at the maximum set value of the short circuit current. In addition, this principle of current control cannot be used for manual welding with coated electrodes due to the low reliability of the initial and repeated excitation of the arc.

Известен однофазный сварочный выпрямитель для дуговой сварки покрытыми электродами (Патент RU 2086372, С1, В23К 9/095, опубл. 10.08.97 г. Бюл. №22). Он содержит: трансформатор с двумя вторичными обмотками; двухполупериодный тиристорный выпрямитель; блок подпитки; фазорегулирующее устройство; блок управления тиристорами выпрямителя; два пороговых устройства; симметричный тиристор, подключенный параллельно входу двухполупериодного тиристорного выпрямителя и основной вторичной обмотке трансформатора; блок управления симметричным тиристором; линию задержки, вход которой соединен с выходом первого порогового устройства, а выход - с запрещающими входами блока управления симметричным тиристором и блока управления тиристорами выпрямителя. При этом разрешающие входы блока управления симметричным тиристором и блока управления тиристорами выпрямителя соединены с выходом второго порогового устройства; выход блока управления симметричным тиристором соединен с управляющим электродом симметричного тиристора; дополнительная обмотка трансформатора соединена с входом блока подпитки и фазорегулирующего устройства, выход которого соединен с входом блока управления тиристорами выпрямителя; входы первого и второго пороговых устройств подключены к выходам тиристорного выпрямителя и блока подпитки, соединенным параллельно между собой.Known single-phase welding rectifier for arc welding with coated electrodes (Patent RU 2086372, C1, V23K 9/095, publ. 08/10/97, Bull. No. 22). It contains: a transformer with two secondary windings; two-half thyristor rectifier; recharge unit; phase control device; rectifier thyristor control unit; two threshold devices; a symmetric thyristor connected in parallel with the input of a half-wave thyristor rectifier and the main secondary winding of the transformer; symmetric thyristor control unit; a delay line, the input of which is connected to the output of the first threshold device, and the output to the inhibiting inputs of the symmetric thyristor control unit and the rectifier thyristor control unit. In this case, the enable inputs of the symmetric thyristor control unit and the rectifier thyristor control unit are connected to the output of the second threshold device; the output of the control unit of the symmetric thyristor is connected to the control electrode of the symmetric thyristor; an additional winding of the transformer is connected to the input of the make-up unit and phase control device, the output of which is connected to the input of the rectifier thyristor control unit; the inputs of the first and second threshold devices are connected to the outputs of the thyristor rectifier and the make-up block connected in parallel with each other.

К недостаткам известного однофазного сварочного выпрямителя можно отнести то, что шунтирование основной вторичной обмотки трансформатора симметричным тиристором осуществляется в процессе сварки с момента достижения завершающей стадии короткого замыкания до окончания текущего полупериода переменного тока. На этом этапе, длительность которого может достигать 10 мс, после разрыва жидкой металлической перемычки возбуждение и последующее горение дуги происходят при минимальном значении тока, задаваемым блоком подпитки, что снижает эффективность нагрева торца электрода и свариваемого металла, а также способствует «залипанию» электрода при случайном соприкосновении его с изделием. Кроме того, при последующем включении сварочного тока скорость его нарастания существенно ограничена индуктивностью сварочной цепи. При этом предлагаемый принцип шунтирования тока может быть реализован только в случае использования трансформаторов с падающей внешней вольтамперной характеристикой, что исключает его применение в источниках питания с жесткой внешней вольтамперной характеристикой для механизированной сварки плавящимся электродом.The disadvantages of the known single-phase welding rectifier include the fact that the main secondary winding of the transformer is shunted by a symmetric thyristor during the welding process from the moment the final stage of the short circuit is reached until the end of the current alternating current half-cycle. At this stage, the duration of which can reach 10 ms, after the liquid metal jumper ruptures, the excitation and subsequent arc burning occur at the minimum current set by the recharge unit, which reduces the heating efficiency of the electrode end and the metal being welded, and also contributes to the sticking of the electrode in case of accidental touching it with the product. In addition, when the welding current is subsequently turned on, its rise rate is significantly limited by the inductance of the welding circuit. At the same time, the proposed principle of current shunting can be realized only in the case of using transformers with a falling external current-voltage characteristic, which excludes its use in power supplies with a rigid external current-voltage characteristic for mechanized welding with a consumable electrode.

Известен способ стабилизации переноса электродного металла и снижения его разбрызгивания при сварке короткой дугой в среде углекислого газа (ж. «Сварочное производство», 1980 г., №6, с.9-10). При этом кратковременно уменьшают сварочный ток и в начальный этап формирования короткого замыкания, и на завершающей стадии существования жидкой металлической перемычки. В частности, в начальный этап формирования короткого замыкания, после снижения напряжения на межэлектродном промежутке до 8…12 В, ток ограничивают до 2…10 А на период 0,7…1 мс. На завершающей стадии существования жидкой металлической перемычки при достижении падения напряжения на ней порогового значения ток уменьшают с 300…500 до 20…40 А в течение 30…40 мкс. После разрыва жидкой металлической перемычки возбуждается сначала малоамперная дуга, а затем ее ток увеличивают до исходного значения.A known method of stabilizing the transfer of electrode metal and reduce its spatter during welding by a short arc in a carbon dioxide medium (J. "Welding", 1980, No. 6, p. 9-10). At the same time, the welding current is briefly reduced both at the initial stage of short circuit formation and at the final stage of the existence of a liquid metal jumper. In particular, at the initial stage of short circuit formation, after the voltage across the electrode gap is reduced to 8 ... 12 V, the current is limited to 2 ... 10 A for a period of 0.7 ... 1 ms. At the final stage of the liquid metal jumper, when the voltage drop across it reaches a threshold value, the current is reduced from 300 ... 500 to 20 ... 40 A within 30 ... 40 μs. After the liquid metal jumper ruptures, the low-ampere arc is first excited, and then its current is increased to the initial value.

Недостатком известного способа стабилизации переноса электродного металла и снижения его разбрызгивания при сварке является то, что ограничение тока в начальной стадии формирования короткого замыкания осуществляют лишь после слияния капли расплавленного металла со сварочной ванной, что не исключает возможности разбрызгивания жидкого металла на этапе слияния. Кроме того, разбрызгивание жидкого металла возможно и на завершающем этапе существования перемычки, так как ее разрушение осуществляется при токе 20 А и более. При этом характер нарастания тока в сварочной цепи после возбуждения дуги существенно зависит от момента подачи управляющего сигнала, что отрицательно влияет на стабильность процесса сварки.A disadvantage of the known method of stabilizing the transfer of electrode metal and reducing its spatter during welding is that the current is limited in the initial stage of short circuit formation only after the drop of molten metal merges with the weld pool, which does not exclude the possibility of liquid metal splashing at the stage of fusion. In addition, the spraying of liquid metal is possible at the final stage of the jumper, since its destruction is carried out at a current of 20 A or more. Moreover, the nature of the increase in current in the welding circuit after arc excitation substantially depends on the moment of supply of the control signal, which negatively affects the stability of the welding process.

Известно устройство для дуговой сварки с короткими замыканиями дугового промежутка (А.с. СССР №856705, В23К 9/00, В23К 9/09, БИ №31, 1981 г.). Оно содержит: силовой тиристор, включенный между источником питания и дуговым промежутком; коммутирующие тиристоры; резисторы; коммутирующий конденсатор; датчик момента коммутации; систему управления тиристорами; пороговый элемент. При этом коммутирующие тиристоры соединены по мостовой схеме и включены параллельно дуговому промежутку и силовому тиристору, причем коммутирующий конденсатор включен в диагональ тиристорного моста, тиристоры одной из диагональных ветвей моста зашунтированы резисторами, а параллельно коммутирующему конденсатору через пороговый элемент подключена система управления тиристорами.A device for arc welding with short circuits of the arc gap (AS USSR No. 856705, V23K 9/00, V23K 9/09, BI No. 31, 1981). It contains: a power thyristor connected between the power source and the arc gap; switching thyristors; resistors; switching capacitor; switching moment sensor; thyristor control system; threshold element. In this case, the switching thyristors are connected in a bridge circuit and are connected parallel to the arc gap and the power thyristor, and the switching capacitor is included in the diagonal of the thyristor bridge, the thyristors of one of the diagonal branches of the bridge are shunted by resistors, and the thyristor control system is connected through the threshold element in parallel with the switching capacitor.

Недостатком известного устройства является зависимость его работоспособности от уровня заряда коммутирующего конденсатора, что накладывает ограничение на его быстродействие и способствует нарушению алгоритма работы. Кроме того, в случае разрушения жидкой металлической перемычки в период выключения (восстановления запирающих свойств) силового тиристора возбуждение дуги затруднено, так как на этом этапе коммутирующий конденсатор относительно большой емкости (С=800…2000 мкФ) шунтирует межэлектродный промежуток, что нарушает устойчивость энергетической системы «источник питания - дуга».A disadvantage of the known device is the dependence of its operability on the charge level of the switching capacitor, which imposes a limitation on its speed and contributes to the violation of the operating algorithm. In addition, in the case of destruction of the liquid metal jumper during the turn-off (restoration of the locking properties) of the power thyristor, the excitation of the arc is difficult, since at this stage a switching capacitor of relatively large capacitance (C = 800 ... 2000 μF) shunts the interelectrode gap, which violates the stability of the energy system "The power source is the arc."

Известны способ управления процессом сварки с короткими замыканиями и устройство для его осуществления (Патент США №4954691, В23К 9/10, опубл. 04.09.1990 г.). Предложенные технические решения предусматривают кратковременное уменьшение сварочного тока на начальном этапе формирования короткого замыкания, затем в период установившегося короткого замыкания сварочный ток увеличивают в соответствии с динамическими свойствами источника питания, а на завершающей стадии существования жидкой металлической перемычки сварочный ток вновь кратковременно уменьшают. При этом состояние жидкой металлической перемычки оценивают по скорости изменения падения напряжения на ней. После разрушения жидкой металлической перемычки возбуждают малоамперную дугу, а затем ее ток увеличивают до заданной величины.A known method of controlling the welding process with short circuits and a device for its implementation (US Patent No. 4954691, V23K 9/10, publ. 04.09.1990). The proposed technical solutions provide for a short-term decrease in the welding current at the initial stage of short circuit formation, then during a steady-state short circuit, the welding current is increased in accordance with the dynamic properties of the power source, and at the final stage of the liquid metal bridge, the welding current is again briefly reduced. In this case, the state of the liquid metal jumper is evaluated by the rate of change of the voltage drop across it. After the liquid metal bridge is destroyed, a low-ampere arc is excited, and then its current is increased to a predetermined value.

Недостатком известного способа управления процессом сварки с короткими замыканиями является то, что с целью исключения нарушения алгоритма работы устройства начало анализа скорости изменения падения напряжения на жидкой металлической перемычке осуществляют лишь после кратковременной принудительной задержки, в период действия которой разрушение жидкой металлической перемычки будет сопровождаться повышенным разбрызгиванием. Кроме того, после возбуждения малоамперной дуги затяжной характер последующего увеличения тока до заданной величины не обеспечивает требуемой интенсивности нагрева и, следовательно, снижает производительность процесса сварки.A disadvantage of the known method for controlling the process of welding with short circuits is that in order to eliminate violations of the algorithm of the device, the beginning of the analysis of the rate of change of voltage drop on the liquid metal jumper is carried out only after a short forced delay, during which the destruction of the liquid metal jumper will be accompanied by increased spraying. In addition, after the excitation of a small-ampere arc, the lingering nature of the subsequent increase in current to a predetermined value does not provide the required heating intensity and, therefore, reduces the productivity of the welding process.

Устройство для осуществления известного способа управления процессом сварки с короткими замыканиями содержит источник постоянного тока, транзистор, диод, токоограничительный резистор, электролитический конденсатор, электрод и свариваемое изделие. При этом клемма «минус» источника постоянного тока соединена со свариваемым изделием, а клемма «плюс» источника постоянного тока соединена с одним выводом дросселя. Другой вывод дросселя соединен с анодом диода и коллектором транзистора. Катод диода соединен с выводом «плюс» электролитического конденсатора и одним выводом токоограничительного резистора, другой вывод которого соединен с выводом «минус» электролитического конденсатора, а также с эмиттером транзистора и с электродом. В процессе сварки ограничение тока в начальный и завершающий моменты короткого замыкания осуществляется посредством выключения транзистора.A device for implementing a known method for controlling a short-circuit welding process comprises a direct current source, a transistor, a diode, a current limiting resistor, an electrolytic capacitor, an electrode, and a welded article. In this case, the minus terminal of the DC source is connected to the welded product, and the plus terminal of the DC source is connected to one terminal of the inductor. The other end of the inductor is connected to the anode of the diode and the collector of the transistor. The cathode of the diode is connected to the plus terminal of the electrolytic capacitor and one terminal of a current-limiting resistor, the other terminal of which is connected to the minus terminal of the electrolytic capacitor, as well as to the emitter of the transistor and to the electrode. During welding, the current is limited at the initial and final moments of a short circuit by turning off the transistor.

К недостаткам известного устройства можно отнести относительно плавный спад тока в сварочной цепи при выключении транзистора в начальный и завершающий этап короткого замыкания в сварочной цепи, что обусловлено процессом заряда электролитического конденсатора до уровня, определяемого токоограничительным резистором. Такой характер изменения тока не исключает разбрызгивания металла на этапе формирования короткого замыкания межэлектродного промежутка. При этом на токоограничительном резисторе рассеивается значительная тепловая мощность. Последующее шунтирование токоограничительной цепи при включении транзистора приводит к увеличению тока до заданного уровня, однако, скорость его нарастания относительно мала и определяется инерционными свойствами сварочной цепи, в частности величиной индуктивности дросселя. Такой характер нарастания тока снижает эффективность нагрева зоны сварки и производительность процесса.The disadvantages of the known device include a relatively smooth decrease in current in the welding circuit when the transistor is turned off at the initial and final stage of a short circuit in the welding circuit, which is caused by the process of charging the electrolytic capacitor to a level determined by the current-limiting resistor. This nature of the current change does not exclude metal spraying at the stage of formation of a short circuit of the interelectrode gap. At the same time, a considerable thermal power is dissipated on the current-limiting resistor. Subsequent shunting of the current-limiting circuit when the transistor is turned on leads to an increase in current to a predetermined level, however, its slew rate is relatively low and is determined by the inertial properties of the welding circuit, in particular, the magnitude of the inductance of the inductor. This nature of the increase in current reduces the efficiency of heating the welding zone and the productivity of the process.

Наиболее близкими к заявляемым изобретениям, выбранными в качестве прототипов, являются устройство для дуговой сварки с короткими замыканиями и способ управления им (Патент США №6501049, МПК В23К 9/073, В23К 9/09, В23К 9/06, опубл. 31.12.2002 г.). Эти устройство и способ управления им обеспечивают перенос расплавленного электродного металла в сварочную ванну за счет сил поверхностного натяжения посредством предлагаемого алгоритма управления величиной сварочного тока. В частности, в момент начала короткого замыкания сварочный ток уменьшают с базового уровня, равного 50…100 А, до 10 А на период времени 0,75 мс, по истечении которого его снова увеличивают сначала резко, а затем плавно. В период короткого замыкания измеряют скорость роста падения напряжения на жидкой металлической перемычке между электродом и свариваемым изделием. При достижении скорости роста этого напряжения заданного значения сварочный ток резко уменьшают до 5 А. После разрушения жидкой металлической перемычки и возбуждения малоамперной дуги сварочный ток увеличивают до пикового уровня и по истечении 1…2 мс уменьшают экспоненциально до базового уровня, затем цикл изменения тока повторяют.Closest to the claimed inventions, selected as prototypes, are a device for short-circuit arc welding and a method for controlling it (US Patent No. 6501049, IPC V23K 9/073, V23K 9/09, V23K 9/06, published on December 31, 2002 g.). These device and its control method provide the transfer of molten electrode metal into the weld pool due to surface tension forces by means of the proposed algorithm for controlling the magnitude of the welding current. In particular, at the time of the beginning of a short circuit, the welding current is reduced from a base level of 50 ... 100 A to 10 A for a period of 0.75 ms, after which it is again increased first sharply and then smoothly. During a short circuit, the rate of growth of the voltage drop across the liquid metal jumper between the electrode and the welded product is measured. Upon reaching the growth rate of this voltage of the set value, the welding current is sharply reduced to 5 A. After the liquid metal bridge is destroyed and the small-ampere arc is excited, the welding current is increased to a peak level and after 1 ... 2 ms it is reduced exponentially to the base level, then the current cycle is repeated.

Недостатком известного способа управления переносом расплавленного электродного металла в процессе сварки является наличие зависимости задаваемых и контролируемых электрических параметров от типа защитного газа, материала, диаметра и скорости подачи сварочной проволоки, что усложняет настройку оборудования. Кроме того, при сварке возможно разбрызгивание расплавленного металла в начальный момент короткого замыкания при базовом токе 50…100 А. Этому способствует и относительно высокая скорость нарастания тока после его предварительного ограничения в начальный период короткого замыкания, а также случайные короткие замыкания межэлектродного промежутка в период протекания тока пикового уровня. В случае ошибочного срабатывания системы управления в завершающий период короткого замыкания и соответствующего ограничения тока до 5 А возможно нарушение процесса сварки из-за «примерзания» электрода к изделию.The disadvantage of this method of controlling the transfer of molten electrode metal during the welding process is the dependence of the set and controlled electrical parameters on the type of shielding gas, material, diameter and wire feed speed, which complicates the setup of the equipment. In addition, during welding, it is possible to spray molten metal at the initial moment of a short circuit at a base current of 50 ... 100 A. This is facilitated by the relatively high rate of rise of the current after its preliminary limitation in the initial period of the short circuit, as well as random short circuits of the interelectrode gap during peak level current. In the event of a malfunction of the control system in the final period of a short circuit and a corresponding current limitation of up to 5 A, the welding process may be violated due to the "freezing" of the electrode to the product.

Известное устройство, обеспечивающее реализацию предлагаемого способа управления переносом расплавленного электродного металла в процессе сварки, содержит источник питания постоянного тока, транзистор, токоограничительный резистор, дроссель, датчик тока, блок управления, электрод и свариваемое изделие. Источник питания постоянного тока представляет собой управляемый транзисторный инвертор с частотой преобразования энергии сети 18 кГц. Его клемма «минус» соединена со свариваемым изделием через датчик тока, а клемма «плюс» соединена с коллектором транзистора и одним выводом токоограничительного резистора. Другой вывод токоограничительного резистора соединен с эмиттером транзистора и с одним выводом обмотки дросселя. Другой вывод обмотки дросселя подключен к электроду. Первый вход блока управления подключен к электроду, а второй вход соединен с выходом датчика тока. Один выход блока управления подключен к базе транзистора, а второй его выход соединен с управляющим входом источника питания постоянного тока. При этом заданный алгоритм изменения тока в сварочной цепи обеспечивают посредством управления состоянием транзистора и выходными параметрами быстродействующего источника питания постоянного тока.A known device that provides the implementation of the proposed method for controlling the transfer of molten electrode metal during welding, contains a DC power source, transistor, current limiting resistor, inductor, current sensor, control unit, electrode and welded product. The DC power supply is a controllable transistor inverter with a frequency of energy conversion of the network 18 kHz. Its minus terminal is connected to the welded product through a current sensor, and the plus terminal is connected to the collector of the transistor and one terminal of a current-limiting resistor. The other terminal of the current-limiting resistor is connected to the emitter of the transistor and to one terminal of the inductor winding. The other terminal of the inductor winding is connected to the electrode. The first input of the control unit is connected to the electrode, and the second input is connected to the output of the current sensor. One output of the control unit is connected to the base of the transistor, and its second output is connected to the control input of the DC power source. In this case, the specified algorithm for changing the current in the welding circuit is provided by controlling the state of the transistor and the output parameters of a high-speed DC power supply.

К недостаткам известного устройства можно отнести использование в качестве токоограничительного элемента резистора, на котором рассеивается значительная тепловая мощность. Кроме того, при включении транзистора и, соответственно, шунтировании токоограничительного резистора ток нарастает до заданного уровня относительно медленно, что определяется инерционными свойствами сварочной цепи, в частности величиной индуктивности дросселя. Для реализации заданного алгоритма работы блок управления предполагает использование сложной схемы на базе цифровых контроллеров, что существенно повышает стоимость устройства. При этом известное устройство предназначено только для реализации процесса механизированной сварки плавящимся электродом и, следовательно, его невозможно использовать для ручной дуговой сварки покрытыми электродами.The disadvantages of the known device include the use as a current-limiting element of a resistor, which dissipates significant thermal power. In addition, when you turn on the transistor and, accordingly, bypass the current-limiting resistor, the current rises to a predetermined level relatively slowly, which is determined by the inertial properties of the welding circuit, in particular, the magnitude of the inductance of the inductor. To implement the given algorithm of operation, the control unit involves the use of a complex circuit based on digital controllers, which significantly increases the cost of the device. Moreover, the known device is intended only for the implementation of the process of mechanized welding with a consumable electrode and, therefore, it cannot be used for manual arc welding with coated electrodes.

Задачей изобретений является устранение разбрызгивания металла в период короткого замыкания при ручной и механизированной дуговой сварке плавящимся электродом с использованием источников питания общепромышленного назначения.The objective of the invention is to eliminate metal spatter during a short circuit during manual and mechanized arc welding with a consumable electrode using power supplies for general industrial use.

Поставленная задача решается тем, что в способе дуговой сварки с управляемым переносом электродного металла, также как в прототипе, в начальный период короткого замыкания сварочный ток уменьшают, затем его увеличивают и вновь уменьшают в завершающий период короткого замыкания, а после возбуждения дуги ток увеличивают до пикового уровня и затем плавно уменьшают до базового уровня.The problem is solved in that in the method of arc welding with controlled transfer of electrode metal, as well as in the prototype, in the initial period of the short circuit, the welding current is reduced, then it is increased and again reduced in the final period of the short circuit, and after the arc is excited, the current is increased to peak level and then gradually decrease to the base level.

Согласно изобретению перед коротким замыканием сварочный ток шунтируют и обеспечивают сначала его уменьшение до нулевого уровня, затем в период короткого замыкания осуществляют изменение сварочного тока пропорционально электрической проводимости жидкой металлической перемычки и в завершающий момент короткого замыкания вновь уменьшают сварочный ток до нулевого уровня, а после окончания короткого замыкания шунтирование исключают и возбуждают дугу при пиковом уровне сварочного тока.According to the invention, the welding current is shunted before the short circuit and first it is reduced to zero, then during the short circuit the welding current is changed in proportion to the electrical conductivity of the liquid metal jumper and at the final moment of the short circuit the welding current is reduced again to zero, and after the short short circuits bypass exclude and excite the arc at the peak level of the welding current.

Для осуществления поставленной задачи предлагается использовать устройство для дуговой сварки с управляемым переносом электродного металла, содержащее также, как и прототип, источник питания постоянного тока, транзистор, дроссель, датчик тока, блок управления, электрод и свариваемое изделие.To accomplish this task, it is proposed to use a device for arc welding with controlled transfer of electrode metal, which also contains, like the prototype, a DC power supply, a transistor, a choke, a current sensor, a control unit, an electrode and a welded item.

Согласно изобретению в его состав дополнительно введены N-диодов, соединенных последовательно и согласно, стабилитрон и линия задержки. При этом дроссель выполнен с насыщающимся магнитопроводом и секционированной обмоткой, крайние выводы которой подключены, соответственно, к клемме «плюс» источника питания и к электроду, а отвод от нее подключен к аноду первого диода, катод N-диода соединен с катодом стабилитрона и с коллектором транзистора, эмиттер которого соединен с анодом стабилитрона и клеммой «минус» источника питания, между которой и свариваемым изделием включен датчик тока, связанный посредством линии задержки с одним из входов блока управления, другой вход которого соединен с электродом, а выход блока управления подключен к базе транзистора.According to the invention, N-diodes are additionally introduced into its composition, connected in series and according to a zener diode and a delay line. In this case, the inductor is made with a saturable magnetic circuit and sectioned winding, the extreme terminals of which are connected, respectively, to the plus terminal of the power source and to the electrode, and the tap from it is connected to the anode of the first diode, the cathode of the N-diode is connected to the cathode of the zener diode and to the collector a transistor, the emitter of which is connected to the zener diode anode and the minus terminal of the power source, between which a current sensor is connected between the item being welded and connected through a delay line to one of the inputs of the control unit, the other input is It is connected to the electrode, and the output of the control unit is connected to the base of the transistor.

Количество (N) диодов шунтирующей цепи выбирают по формулеThe number of (N) diodes of the shunt circuit is selected by the formula

N=(U_ш-U_КЭнас)/U_пр,N = (U -U _KEnas _w) / U _pr

где U_ш - суммарное падение напряжения на элементах шунтирующей цепи;where U _W - the total voltage drop on the elements of the shunt circuit;

U_КЭнас - напряжение насыщения коллектор - эмиттер открытого транзистора;U _Kenas - saturation voltage collector - emitter of an open transistor;

U_пр - прямое напряжение одного диода.U _CR - forward voltage of one diode.

Предлагаемый способ дуговой сварки с управляемым переносом электродного металла основан на использовании эффекта шунтирования тока, протекающего в цепи нагрузки, и ограничения падения напряжения на элементах шунтирующей цепи. Так, в момент, предшествующий очередному короткому замыканию в цепи электрод-изделие, который определяют по соответствующему уменьшению напряжения дуги, сварочный ток переключают в параллельную шунтирующую цепь. При этом ток источника питания не прерывается, а продолжает нарастать в связи с уменьшением сопротивления нагрузки. Учитывая, что задаваемое падение напряжения (менее 10 В) на элементах шунтирующей цепи меньше напряжения, необходимого для горения электрической дуги, происходят ее принудительное гашение и отключение тока в цепи электрод-изделие. В результате последующее слияние расплавленного электродного металла со сварочной ванной происходит при нулевом уровне тока. Таким образом, в короткий промежуток времени (доли миллисекунды) с момента гашения дуги до слияния расплавленного электродного металла со сварочной ванной создаются благоприятные условия, при которых исключаются все возмущающие факторы, провоцирующие разбрызгивание жидкого металла.The proposed method of arc welding with controlled transfer of electrode metal is based on using the effect of shunting the current flowing in the load circuit and limiting the voltage drop across the elements of the shunt circuit. So, at the moment preceding the next short circuit in the electrode-product circuit, which is determined by the corresponding decrease in the arc voltage, the welding current is switched to a parallel shunt circuit. In this case, the current of the power source is not interrupted, but continues to increase due to a decrease in load resistance. Considering that the set voltage drop (less than 10 V) on the elements of the shunt circuit is less than the voltage required for burning an electric arc, it is forcedly extinguished and the current in the electrode-product circuit is turned off. As a result, the subsequent fusion of the molten electrode metal with the weld pool occurs at zero current level. Thus, in a short period of time (fractions of a millisecond) from the moment of extinction of the arc to the confluence of the molten electrode metal with the weld pool, favorable conditions are created under which all disturbing factors that provoke the spattering of liquid metal are excluded.

Положительная роль шунтирования тока проявляется и в период, который длится с момента слияния расплавленного электродного металла со сварочной ванной до последующего разрушения жидкой металлической перемычки. В частности, в большей степени проявляется зависимость тока от проводимости цепи электрод-изделие, так как прикладываемое к жидкой металлической перемычке напряжение относительно мало и стабильно по величине. При этом по мере слияния расплавленного электродного металла со сварочной ванной проводимость формируемой жидкой металлической перемычки плавно изменяется сначала от нуля до максимального значения, а затем, по мере уменьшения диаметра шейки перемычки, вновь уменьшается до нуля, что вызывает пропорциональное изменение тока в цепи электрод-изделие и обратно пропорциональное - в шунтирующей цепи. Характер распределения тока между шунтирующей цепью и цепью электрод-изделие не зависит от динамических свойств источника питания. Кроме того, исключается возможность самопроизвольного увеличения тока в цепи электрод-изделие как на этапе формирования перемычки, так и на завершающем этапе ее существования. Все это подтверждает, что предлагаемые меры оптимизируют перенос расплавленного электродного металла в сварочную ванну и исключают его разбрызгивание.The positive role of current shunting is also manifested in the period that lasts from the moment of fusion of the molten electrode metal with the weld pool until the subsequent destruction of the liquid metal bridge. In particular, the current is more dependent on the conductivity of the electrode-product circuit, since the voltage applied to the liquid metal jumper is relatively small and stable in magnitude. In this case, as the molten electrode metal merges with the weld pool, the conductivity of the formed liquid metal jumper gradually changes first from zero to the maximum value, and then, as the diameter of the neck of the jumper decreases, it again decreases to zero, which causes a proportional change in the current in the electrode-product circuit and inversely proportional - in the shunt circuit. The nature of the current distribution between the shunt circuit and the electrode-product circuit does not depend on the dynamic properties of the power source. In addition, the possibility of spontaneous increase in current in the electrode-product circuit is excluded both at the stage of formation of the jumper and at the final stage of its existence. All this confirms that the proposed measures optimize the transfer of molten electrode metal into the weld pool and eliminate its spatter.

Шунтирование цепи электрод-изделие после разрушения жидкой металлической перемычки (в течение короткого промежутка времени - менее 1 мс) предупреждает возможность возбуждения сварочной дуги и обеспечивает дальнейший рост тока источника питания. Затем, в момент отключения шунтирующей цепи, создаются условия для бесконтактного возбуждения дуги при максимальном (пиковом) за период действия шунтирующей цепи токе источника питания, что повышает эффективность нагрева торца электрода и свариваемого изделия. По мере горения дуги сварочный ток снижается в соответствии с динамическими свойствами электрической цепи до установленного уровня.Shunting the electrode-product circuit after the liquid metal jumper is destroyed (within a short period of time - less than 1 ms) prevents the possibility of excitation of the welding arc and provides a further increase in the current of the power source. Then, at the moment of disconnection of the shunt circuit, conditions are created for non-contact arc excitation at the maximum (peak) current of the power source during the shunt circuit, which increases the heating efficiency of the end of the electrode and the item being welded. As the arc burns, the welding current decreases in accordance with the dynamic properties of the electric circuit to the set level.

Для осуществления способа дуговой сварки с управляемым переносом электродного металла предложено использовать устройство, работающее совместно с источником постоянного тока общепромышленного назначения. Отличительной особенностью такого оборудования является возможность подключения шунтирующей цепи параллельно цепи электрод-изделие посредством силового транзистора по сигналу датчика напряжения и последующего отключения шунтирующей цепи по сигналу датчика тока. При этом в процессе переноса расплавленного электродного металла в сварочную ванну осуществляется саморегулируемое изменение тока пропорционально электрической проводимости цепи электрод-изделие, что существенно упрощает принцип управления переносом металла, исключает его разбрызгивание, расширяет технологические возможности сварки плавящимся электродом и упрощает схемное решение оборудования.To implement the method of arc welding with controlled transfer of electrode metal, it is proposed to use a device that works in conjunction with a direct current source for general industrial use. A distinctive feature of such equipment is the ability to connect the shunt circuit in parallel to the electrode-product circuit by means of a power transistor by a voltage sensor signal and subsequent disconnection of the shunt circuit by a current sensor signal. At the same time, in the process of transferring molten electrode metal to the weld pool, a self-regulating current change is proportional to the electrical conductivity of the electrode-product circuit, which greatly simplifies the principle of controlling metal transfer, eliminates spatter, extends the technological capabilities of welding with a consumable electrode and simplifies the circuit design of the equipment.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для осуществления способа сварки.Figure 1 presents a functional diagram of a device for implementing the welding method.

На фиг.2 представлены временные диаграммы напряжения (U_эд) между электродом и изделием, тока (i_ип) в цепи источника питания, сварочного тока (i_св) в цепи электрод - изделие и тока (i_ш) в шунтирующей цепи, поясняющие суть способа сварки.Figure 2 presents the time diagram of the voltage (U _ed ) between the electrode and the product, current (i _un ) in the power supply circuit, welding current (i _cv ) in the electrode-product circuit and current (i _w ) in the shunt circuit, explaining the essence welding method.

На фиг.3 представлены осциллограммы тока (i_св) в цепи электрод - изделие и напряжения (U_эд) между электродом и изделием при ручной дуговой сварке покрытым электродом.Figure 3 presents the waveforms of the current (i _St ) in the electrode-product circuit and voltage (U _ed ) between the electrode and the product during manual arc welding with a coated electrode.

В состав устройства (фиг.1) для осуществления предлагаемого способа сварки с управляемым переносом электродного металла входит: источник питания 1 (ИП) постоянного тока; свариваемое изделие 2; датчик тока 3 (ДТ); дроссель 4 с насыщающимся магнитопроводом и секционированной обмоткой (секции 4.1 и 4.2); электрод 5; N-диодов (6.1…6.N), соединенных последовательно и согласно; транзистор 7; стабилитрон 8; блок управления 9 (БУ); линия задержки 10 (ЛЗ). При этом крайние выводы обмотки дросселя 4 подключены, соответственно, к клемме «плюс» источника питания 1 (ИП) и к электроду 5, а отвод от нее подключен к аноду первого диода (6.1). Катод N-диода (6.N) соединен с катодом стабилитрона 8 и с коллектором транзистора 7, эмиттер которого соединен с анодом стабилитрона 8 и клеммой «минус» источника питания 1 (ИП). Между клеммой «минус» источника питания 1 (ИП) и свариваемым изделием 2 включен датчик тока 3 (ДТ), выход которого соединен с входом линии задержки 10 (ЛЗ), а ее выход соединен с одним из входов блока управления 9 (БУ), другой вход которого соединен с электродом 5. Выход блока управления 9 (БУ) соединен с базой транзистора 7.The composition of the device (figure 1) for the implementation of the proposed welding method with controlled transfer of electrode metal includes: a power supply 1 (IP) of direct current; welded product 2; current sensor 3 (DT); inductor 4 with saturable magnetic circuit and sectioned winding (sections 4.1 and 4.2); electrode 5; N-diodes (6.1 ... 6.N) connected in series and according to; transistor 7; Zener diode 8; control unit 9 (control unit); delay line 10 (LZ). In this case, the extreme terminals of the inductor winding 4 are connected, respectively, to the plus terminal of power supply 1 (IP) and to electrode 5, and the tap from it is connected to the anode of the first diode (6.1). The cathode of the N-diode (6.N) is connected to the cathode of the zener diode 8 and to the collector of the transistor 7, the emitter of which is connected to the anode of the zener diode 8 and the minus terminal of the power supply 1 (IP). Between the negative terminal of the power supply 1 (IP) and the item to be welded 2, a current sensor 3 (DT) is connected, the output of which is connected to the input of the delay line 10 (LZ), and its output is connected to one of the inputs of the control unit 9 (BU), the other input of which is connected to the electrode 5. The output of the control unit 9 (control unit) is connected to the base of the transistor 7.

В качестве источника питания 1 (ИП) можно использовать сварочные выпрямители общепромышленного назначения: с жесткой внешней вольтамперной характеристикой (например, ВДГ-303) - при механизированной сварке плавящимся электродом; с падающей внешней вольтамперной характеристикой (например, ВД-306) - при ручной дуговой сварке покрытым электродом. Датчиком тока 3 (ДТ) может служить бесконтактный датчик CSLA1DJ (Honeywell), основанный на эффекте Холла. В качестве блока управления 9 (БУ) можно использовать электронное устройство на базе полупроводниковых компараторов напряжения К554САЗ (LM311) и усилителя мощности IR2110. Линия задержки 10 (ЛЗ) может быть реализована на одновибраторе CD4047.As a power source 1 (IP), welding rectifiers of general industrial use can be used: with a rigid external current-voltage characteristic (for example, VDG-303) - for mechanized welding with a consumable electrode; with a falling external current-voltage characteristic (for example, VD-306) - for manual arc welding with a coated electrode. Current sensor 3 (DT) can be a non-contact sensor CSLA1DJ (Honeywell), based on the Hall effect. As the control unit 9 (BU), you can use an electronic device based on semiconductor voltage comparators K554CAZ (LM311) and a power amplifier IR2110. Delay line 10 (LZ) can be implemented on a single-shot CD4047.

В исходном состоянии транзистор 7 (фиг.1) закрыт, а между электродом 5 и изделием 2 горит электрическая сварочная дуга, ток i_св которой, как правило, превышает 30 А (период 1-2, фиг.2). При этом ток i_ип источника питания равен току i_св сварочной дуги и протекает по цепи: клемма «плюс» источника питания 1 (ИП), обмотка дросселя 4 (секции 4.1 и 4.2), электрическая сварочная дуга, горящая между электродом 5 и изделием 2, датчик тока 3 (ДТ), клемма «минус» источника питания 1 (ИП) (фиг.1). Блок управления 9 (БУ) одним из входов контролирует напряжение U_эд электрической сварочной дуги. В этот период индуктивность дросселя 4 минимальна, так как при протекающем токе свыше 10 А его магнитопровод насыщен.In the initial state the transistor 7 (Figure 1) is closed, and between the electrode 5 and the workpiece 2 on the electric arc, the current i _St which is generally greater than 30 A (the period 1-2, Figure 2). In this case the current i _u power supply equal to the current i _St arc and flows through the circuit: terminal "plus" power source 1 (SP), the choke coil 4 (section 4.1 and 4.2), the electric arc burning between the electrode 5 and the workpiece 2 , current sensor 3 (DT), the terminal "minus" of the power source 1 (IP) (figure 1). The control unit 9 (BU) one of the inputs controls the voltage U _ed electric welding arc. During this period, the inductance of the inductor 4 is minimal, since with a flowing current of more than 10 A, its magnetic circuit is saturated.

В процессе горения дуги (интервал 1-2, фиг.2) торец металлического стержня электрода интенсивно нагревается и оплавляется, в результате чего образуется некоторый объем жидкого металла, который непрерывно увеличивается в размерах и приближается к поверхности расплавленной сварочной ванны на изделии. Это способствует уменьшению длины дуги и, следовательно, ее напряжения U_эд.In the process of arc burning (interval 1-2, figure 2), the end face of the metal rod of the electrode is heated and melted intensively, resulting in the formation of a certain volume of liquid metal, which continuously increases in size and approaches the surface of the molten weld pool on the product. This helps to reduce the length of the arc and, consequently, its voltage U _ed .

При снижении напряжения U_эд электрической сварочной дуги до заданного порогового уровня Uпор (момент 2, фиг.2) блок управления 9 (БУ) включает транзистор 7 (фиг.1), подавая сигнал на его базу. С этого момента параллельно сварочной цепи (электрод 5 - изделие 2) подключается шунтирующая цепь (диоды 6.1…6.N и открытый транзистор 7), падение напряжения U_ш на элементах которой существенно меньше текущего значения напряжения (U_эд=U_пор) электрической сварочной дуги. В результате осуществляются принудительное гашение дуги и отключение сварочного тока (i_св=0). Величину суммарного падения напряжения U_ш на элементах шунтирующей цепи задают исходя из условияWhen lowering the voltage U _{ed of the} electric welding arc to a predetermined threshold level Uпор (moment 2, FIG. 2), the control unit 9 (BU) includes a transistor 7 (FIG. 1), supplying a signal to its base. From this moment, a shunt circuit (diodes 6.1 ... 6.N and an open transistor 7) is connected parallel to the welding circuit (electrode 5 - product 2), the voltage drop U _w on the elements of which is significantly less than the current voltage value (U _ed = U _pore ) of the electric welding arcs. As a result, forced arc extinction and disconnection of the welding current are carried out (i _st = 0). The value of the total voltage drop U _W on the elements of the shunt circuit is set based on the condition

U_нкз<U_ш<U_ккз, U _NKZ <U _W <U _KKZ,

где U_нкз и U_ккз - напряжение между электродом и изделием, соответственно, в начальный и завершающий период короткого замыкания при заданных параметрах режима сварки без управляющего воздействия на перенос электродного металла (пунктирные линии на временных диаграммах фиг.2).where U _NKZ and U _KKZ are the voltage between the electrode and the product, respectively, in the initial and final period of the short circuit at the specified parameters of the welding mode without controlling the transfer of the electrode metal (dashed lines in the time diagrams of figure 2).

Таким образом, в момент гашения дуги ток источника питания i_ип переключается из сварочной цепи в шунтирующую цепь (i_ип=i_ш) и начинает протекать по цепи: клемма «плюс» источника питания 1 (ИП), обмотка дросселя 4 (секция 4.1), диоды 6.1…6.N, коллектор-эмиттер открытого транзистора 7, клемма «минус» источника питания 1 (ИП). С этого момента из-за снижения сопротивления нагрузки ток i_ип источника питания 1 (ИП) начинает непрерывно увеличиваться в соответствии с его динамическими свойствами вплоть до последующего возбуждения дуги. Количество (N) диодов шунтирующей цепи выбирают по формулеThus, at the time of extinguishing the arc, the current of the power supply _iip switches from the welding circuit to the shunt circuit (i _ip = _iw ) and starts flowing along the circuit: plus terminal of power supply 1 (IP), inductor winding 4 (section 4.1) , diodes 6.1 ... 6.N, collector-emitter of the open transistor 7, the minus terminal of power supply 1 (IP). From this point due to lower resistance load current i _u power source 1 (SP) starts to increase continuously in accordance with its dynamic properties of the arc until a subsequent excitation. The number of (N) diodes of the shunt circuit is selected by the formula

N=(U_ш-U_КЭнас)/U_пр,N = (U -U _KEnas _w) / U _pr

После подключения шунтирующей цепи и гашения дуги создаются благоприятные условия для образования жидкой металлической перемычки в цепи электрод - изделие, так как сформированный на торце электрода 5 (фиг.1) объем расплавленного металла, ранее сильно деформированный, приобретает правильную, симметричную относительно оси электрода форму и вытягивается в направлении сварочной ванны (изделие 2). Этому способствует и соответствующее перемещение металла сварочной ванны, вызываемое неуравновешенностью гидростатического давления. Последующее слияние расплавленного электродного металла со сварочной ванной происходит при нулевом значении тока (момент 3, фиг.2), что полностью исключает разбрызгивание металла в начальный момент формирования жидкой перемычки.After connecting the shunt circuit and extinguishing the arc, favorable conditions are created for the formation of a liquid metal jumper in the electrode-product circuit, since the volume of molten metal formed at the end of electrode 5 (Fig. 1), which is previously severely deformed, acquires a regular and symmetrical shape with respect to the axis of the electrode and extends towards the weld pool (item 2). This is facilitated by the corresponding movement of the weld pool metal, caused by the imbalance of hydrostatic pressure. Subsequent fusion of the molten electrode metal with the weld pool occurs at a zero current value (moment 3, FIG. 2), which completely eliminates metal spraying at the initial moment of formation of the liquid jumper.

В начальный период формирования жидкой металлической перемычки (период 3-4, фиг.2) электрическая проводимость цепи электрод - изделие изменяется от нуля до определенного максимального значения и, следовательно, снижается падение напряжения на ней (U_нкз<U_ш). При этом сварочный ток i_св в цепи электрод 5 - изделие 2 пропорционально увеличивается от нуля до текущего значения тока i_ип источника питания 1 (ИП), а ток i_ш в шунтирующей цепи (диоды 6.1…6.N и открытый транзистор 7) уменьшается до нуля (момент 4, фиг.2). Таким образом, в этот период времени ток i_ип источника питания распределяется по двум параллельным цепям нагрузки пропорционально их электрической проводимости.In the initial period of formation of the liquid metal jumper (period 3-4, Fig. 2), the electrical conductivity of the electrode-product circuit changes from zero to a certain maximum value and, therefore, the voltage drop across it decreases (U _nkz <U _w ). In this case, the welding current i _sv in the electrode 5 - product 2 circuit increases proportionally from zero to the current value of the current i _un power supply 1 (IP), and the current i _w in the shunt circuit (diodes 6.1 ... 6.N and open transistor 7) decreases to zero (moment 4, figure 2). Thus, during this time period current i _u power source is distributed to two parallel load circuits in proportion to their electrical conductivity.

По окончании процесса переключения тока (момент 4, фиг.2) и стабилизации проводимости жидкой металлической перемычки вся энергия источника питания 1 (ИП) направлена на устранение короткого замыкания в цепи электрод 5 - изделие 2. При этом ток i_ип источника питания, равный сварочному току i_св, протекает по цепи: клемма «плюс» источника питания 1 (ИП), обмотка дросселя 4 (секции 4.1 и 4.2), жидкая металлическая перемычка между электродом 5 и изделием 2, датчик тока 3 (ДТ), клемма «минус» источника питания 1 (ИП) (фиг.1). Так как ток (i_св=i_ип) в сварочной цепи продолжает непрерывно увеличиваться, в соответствии с динамическими свойствами источника питания незначительно повышается падение напряжения на жидкой металлической перемычке (период 4-5, фиг.2).At the end of the current shifting operation (point 4, 2) and stabilize the conductivity of the liquid metal bridge entire energy supply 1 (SP) directed towards the elimination of short circuit in an electrode circuit 5 - that the product 2. In this case, current i _u power supply equal to the welding current i _sv , flows through the circuit: plus terminal of power supply 1 (IP), inductor winding 4 (sections 4.1 and 4.2), liquid metal jumper between electrode 5 and product 2, current sensor 3 (DT), negative terminal power source 1 (PI) (figure 1). Since the current (i _sv = i _un ) in the welding circuit continues to increase continuously, in accordance with the dynamic properties of the power source, the voltage drop across the liquid metal jumper slightly increases (period 4-5, Fig. 2).

На завершающей стадии короткого замыкания (период 5-6, фиг.2) диаметр шейки жидкой металлической перемычки резко уменьшается и, следовательно, снижается ее электрическая проводимость, а скорость роста падения напряжения на ней увеличивается. При этом максимальная величина падения напряжения на жидкой металлической перемычке ограничена падением напряжения U_ш на элементах шунтирующей цепи (диоды 6.1…6.N и открытый транзистор 7) (фиг.1). Такие условия обеспечивают резкое уменьшение сварочного тока i_св в цепи электрод 5 - изделие 2 до минимального значения и, соответственно, резкое увеличение тока i_ш в шунтирующей цепи до величины, соизмеримой с током i_ип источника питания (момент 6, фиг.2). В этот период времени ток i_ип источника питания вновь распределяется по двум параллельным цепям нагрузки пропорционально их электрической проводимости.At the final stage of the short circuit (period 5-6, figure 2) the diameter of the neck of the liquid metal jumper decreases sharply and, therefore, its electrical conductivity decreases, and the growth rate of the voltage drop across it increases. In this case, the maximum voltage drop across the liquid metal jumper is limited by the voltage drop U _w on the elements of the shunt circuit (diodes 6.1 ... 6.N and open transistor 7) (Fig. 1). Such conditions provide a sharp decrease in the welding current i in the _{communication} circuit electrode 5 - product 2 to the minimum and, respectively, a sharp increase in current i _w in the shunt circuit to a value commensurate with the current i _u power source (point 6, Figure 2). During this time, the current i _u power source again distributed on two parallel load circuits in proportion to their electrical conductivity.

Затем по истечении короткого промежутка времени (период 6-7, фиг.2) процесс разрушения перемычки в цепи электрод - изделие становится необратимым, так как ее жидкий металл непрерывно втягивается в сварочную ванну силами поверхностного натяжения. Сварочный ток i_св в цепи электрод - изделие в этот период снижается до нулевого уровня к моменту разрушения жидкой металлической перемычки (момент 7, фиг.2), а ток i_ш в шунтирующей цепи повышается до уровня тока i_ип в цепи источника питания 1 (ИП). Такой характер изменения тока в цепи электрод - изделие на завершающей стадии существования перемычки полностью исключает разбрызгивание расплавленного металла. После ликвидации жидкой металлической перемычки между электродом 5 и изделием 2 ток i_ип источника питания 1 (ИП) протекает по цепи: клемма «плюс» источника питания 1 (ИП), обмотка дросселя 4 (секция 4.1), диоды 6.1…6.N, коллектор-эмиттер открытого транзистора 7, клемма «минус» источника питания 1 (ИП) (фиг.1).Then, after a short period of time (period 6-7, figure 2), the process of destruction of the jumper in the electrode-product circuit becomes irreversible, since its liquid metal is continuously drawn into the weld pool by surface tension. The welding current i _sv in the electrode-product circuit during this period decreases to zero at the moment of destruction of the liquid metal jumper (moment 7, figure 2), and the current i _w in the shunt circuit rises to the current level i _un in the power supply circuit 1 ( IP). This nature of the change in current in the electrode - product circuit at the final stage of the jumper's existence completely eliminates the splashing of molten metal. After elimination of liquid bridges between the metal electrode 5 and the workpiece 2, the current i _u power source 1 (SP) flows through the circuit: terminal "plus" power source 1 (SP), the choke coil 4 (section 4.1), diodes 6.1 ... 6.N, the collector-emitter of the open transistor 7, the terminal "minus" of the power source 1 (IP) (figure 1).

В момент, когда сварочный ток i_св в цепи электрод - изделие принимает нулевое значение (момент 7, фиг.2), датчик тока 3(ДТ) запускает линию задержки 10 (ЛЗ), которая по истечении заданного периода времени (период 7-8, фиг.2) подает сигнал на соответствующий вход блока управления 9 (БУ). Блок управления 9 (БУ) отключает сигнал с базы транзистора 7, что обеспечивает его выключение (момент 8, фиг.2). ТокAt the moment when the welding current i _sv in the electrode - product circuit takes a zero value (moment 7, figure 2), the current sensor 3 (DT) starts the delay line 10 (LZ), which after a specified period of time (period 7-8 , 2) sends a signal to the corresponding input of the control unit 9 (control unit). The control unit 9 (BU) disables the signal from the base of the transistor 7, which ensures its shutdown (moment 8, figure 2). Current

i_ш в цепи обмотки дросселя 4 (секция 4.1), равный максимальному с момента подключения шунтирующей цепи значению тока i_{ип max} источника питания 1 (ИП), прерывается, что способствует формированию ЭДС самоиндукции. При этом ЭДС каждой секции (4.1 и 4.2) обмотки дросселя 4 и напряжение источника питания 1 (ИП) суммируются и прикладываются к электроду 5 и изделию 2, что обеспечивает бесконтактное возбуждение электрической сварочной дуги между ними. С целью предупреждения электрического пробоя полупроводниковых переходов транзистора 7, прикладываемое к его коллектору и эмиттеру напряжение, равное сумме напряжения источника питания 1 (ИП) и ЭДС обмотки (секция 4.1) дросселя 4, ограничивают стабилитроном 8, напряжение стабилизации (U_ст) которого выбирают из условияi _w in the winding circuit of the inductor 4 (section 4.1), which is equal to the maximum value of the current i _{un max} power supply 1 (IP) from the moment of connecting the shunt circuit, is interrupted, which contributes to the formation of self-induction EMF. In this case, the EMF of each section (4.1 and 4.2) of the inductor winding 4 and the voltage of the power supply 1 (IP) are summed up and applied to the electrode 5 and product 2, which ensures non-contact excitation of the electric welding arc between them. In order to prevent electrical breakdown of the semiconductor junctions of the transistor 7, a voltage applied to its collector and emitter equal to the sum of the voltage of the power supply 1 (PI) and the EMF of the winding (section 4.1) of the inductor 4 is limited by a zener diode 8, the stabilization voltage (U _st ) of which is chosen from conditions

U₂₀<U_ст<U_{КЭ max},U ₂₀ <U _st <U _{KE max} ,

где U₂₀ - напряжение холостого хода источника питания 1;where U ₂₀ - open circuit voltage of the power source 1;

U_КЭ max - максимально допустимое напряжение коллектор - эмиттер транзистора 7.U _KE max - the maximum allowable voltage collector - emitter of the transistor 7.

Высокая скорость нарастания тока i_св сварочной дуги после ее возбуждения и относительно большая его амплитуда (i_св=i_{ип max}) обусловлены тем, что осуществляется переключение этого тока из шунтирующей цепи (i_{ип max}=i_ш) в цепь электрод - изделие при минимальной индуктивности дросселя 4, магнитопровод которого насыщен. В процессе последующего горения дуги ее ток i_св, равный току i_ип источника питания, уменьшается в соответствии с динамическими свойствами источника питания до величины, определяемой исходными параметрами режима сварки.The high slew rate of the current i _{sv of the} welding arc after its excitation and its relatively large amplitude (i _sv = i _{un max} ) are due to the fact that this current is switched from the shunt circuit (i _{un max} = i _w ) to the electrode - product circuit with a minimum the inductance of the inductor 4, the magnetic circuit of which is saturated. In the process of subsequent burning of the arc, its current i _sv , equal to the current i _un power source, decreases in accordance with the dynamic properties of the power source to a value determined by the initial parameters of the welding mode.

Затем все процессы повторяются вновь, а их периодичность будет зависеть от особенностей конкретного способа сварки плавящимся электродом.Then all processes are repeated again, and their periodicity will depend on the characteristics of a particular method of welding with a consumable electrode.

Пример осуществления способа дуговой сварки с управляемым переносом электродного металла посредством предлагаемого устройстваAn example of the method of arc welding with controlled transfer of electrode metal by the proposed device

Выполняли ручную дуговую сварку двух пластин (250×100×3) мм встык из стали Ст.3 на постоянном токе обратной полярности покрытым электродом УОНИИ-13/55 диаметром 2,5 мм. В качестве источника питания использовали сварочный выпрямитель ВД-306. Сварку осуществляли при минимальной длине дуги и действующем значении сварочного тока 70...75 А. На фиг.3 приведен фрагмент осциллограмм тока (i_св) в сварочной цепи и напряжения (U_ЭД) между электродом и изделием (µ_i=37,5 А/дел; µ_v=17,5 В/дел; µ_t=3,11 мс/дел).We performed manual arc welding of two plates (250 × 100 × 3) mm butt from steel St.3 at a direct current of reverse polarity with a coated UONII-13/55 electrode with a diameter of 2.5 mm. A welding rectifier VD-306 was used as a power source. Welding is performed at the minimum arc length and current value of the welding current 70 ... 75 A. Figure 3 shows the waveforms of the current fragment (i _St) and to the welding circuit voltage (U _ED) between the electrode and the workpiece (μ _i = 37,5 A / div; μ _v = 17.5 V / div; μ _t = 3.11 ms / div).

Анализ осциллограмм показывает, что в процессе горения дуги и, соответственно, плавления торца металлического стержня электрода ее напряжение уменьшается. При достижении напряжения порогового уровня 12,5 В подключается шунтирующая цепь, содержащая транзистор и три диода (N=3). В этот момент дуга гаснет, о чем свидетельствуют отключение сварочного тока и снижение прикладываемого к цепи электрод - изделие напряжения до 4,5 В. По истечении 0,37 мс происходит слияние расплавленного электродного металла со сварочной ванной при нулевом токе, после чего в течение 0,39 мс сварочный ток нарастает пропорционально увеличивающейся проводимости жидкой металлической перемычки, а падение напряжения на ней снижается до 1,5…1,7 В. Затем в течение 12,7 мс сварочный ток продолжает увеличиваться и нарастает до 90…110 А, а напряжение на жидкой металлической перемычке плавно растет до 1,8…1,9 В. По истечении этого времени напряжение на жидкой металлической перемычке резко увеличивается за 0,9 мс до уровня падения напряжения на элементах шунтирующей цепи, равного 4,5 В. При этом сварочный ток резко уменьшается пропорционально снижающейся проводимости жидкой металлической перемычки и переключается в шунтирующую цепь, что создает условия для ликвидации перемычки при нулевом токе. По истечении 0,55 мс после разрушения перемычки шунтирующая цепь отключается и возбуждается дуга бесконтактным способом при максимальном сварочном токе, равном 90…110 А, который затем снижается до заданного действующего значения 70…75 А.An analysis of the waveforms shows that during the burning of the arc and, accordingly, the melting of the end of the metal rod of the electrode, its voltage decreases. When the threshold voltage of 12.5 V is reached, a shunt circuit is connected containing a transistor and three diodes (N = 3). At this moment, the arc goes out, as indicated by the disconnection of the welding current and a decrease in the electrode applied to the circuit - the voltage product is up to 4.5 V. After 0.37 ms, the molten electrode metal merges with the weld pool at zero current, and then within 0 , 39 ms, the welding current increases in proportion to the increasing conductivity of the liquid metal jumper, and the voltage drop on it decreases to 1.5 ... 1.7 V. Then within 12.7 ms the welding current continues to increase and increases to 90 ... 110 A, and the voltage on liquid the first metal jumper rises smoothly to 1.8 ... 1.9 V. After this time, the voltage on the liquid metal jumper sharply increases for 0.9 ms to the voltage drop on the elements of the shunt circuit, equal to 4.5 V. In this case, the welding current sharply decreases in proportion to the decreasing conductivity of the liquid metal jumper and switches to the shunt circuit, which creates the conditions for eliminating the jumper at zero current. After 0.55 ms after the jumper is destroyed, the bypass circuit is disconnected and the arc is excited in a non-contact manner at a maximum welding current of 90 ... 110 A, which then decreases to a predetermined effective value of 70 ... 75 A.

Таким образом, предложенные способ дуговой сварки с управляемым переносом электродного металла и устройство для его осуществления обеспечивают управляемый перенос расплавленного электродного металла при ручной и механизированной сварке с использованием традиционных источников питания общепромышленного назначения. При этом перенос расплавленного электродного металла в период короткого замыкания осуществляется без разбрызгивания, а после его завершения и возбуждения дуги повышается эффективность нагрева свариваемого металла. Это обусловлено специальным алгоритмом распределения тока в сварочной и шунтирующей цепях, который обеспечивается устройством с относительно простым схемным решением.Thus, the proposed method of arc welding with controlled transfer of electrode metal and a device for its implementation provide controlled transfer of molten electrode metal during manual and mechanized welding using traditional power supplies for general industrial use. In this case, the transfer of molten electrode metal during a short circuit is carried out without spraying, and after its completion and arc excitation, the heating efficiency of the metal being welded is increased. This is due to a special algorithm for the distribution of current in the welding and shunt circuits, which is provided by a device with a relatively simple circuit solution.

Claims

1. A method of arc welding with controlled transfer of electrode metal, which includes reducing the welding current in the initial period of a short circuit, then increasing and decreasing it in the final period of a short circuit, and after arc generation, increasing the welding current to a peak level and then gradually decreasing it to a basic level , characterized in that before a short circuit, the welding current is shunted and first it is reduced to a zero level, then during the short circuit the welding is changed of the actual current is proportional to the electrical conductivity of the liquid metal jumper and at the final moment of the short circuit, the welding current is again reduced to zero, and after the end of the short circuit, shunting is excluded and the arc is excited at a peak level of the welding current.

2. Device for arc welding with controlled transfer of electrode metal, containing a DC power source, transistor, inductor, current sensor, control unit and electrode, characterized in that it is additionally equipped in series and according to N-diodes, a zener diode and a delay line, the inductor is made with a saturable magnetic circuit and a sectioned winding, the extreme terminals of which are connected, respectively, to the plus terminal of the power source and to the electrode, and the tap from it is connected to the anode of the first diode, the cathode of the N-diode is connected to the zener diode cathode and to the collector of the transistor, the emitter of which is connected to the zener diode anode and the minus terminal of the power source, a current sensor is connected between the minus terminal of the power source and the item to be welded and connected via a delay line to one from the inputs of the control unit, the other input of which is connected to the electrode, and the output of the control unit is connected to the base of the transistor.

3. The device according to claim 2, characterized in that the number (N) of diodes of the shunt circuit is selected by the formula
N = (U -U _KEnac _w) / U _pr
where U _W - the total voltage drop on the elements of the shunt circuit;
U _Kenas - saturation voltage collector - emitter of an open transistor;
U _CR - forward voltage of one diode.