Cварочные свойства оборудования, выпускаемого заводом «УРАЛТЕРМОСВАР»
Доклад кандидата технических наук, доцента кафедры «Технология сварочного производства» Уральского государственного технического университета Милютина В.С. на конференции "Модернизация оборудования и технологий как условие обеспечения конкурентоспособности и безопасности производства" 3-4 декабря 2003, г. Екатеринбург.

Часть 1. УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СВАРОЧНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
На предприятии ведется непрерывная работа по расширению технических возможностей выпускаемых генераторов и агрегатов и улучшению их сварочных свойств. Агрегат марки АДД-4004М - это базовая модель с объемом выпуска около 2000 шт. в год. На его основе получена модель АДД-4004МВ путем встраивания вспомогательного генератора на 220 В, 50 Гц, 4 кВт для питания электроинструмента и освещения. Источником сварочного тока в этих агрегатах является индукторный вентильный генератор ГД-4006, принципиальные отличия которого от традиционных схем заключаются в следующем. Подпитка от аккумуляторной батареи двигателя полностью сняла проблемы возбуждения генератора при пуске. Плавная настройка сварочного тока выполняется компактным дистанционным регулятором, воздействующим на тиристорное устройство в цепи обратной связи по току, в которую вместо однофазного введен трехфазный трансформатор тока, благодаря чему снизились пульсации сварочного тока.
По результатам испытаний генератора марки ГД-4006 получены следующие характеристики сварочных свойств: предельная начальная длина дуги при зажигании 9 - 20мм, разрывная длина дуги 13 - 26мм, устойчивость процесса - абсолютная при токах выше 90А (ни одного обрыва дуги), относительные отклонения тока ± 2-6%, перенос электродного металла при сварке электродами УОНИ 13/55 - регулярный с частотой 1-5,6 Гц и длительностью коротких замыканий каплями не более 11мс. В то же время был отмечен недостаточный уровень устойчивости процесса при предельно низких режимах. В связи с этим были внесены изменения в конструкцию магнитной системы и параметры цепи возбуждения генератора, положительно повлиявшие на форму статических внешних характеристик, что привело к повышению устойчивости процесса при токах 60 - 100А. Для повышения качества двухпостовых сварочных генераторов ГД-2х2501 внедрены следующие мероприятия:
заменен силовой выпрямительный блок на более мощный -720 А вместо 500 А, от другого поставщика, более надежной конструкции; внедрено питание обмотки возбуждения, дублированное от двух независимых обмоток; для повышения надежности начального возбуждения генератора введена кнопка подачи напряжения от бортовой сети агрегата 12 В на обмотку возбуждения; уменьшено число переключателей ступеней регулирования.
На базе двухпостового агрегата АДД-2х2501, в ЗАО «УРАЛТЕРМОСВАР» был разработан агрегат АДПР-2х2501В с функцией воздушно-плазменной резки (ВПР) металлов. В режиме резки для получения высокого напряжения , необходимого для ВПР, два сварочных поста вентильного генератора переключаются последовательно, (напряжение холостого хода ограничивается до безопасного значения). В агрегат встроена компрессорная установка с блоком подготовки воздуха и предохранителем от замерзания. Подключается плазменный резак с воздушным охлаждением РПВ-101 производства УНПП «Лазер» (г. Екатеринбург). Для питания компрессора, электроинструмента и освещения в агрегате установлен 3х-фазный вспомогательный генератор 220/380 В, 50 Гц, 6 кВт. При установке переключателя на панели генератора в положение «Сварка» генератор работает как обычный 2х-постовой генератор.
Технические характеристики генератора ГДПР-2х2501:
В режиме резки
ток дуги - 80 А
напряжение дуги - 100 В
напряжение холостого хода - 260 В
напряжение холостого хода в режиме ограничения - 50 В
давление воздуха - 0,6 МПа
расход воздуха - 250 л/мин
скорость резки стали толщиной 16 мм - 50 см/мин
максимальная толщина разрезаемого металла - 25 мм
длина кабель-шланга к резаку - 20 м
В режиме сварки:
количество постов - 2
номинальный ток одного поста - 250 А
номинальное рабочее напряжение - 30 В
пределы регулирования тока одного поста - 25-250 А
напряжение холостого хода - 70-90 В
номинальный ток при параллельном соединении постов - 400 А
Габаритные размеры агрегата АДПР-2х2501В на раме - 2420х1000х1300 мм
Масса агрегата ( без шасси ) - 1200 кг
Вслед за спросом на заводе «УРАЛТЕРМОСВАР» растет производство малогабаритных сварочных агрегатов марки АДД-2003. Разработано и поставлено на производство исполнение АДД-2003В этого агрегата со вспомогательным генератором на 220 В, 50 Гц, 4 кВт для питания электроинструмента и освещения. В конструкцию генератора ГД-2501, входящего в состав агрегата АДД-2003, после испытания на сварочные свойства в лаборатории сварки УГТУ-УПИ также внесены изменения. Для получения диапазона малых токов использована схема открытого треугольника, что снизило пульсацию сварочного тока и расширило интервал устойчивого горения дуги до 30 -35А. В планах предприятия - разработка сварочных генераторов на токи 150-250А минимальной массы для создания агрегатов еще меньшего габарита, чем АДД-2003, что, однако , сдерживается отсутствием приводного двигателя , аналогичного импортным по мощности на единицу массы и приемлемого по цене для российского рынка.
Ведутся также работы по созданию генераторов с новыми типами магнитной системы с улучшенной динамикой переходных процессов с конечной целью повышения сварочных свойств автономных источников. В частности, испытываются индукторные генераторы радиального потока (разноименно - полюсные), не имеющие массивной станины, втулки ротора и других массивных участков магнитопровода, где во время переходных процессов возникают вихревые токи. При этом упрощается конструкция генератора, снижается масса и трудоемкость изготовления.
Чтобы устранить главный на сегодняшний день недостаток генератора – инерционность переходных процессов и отсутствие универсальных внешних характеристик, заводом «УРАЛТЕМОСВАР» создан и представлен на исследование сварочных свойств генератор ГДУ-4001 с тиристорным выпрямительным блоком. Тиристорный блок управляется микроконтроллером, в котором запрограммированы падающая (с регулировкой крутизны), жесткая, штыковая и комбинированная внешние характеристики, а также импульсные режимы сварки. Управляемость сварочным процессом в ГДУ-4001 находится на уровне источников типа ВДУ-506МТ. Обеспечивается питание не только ручной дуговой сварки электродами с различным типом покрытия и в различных пространственных положениях, но и полуавтоматической и аргонодуговой сварки. Применяемые в регуляторе силовые тиристоры известны своей надежностью и невысокой стоимостью.
Ввиду значительно меньшей стоимости сварочных агрегатов, выполненных по прямой схеме «дизель-источник », по сравнению с энергетически затратной схемой «дизель-электростанция-источник», такой полностью управляемый генератор в ближайшее время составит более серьезную конкуренцию выпрямителям в условиях автономного применения.
Блок-схема агрегата воздушо-плазменной резки АДПР-2х2501В.
Часть 2. Разработка универсального тиристорного выпрямителя с улучшенными сварочными свойствами
Универсальные выпрямители, собранные из надежных силовых элементов – низкочастотных тиристоров, на токах более 200-300А могут успешно конкурировать с высокотехнологичными, но гораздо менее надежными инверторными источниками. Имеются примеры удачной отработки конструкций и систем управления на сварочные свойства – это выпрямители марок ВДУ-505-2 (Электрик), КИУ-501 (КЗЭСО), ВД-506ДК (СЭЛМА). В ЗАО «УРАЛТЕРМОСВАР» разработан и имеет хороший спрос универсальный тиристорный выпрямитель марки ВДУ-506М. В отличие от традиционных конструкций он имеет симметричную трехфазную мостовую схему выпрямления и высоковольтную подпитку. Система управления, разработанная в ЗАО "АЛВО-Сварка", обеспечивает искусственные вольтамперные характеристики для трех способов сварки. При ручной сварке покрытым электродом (рис.1). участок 1 образован высоковольтной подпиткой, участок 2 представляет собой естественную характеристику при полнофазном включении тиристоров, на основном рабочем участке 3 сформированы падающие характеристики с наклоном 0,25-0,3 В/А. При полуавтоматической сварке (рис.2). жесткая характеристика на основном участке имеет наклон 0,04 В/А. При аргонодуговой сварке (рис.3) используются крутопадающие характеристики с наклоном 0,35-0,8 В/А. В лаборатории сварки УГТУ-УПИ выполнены испытания сварочных свойств выпрямителя, в результате чего и предложена высоковольтная подпитка, подобраны параметры дросселя, оптимально отвечающего требования перечисленных способов сварки, скорректированы параметры системы управления. Показатели сварочных свойств выпрямителя, полученных по объективной методике оценки, разработанной в УГТУ-УПИ приведены в табл. 1-3..
При ручной сварке покрытыми электродами марки УОНИ-13/55 диаметром 3-5 мм выпрямитель обеспечивает:
высокую надежность зажигания, позволяющую отводить электрод при возбуждении дуги до расстояния в 2-4 его диаметра;
высокую эластичность дуги, позволяющую удлинить ее до расстояния 2,5-5 диаметров электрода;
высокую устойчивость горения дуги практически без обрывов, как в нижнем положении, так и в вертикальном при снижении тока на 10-15%;
высокую стабильность режима с отклонениями тока, длящимися более 3с (которые могут привести к изменению глубины провара), величиной не более ±7%;
регулярный перенос электродного металла с короткими замыканиями, обеспечивающий незначительное разбрызгивание и отсутствие прилипаний;
возможность сварки на низких режимах со снижением тока почти в 2 раза в сравнении со средним, рекомендуемым для данного диаметра электрода.
При полуавтоматической сварке в углекислом газе проволоками диаметром от 0,8 до 1,6 мм выпрямитель обеспечивает:
- высокую надежность установления процесса при возбуждении дуги с количеством обрывов дуги не более 3;
высокую устойчивость процесса без обрывов дуги в процессе сварки даже длинных швов;
высокую стабильность режима с отклонениями тока не более ±7%;
регулярный и качественный перенос электродного металла с разбрызгиванием не более 11%;
качественное формирование сварного шва с плавными очертаниями наплавленного валика.
При аргонодуговой сварке вольфрамовым электродом диаметром 1 – 6 мм выпрямитель обеспечивает:
высокую надежность зажигания и эластичность дуги, позволяющие растянуть дугу более чем до 30 мм; мвысокую устойчивость процесса без обрывов дуги при сварке даже длинных швов;
высокую стабильность режима с отклонениями тока не более ±7%.
В табл.4 и 5. приведены также результаты сравнительных испытаний двух выпрямителей - ВДУ - 506М (Уралтермосвар) и ВД - 506ДК (СЭЛМА), выполненных по методике ГОСТ 25616-83 при ручной и полуавтоматической сварке. Как видно, оба выпрямителя демонстрируют высокие и приблизительно одинаковые сварочные свойства.
Дальнейшее усовершенствование системы управления универсального выпрямителя было направлено на его приспособление для целей сварки труб, в том числе в условиях монтажа магистральных трубопроводов с максимальным удовлетворением требований ВНИИСТ к источникам питания. Этим целям в наибольшей степени удовлетворяет PIC микроконтроллер, обладающий свойствами ПИД - регулятора с быстродействием не хуже 1 мс. Были разработаны и испытываются две модификации универсального тиристорного выпрямителя с микропроцессорным управлением - марок ВДУ-306МТ и ВДУ–506МТ.
При ручной сварке покрытым электродом модификация ВДУ-506МТ обладает следующими свойствами:
имеет искусственную комбинированную внешнюю статическую вольтамперную характеристику составленную из четырех участков (кроме трех, приведенных на рис.1, введен также участок 4 форсирования тока, показанный пунктиром); высоковольтная подпитка (90В, 20А) на 1 участке обеспечивает хорошее сглаживание выпрямленного тока;
плавное, в том числе дистанционное, регулирование режима смещением 3 участка обеспечивает широкий диапазон настройки тока от 20 до 500А;
плавная настройка наклона 3 участка в интервале 0,4 - 2В/А обеспечивает как высокую стабильность тока, так и возможность его изменения в процессе сварки, например для управления плавлением при выполнении вертикального шва;
управляемое форсирование тока при переносе электродного металла (участок 4, показанный пунктиром на рис.1) позволяет формировать осциллограммы, оптимальные по величине и длительности тока короткого замыкания, обеспечивающие, с одной стороны, малое разбрызгивание, а с другой - энергичный перенос капли без прилипания электрода к ванне, например при сварке вертикального шва;
начальное ограничение напряжения холостого хода безопасной величиной 12В нимается после начала зажигания и восстанавливается через 0,9 с после окончания сварки; горячий пуск, то есть увеличение начального тока до 1,5 раз в течение 0,1 - 2с, обеспечивает практически безупречное зажигание, а также высокое качество начального участка шва;
защита от прилипания электрода ограничением длительности тока короткого замыкания облегчает отрыв прилипшего электрода;
для облегчения настройки вышеперечисленных параметров сварщиком имеется возможность синергетического управления, при котором рациональные сочетания параметров “зашиты” в память микроконтроллера. Настройка заключается в указании типа покрытия электрода (рутиловый, основной, целлюлозный), пространственного положения шва (нижнее положение, вертикальное на подъем, вертикальное на спуск) и контроле выбранных параметров на двух цифровых индикаторах.
При аргонодуговой сварке вольфрамовым электродом всех металлов, кроме алюминия, источником обеспечиваются следующие свойства:
внешняя характеристика скомбинирована из трех участков - с высоковольтной подпиткой и вертикальным основным участком;
плавная, в том числе дистанционная, настройка дает диапазон токов от 20 до 500А; циклограмма процесса сварки с плавной регулировкой всех интервалов – подача газа до сварки, мягкий пуск с плавным нарастанием тока, сварка при заранее установленном токе, плавное снижение тока для заварки кратера, защита шва газом после сварки; мягкий пуск, то есть зажигание дуги коротким замыканием при понижении тока до 20А без повреждения электрода и оплавления детали, позволяет отказаться от осциллятора; двухтактный цикл пользования кнопкой на горелке применяется при сварке коротких швов, четырехтактный - длинных швов;
предварительная настройка двух режимов с быстрым переходом от одного к другому при толчковом нажатии кнопки на горелке;
сварка пульсирующей дугой с независимой настройкой тока и времени в интервалах импульса и паузы;
для подключения аргоновой горелки предусмотрено комплектование источника блоком с газовым клапаном, потенциометром для дистанционной настройки тока и штуцерами для подачи газа и охлаждающей воды.

При полуавтоматической сварке источником обеспечиваются следующие свойства:
внешняя характеристика состоит из двух участков - с высоковольтной подпиткой и регулировкой наклона жесткого (основного) участка от 0,04 до 0,08 В/А; плавная, в том числе дистанционная настройка сварочного напряжения от 15 до 40В; горячий старт за счет начального полнофазного включения тиристоров обеспечивает быстрое установление дугового процесса;
автоматическая подстройка индуктивности дросселя и настройка динамики ПИД-регулятора позволяют оптимизировать параметры осциллограммы тока при коротком замыкании каплей с целью снижения разбрызгивания при достаточно энергичном переносе электродного металла; возможность подключения надежных полуавтоматов, в том числе марки ПДГО 510Т, специально предназначенного для эксплуатации в тяжелых трассовых условиях при сварке трубопроводов самозащитной порошковой проволокой.
При любом способе сварки предусмотрено хранение и воспроизведение заранее установленных режимов, в том числе подобранных сварщиком. Предусмотрена стабилизация параметров при любых возмущающих воздействиях, в том числе и колебаниях напряжения питающей сети в интервале + 10 … - 15%.
Этим выпрямителям присущи и традиционные конструктивные особенности любой аппаратуры ЗАО «УРАЛТЕРМОСВАР»:
защита от механических повреждений прочным каркасным корпусом; первичные и вторичные катушки силового трансформатора разнесены по высоте и хорошо изолированы, что повышает эксплуатационную надежность и электрическую безопасность;
имеется автоматическая защита от нарушения вентиляции, значительной перегрузки и превышения температуры тиристоров;
охлаждение тиристоров и трансформаторов производится мощным вентилятором, что гарантирует нормальный тепловой режим при максимальных паспортных нагрузках выпрямителя; для подключения сварочных проводов имеются удобные стандартные токовые разъемы.
Таблица 1 – Сварочные свойства выпрямителя ВДУ-506М при ручной сварке покрытыми электродами (падающие характеристики, подпитка 93 В, 47 А, индуктивность 0,2 мГн)
Диаметр электрода, мм 2 3 4 5 6
Марка электрода ОЗС-12 УОНИ-13/55 ОЗС-4
Режим сварки 60А, 22В 100А, 24В 150А, 26В 200А, 28В 270А, 31В
ЗАЖИГАНИЕ ДУГИ
Предельная начальная длина дуги, мм 18 12 9 15 24
ЭЛАСТИЧНОСТЬ ДУГИ
Разрывная длина дуги, мм 26 14 10 17 32
УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОЦЕССА
Количество обрывов при расплавлении одного электрода в нижнем (вертикальном) положении 0(0) 0(1) 0(0) 0(-) 0(-)
СТАБИЛЬНОСТЬ РЕЖИМА
Относительные отклонения тока в нижнем (вертикальном) положении, % 7(5) 7(7) 5(7) 4(-) 3(-)
ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОДНОГО МЕТАЛЛА
Частота переноса капель с короткими замыканиями, Гц 18.4 8.0 5.2 2.8 -
Длительность коротких замыканий каплями, мс 3.0 4.9 5.5 15.4 -
ВОЗМОЖНОСТЬ СВАРКИ НА НИЗКИХ РЕЖИМАХ
Минимальный ток устойчивого горения дуги, А 40 55 80 135 85
Таблица 2 – Сварочные свойства выпрямителя ВДУ-506М при полуавтоматической сварке в углекислом газе (жесткие характеристики, подпитка 93В, 47А, индуктивность 0,2 – 0,7мГн)
Диаметр проволоки, мм 0.8 1.2 1.6 1.6
Режим сварки 300м/ч, 100А, 21В 328м/ч, 200А, 26В 339м/ч, 285А, 28В 500м/ч, 385А, 35В
УСТАНОВЛЕНИЕ ПРОЦЕССА
Количество обрывов при зажигании 0.6 2.0 2.6 0.6
ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОДНОГО МЕТАЛЛА
Частота переноса капель с короткими замыканиями, Гц 105 23 27 6
Длительность коротких замыканий каплями, мс 3.5 4.5 7.2 3.5
Коэффициент разбрызгивания электродного металла, % 4.0 6.8 10.7 2.9
СТАБИЛЬНОСТЬ РЕЖИМА
Относительные отклонения тока, % 7 2 4 2
ФОРМИРОВАНИЕ ШВА (скорость 25м/ч)
Отношение высоты усиления к ширине валика 0.39 0.32 0.28 0.31
Таблица 3 – Сварочные свойства выпрямителя ВДУ-506М при аргоно-дуговой сварке (мягкий пуск, ток подпитки 30 А)
Диаметр электрода, мм 1 1.6 2 3 4 6
Режим сварки 70А, 10В 100А, 11В 130А, 11В 200А, 13В 280А, 15В 350А, 16В
ЗАЖИГАНИЕ ДУГИ
Предельная начальная длина дуги, мм >35 >35 >35 >35 >35 30
ЭЛАСТИЧНОСТЬ ДУГИ
Разрывная длина дуги, мм 42 44 45 44 39 35
УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОЦЕССА
Количество обрывов за 1 мин горения дуги 0 0 0 0 0 0
СТАБИЛЬНОСТЬ РЕЖИМА
Относительные отклонения тока, % 7 - 4 3 3 3
Таблица 4 – Сравнительные испытания по ГОСТ 25616-83 сварочных свойств выпрямителей ВДУ-506М и ВД-506ДК (ручная сварка покрытым электродом)
ВДУ-506М ВД-506ДК
Пространственное положение Вертикальное Нижнее Вертикальное Нижнее
Диаметр электрода, мм 2 3 4 2 3 4 5 6 2 3 4 2 3 4 5 6
Ток, А 55 90 125 60 100 150 200 270 55 90 125 60 100 150 200 270
Начальное зажигание дуги 4.5 4 4 4 4 3 4 4.5 5 4.5 3.5 4.5 5 4 3.5 4.5
Эластичность дуги - - - 5 5 5 5 5 - - - 5 5 5 5 5
Стабильность процесса сварки 4 4.5 4.5 4 4.5 4.5 4 4 4.5 4 4 4.5 4 3.5 4 4
Качество формирования шва 4 5 4 4 5 5 5 5 3.5 4.5 4.5 4 5 5 5 5
Разбрызгивание металла - - - 3 5 4 4 3.5 - - - 4 3.5 3.5 4 3.5
Средний балл по всем режимам 12.8 21.8 12.7 21.8
Таблица 5 – Сравнительные испытания по ГОСТ 25616-83 сварочных свойств выпрямителей ВДУ-506М и ВД-506ДК (полуавтоматическая сварка в углекислом газе)
ВДУ-506М ВД-506ДК
Пространственное положение Вертикальное Нижнее Нижнее
Диаметр проволоки, мм 0.8 0.8 1.2 1.6 1.6 1.2 1.6
Ток, А 100 100 200 285 385 200 285
Надежность установления процесса сварки (число обрывов или коротких замыканий) - 0.7 2.9 2.4 1.4 2.4 0.8
Потери металла (коэффициент потерь на угар и разбрызгивание, %) - 4.0 6.2 9.4 3.3 8.9 14.9
Качество формирования шва (отношение высоты валика к ширине) Валик неровный 3 балла (0,52) Валик гладкий или мелкочешуйчатый, без пор, подрезов и прожогов 3 – 4 балла Валик гладкий или мелкочешуйчатый, без пор, подрезов и прожогов 3 – 4 балла (0.39) (0.32) (0.28) (0.31) (0.37) (0.30)
Таблица 6 - Сварочные свойства агрегата АДД-4004М (Уралтермосвар)
иаметр электрода, мм 2 3 4 6 6
Марка электрода ОЗС-12 УОНИ-13/55 ОЗС-4
ЗАЖИГАНИЕ ДУГИ
Предельная начальная длина дуги, мм 20 9 9 13 18
ЭЛАСТИЧНОСТЬ ДУГИ
Разрывная длина дуги, мм 26 13 18 21 27
УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОЦЕССА
Количество обрывов при расплавлении одного электрода 0 0 0 0 0
СТАБИЛЬНОСТЬ РЕЖИМА
Относительные отклонения тока, % 5 2 3 2 2
ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОДНОГО МЕТАЛЛА
Частота коротких замыканий каплями, Гц - 5.6 4.7 3.1 1.0
Длительность коротких замыканий каплями, мс - 8.0 8.7 11.3 2.8
ВОЗМОЖНОСТЬ СВАРКИ НА НИЗКИХ РЕЖИМАХ
Минимальный ток горения дуги, А - 48 48 80 60 Источник: Allexpo.ru