Разработка источника сварочного тока, обеспечивающего повышение производительности контактной шовной сварки деталей малых толщин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.06, кандидат технических наук Милованов, Александр Владимирович

• Милованов, Александр Владимирович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Милованов, Александр Владимирович

Введение.

ГЛАВА 1. Проблема повышения производительности 7 и качества сварки деталей малой и резко различных толщин.

1.1 Объект исследования. Назначение, 7 конструкция, условия эксплуатации, материалы.

1.2 Существующие технологии контактной сварки.

1.3 Особенности формирования сварных соединений 2 3 деталей малых толщин.

1.5 Выводы главы 1.

ГЛАВА 2. Разработка силовой части 31 инсточнкасварочного тока.

2.1 Основные предпосылки.

2.2 Выбор схемы построения источника.

2.3 Выбор рабочей частоты инвертора.

2.4 Анализ процесса нарастания тока в момент 3 8 начала сварки.

2.5 Расчёт и конструирование сварочного 42 трансформатора.

2.6 Силовой инвертор.

2.7 Конструкция силового инвертора.

2.8 Выводы главы 2.

ГЛАВА 3. Разработка ситемы управления 7 0 источником сварочного тока.

3.1 Общие положения.

3.2 Способы регулирования тока.

3.3 Разработка алгоритма управления источником 81 сварочного тока.

3.4 Разработка принципиальных схем системы 8 8 управления.

3.4.1. Распределитель импульсов.

3.4.2. Задатчик сварочного тока.

3.4.3. Датчик тока.

3.5 Разработка алгоритма управления сваркой шва

3.5.1. Анализ возмущающих воздействий на 100 формирование шва.

3.5.2. Особенности формирования швов при 101 контактной сварке.

ГЛАВА 4. Испытания и внедрение разработанного 106 источника.

-4Стр.

4.1. Электрические испытания.

4.2. Технологические испытания источника.

4.3. Сварка на повышенных скоростях.

4.4. Производственные испытания и внедрение. 111 Выводы по работе. 116 Список литературы. 119 Приложение 1. Схема блока интегратора.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка источника сварочного тока, обеспечивающего повышение производительности контактной шовной сварки деталей малых толщин»

В настоящее время на производстве остро встала проблема, связанная с недостаточной производительностью процесса контактной шовной сварки ответственных деталей малых и резко различных толщин (толщина тонкой детали от 0,02 до 0,3 мм). Наиболее остро эта ситуация наблюдается при производстве датчиков давления, поскольку повсеместное внедрение систем автоматики в различных отраслях промышленности потребовало значительного увеличения программы выпуска таких изделий.

В работе проанализированы существующие источники сварочного тока, соответствие их технологических возможностей процессу сварки и существующим требованиям, на основе чего были сформулированы требования для проектирования нового источника сварочного тока. На основе этих требований и анализа современных представлений о конструировании преобразователей электрической энергии был разработан инверторный источника тока для контактной шовной сварки, который позволяет получать короткие импульсы сварочного тока заданной формы и длительности.

В первой главе производится анализ изделия, возможных методов сварки. Произведён анализ применяемых на производстве источников сварочного тока с позиции повышения производительности процесса при сохранении качества швов.

Во второй главе рассматривается процесс проектирования силовой части инверторного источника сварочного тока — силовои инвертор, сварочный трансформатор, выпрямитель.

Третья глава посвящена разработке системы управления инвертором. Рассмотрены различные алгоритмы управления с позиции их возможного применения в источнике тока для контактной сварки. Определены методы компенсации действия возмущений, связанных с процессом сварки, таких как изменения шунтирующей части тока при сварке начала шва, высокое кантактное сопротивление в начальный момент прохождения импульса тока.

В четвёртой главе рассматриваются электрические и технологические испытания источника, внедрение его на производстве.

Заключение диссертации по теме «Технология и машины сварочного производства», Милованов, Александр Владимирович

Выводы по работе

1) Конденсаторные источники сварочного тока имеют ограниченные возможности по обеспечению стабильного качества швов в условиях повышения скорости сварки, что связано с необходимостью затрачивать определённое время (не менее 5 периодов промышленной частоты) на стабилизацию зарядного напряжения. Поэтому представляется целесообразным замена конденсаторных источников на более современные с промежуточным звеном повышенной частоты (инверторные).

2) На основе анализа литературных данных и экспериментальных исследований процесса контактной шовной сварки нержавеющих сталей с толшиной более тонкой детали до 0,3 мм сформулированы требования к форме импульса сварочного тока, обеспечивающего получение прочно-плотного шва, заключающиеся в наличии участка постепенного нарастания тока (модуляции) для предотвращения локальных перегревов и начальных выплесков в контактах межэлектродной области, а также второго участка — постоянного тока с минимальными пульсациями для получения литого ядра определённых размеров.

3) Исследование формирования шва показало, что устранить вредное влияние шунтирования тока через ранее сваренный участок шва и связанное с этим появление дефектов в виде непроваров и выплесков возможно путём программного увеличения тока в начале шва.

4) В результате экспериментальных и теоретических исследований установлено, что одним из основных факторов, определяющих возможности источника по обеспечению высокой стабильности (повторяемости) формы импульса тока при действии возмущающих факторов является величина напряжения холостого хода сварочного трансформатора, которое должно в 2.3 раза превышать расчётное значение U20 необходимое для процесса сварки конкретных деталей определённой толщины.

5) Показано, что применение вторичной модуляции позволяет повысить в 3.4 раза рабочую частоту тока в сварочной цепи относительно несущей частоты инвертора в 1000Гц. Такое управление током осуществляется в каждом полупериоде тока несущей частоты, что обеспечивает высокоскоростное регулирование параметров сварочного тока и малую глубину его пульсаций.

6) Экспериментально установлено, что несмотря на повышение частоты сварочного тока до 3-4 кГц за счёт применения вторичной модуляции, возможно использовать в составе иснверторного источника трансформаторов типовой конструкции, поскольку несущая частота первичного тока составляет 1 кГц. Такой подход позволяет использовать элементы уже существующего на производстве оборудования и относительно недорогую электротехническую сталь, что существенно снизит затраты на создание новой техники.

7) В результате проведённых исследований создан и внедрён в промышленную эксплуатацию источник сварочного тока для шовной сварки деталей малых толщин со следующими техническими характеристиками:

Диапазон токов сварки: от 500 до 5000 А. Время импульса тока: от 2 до 4 0 мс. Время паузы: от 1 до 100 0 мс.

Дискретность отсчёта времени: 1 мс. 8) Эксплуатация разработанного источника на заводе ЗАО ПГ «Метран» г. Челябинск при сварке мембранных блоков датчиков давления позволила повысить скорость сварки в 2 раза по сравнению с конденсаторной при сохранении таких параметров качества, как герметичность, прочность и внешний вид готовых блоков.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Милованов, Александр Владимирович, 2009 год

1. Лобасов И.М. Исследование процесса конденсаторной шовной сварки деталей резко различной толщины применительно к сильфонным узлам: Дисс. . канд. техн. наук: 05.03.06.- М.: МВТУ, 1976.- 201 с.

2. Круглов Г.Н. Исследование процесса и разработка оборудования контактной микросварки на повышенной частоте сварочного тока: Дисс. . канд. техн. наук: 05.03.06.- М.: МВТУ, 1976.- 169 с.

3. Моргун А. А. Повышение стабильности проплавления деталей при контактной сварке разноимённых металлов униполярным импульсом тока на базе математического моделирования процесса:Дисс. . канд. техн. наук: 05.03.06.-М.: МВТУ, 1976,- 180 с.

4. Балковец Д.С., Орлов В.Д., Чулошников П.Л. Точечная роликовая сварка специальных сталей и сплавов -М.:Оборонгиз, 1957. 204 с.

5. Источники питания повышенной частоты на тиристорах для односторонней контактной микросварки / О.Н. Браткова , Г. В. Назаров , С. В. Шаблыгин и др. // Сварочное производство. — 1968. №7. - С.34-37.

6. Источники питания для односторонней контактной микросварки с автоматической подстройкой режима / О.Н. Браткова , Г.В. Назаров , А.С. Лысенко и др. // Автоматическая сварка. 1970. - №9. - С.40-42.

7. Гельман А.С. Технология и оборудование контактной электросварки — М.: Машгиз, 1960. 187 с.

8. ИлышевВ.С. Роликовая сварка тонкостенных деталей столстостенными из нержавеющей стали // Новое в процессах горячей обработки металлов: Сб. ВЗМИ -М.: Машиностроение, 1971. С. 81-86.

9. Илышев B.C. Исследование процесса образования литой зоны при роликовой сварке тонкостенных деталей с толстостенными // Труды МВТУ, 1969. - №132. - С. 72-74.

10. Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры М. : Радио и связь -1981. - 224 с.

11. Рыськова З.А., Фёдоров П.Д., Жимерева В.И. Трансформаторы для электрической контактной сварки: 3-е изд. перераб. и доп. — JT.:Энергоатомиздат, 1990. - 424 с.

12. Fuji IGBT modules. Application manual. 2004 . http://www.fujielectric.со.jp/eng/fdt/scd/pdf/REH9 8 4/REH98405.pdf

13. MITSUBISHI SEMICONDUCTORS POWER MODULES MOS. GENERAL CONSIDERATIONS FOR IGBT AND INTELLIGENT POWER MODULES. 1998. http://www.mitsubishichips. com/China/files/manuals/powermos30.pdf

14. MITSUBISHI SEMICONDUCTORS POWER MODULES MOS. USING IGBT MODULES 1998. http://www.mits ubishichips.com/China/files/manuals/powermos40.pdf

15. Jia Wu. Implementation of a lOOkW Soft-Switched DC bus regulator based on power electronics building block concept: Thesis. Blacksburg: Virginia tech univercity. - 2000. - 131 p.

16. AN-9020. South Portland : Fairchildsemiconductors, 2002. 24 p.

17. Wei Dong. Analysis and evaluation of softswitching inverter techniques in electric vehicle applications: Thesis. Blacksburg: Virginia tech univercity. - 2003. - 243p.

18. Костиков В.Г., Парфенов ЕМ., Шахнов В. А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для вузов.- 2-е изд. М.: Горячая линия телеком, 2001. - 344 с.

19. Мощные транзисторные устройства повышенной частоты / А.А. Алексанян, Р.Х. Вальян, М.А. Сивере и др. J1: Энергоатомиздат, Ленингр. Отд-ние, 1989 .- 176 с.

20. Березин O.K., Костиков В.Г., Шахнов В. А. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. М. : Три JI, 2000. - 400 с.

21. AN-29. Santa Clara : National Semiconductors. -2002. http://www.national.com/an/AN/AN-29.pdf

22. AN-32. Santa Clara : National Semiconductors. -197 0. http://www.national.com/an/AN/AN-32.pdf

23. Шаблыгин С.В., Шаповал И.А. Преобразователи частотына тиристорах. Саратов : СВКИУ, 1967. - 243 с.

24. РТМ-1333. Роликовая сварка деталей неравной толщины в узлах упругих элементов М.:НИАТ, 1973.- 38 с.

25. Казаков Ю.В., Кречетов А. Д. Технология сварки импульсной дугой сильфонов с арматурой // Сварочное производство. — 1969. №3.- С. 39-40.

26. Комаров Е.Н. Схемы программирования и дозирования энергии в сварочном импульсе // Труды ИМСХ им. М.И.Калинина. 1961. - Вып. 27. - С. 107109 .

27. Гореславец А., Бахметьев А. Импульсные источники питания // Chip News. 1996, - №8. - С. 13-15.

28. Паченцев Ю.А. Програмное регулирование процесса контактной точечной сварки // Автоматическая сварка. 1955. - №5. - С.27-29.

29. Паченцев Ю.А. Регулирование процесса точечной сварки по величине перемещения электродов сварочной машины // Автоматическая сварка. 1951. - №5. -С.39-41.

30. Паченцев Ю.А. Аппаратура для управления контактной точечной машиной по величине теплового расширения маталла // Автоматическая сварка.- 1954. №4. - С.42-43.

31. Круглов Г.Н., Ломов И.А., Матвеев В.И. К расчёту тиристорного преобразователя для контактной микросварки // Автоматическая сварка. — 1972. №4.- С.39-40.

32. Круглов Г.Н., Матвеев В.И., Черных В.П. К расчёту источника для микросварки с частотным управлением // Труды МВТУ им. Баумана. 1972.- Вып.148. С.120-122.

33. Патон Б.Е. Гавриш B.C. Оптимальная система регулирования энергетических параметров точечной и шовной сварки // Автоматическая сварка. — 1961.- №2. С.32-34.

34. Подола Н.В. Гавриш B.C. Автоматизированная система на основе микроЭВМ «электроника-60» для экспериментальных исследований контактной точечной микросварки — М.: Машиностроение, 1970. 165 с.

35. Смирнов А.П. Козиков В.А. Влияние охлаждения на нагрев ролика при шовной контактной сварке тонколистовой низкоуглеродистой стали

36. Автоматическая сварка. 1977. - №9. - С.10-13.

37. Моравский В.Э. Конденсаторная сварка металлов малых толщин — М.: Машгиз, 1960. 138 с.

38. Белов А.Б. Конденсаторные машины для контактной сварки J1.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1984. - 217 с.

39. Использование мостового двухтактного последовательного инвертора на тиристорах в конденсаторной машине для шовной сварки / И.В. Пентегов , Д.А. Шейковский , Е.П. Стемковский и др. // Проблемы технической электродинамики. 1972. -№35. - С.32-35.

40. Прецизионные сплавы: Справочник / Под ред. Б.В.

41. Молотилова М.: Металлургия, 1974. - 324 с.

42. Точечная сварка с приложением усилия сжатия к периферийной зоне соединения / Б.Д. Орлов , Ю.В. Дмитриев , А. П. Найденов и др. / Сварочное производство. 1975. - №12. - С. 19-21.

43. Пелыд И.Д. Автоматическая аргонодуговая сварка сильфонов // Сварочное производство. — 1967. №8.- С. 34-36.

44. Технология и оборудование контактной сварки / Под ред. Б.Д. Орлова М.: Машиновтроение, 1975. - 180 с.

45. Хольм Р. Электрические контакты М.:ИЛ., 1961.- 448 с.

46. Патон Б.Е., Лебедев В. К. Электрооборудование для контактной сварки М.: Машиностроение, 1969.389 с.

47. Исаев А. П. Разработка и исследование способа конденсаторной точечной сварки с автоматическим регулированием параметров режима сварки деталей толщиной 0,1-0,3 мм.: Дисс. . канд. техн. наук: 05.03.06.-М.: МВТУ, 1974. 192 с.

48. Каганов Н.Л. Конденсаторная сварка тонких и ультратонких деталей упругих приборов

49. Перспективы развития упругих чувствительных элементов: Сб.ЦИНТИЭПиП. Москва, - 19 61. - С. 6365.

50. Петрушин И.В., Минаков И. Т. Особенности сварки многослойных сильфонов из аустенитных хромоникелевых сталей и сплавов // Сварочноепроизводство. — 1970. №1. -С.50-53.

51. Илышев B.C. Исследование процесса образования литой зоны при роликовой сварке тонкостенных деталей с толстостенными-// Труды МВТУ. 10 69. -№132. - С.104-108.

52. Метод регулирования начальной стадии импульса сварочного тока конденсаторных машин / И.М. Лобасов, Н.Л. Каганов, А.П. Исаев И др. // Электротехническая промышленность. Электросварка. -1976. Вып 2(35). -С. 42-44.

53. Гельман А. С. Тепловые процессы при точечной сварке // Труды ЦНИИТМАШ. 194 8. - Кн.14. - С. 6769 .

54. Аксельфорд Ф.А. Зайцев М.П. Шовная машина для сварки деталей разной толщины из нержавеющей стали // Сварочное производство. -1958. №12. -С.43-45.

55. Сварка. Резка. Контроль: Справочник; в 2-х томах / Под общ. ред. Н.П. Алёшина, Г. Г. Чернышова М. : Машиностроение, 2004. - Т.1/ Н.П. Алёшин, Г.Г. Чернышов, Э.А. Гладков и др. - 4 91 с.

56. Сварка и свариваемые материалы: Справочник, В 3 томах / Под общ. ред. В. Н. Волченко. М.: Металлургия, 1991.- Т1: Свариваемость материалов / Под ред. Э.Л.Макарова.- 52 8 с.

57. Марочник сталей и сплавов / Под общей редакцией В.Г.Сорокина.- М.: Машиностроение, 198 9.640 с.

58. ГОСТ 2601-84. Основные понятия итерминология в сварочном производстве.- М. :

59. Издательство стандартов, 1987.- 52 с.

60. Справочник сварщика / Под ред. В.В. Степанова.- М.: Машиностроение, 1982.- 560 с.

61. Сварка в машиностроении: Справочник; В 4 т. / Редколл.: Г.А.Николаев (пред.) и др.- М. : Машиностроение, 1978.- Т.1.- 504 с; Т.2.- 462 с; Т.З.- 567 с; Т.4.- 512 с.

62. Вермишев Ю.Х. Основы автоматизированного проектирования М.: Радио и связь, 1988.- 280 с.

63. Махненко В.И. Математические методы и прогресс в сварочном производстве // Математические методы в сварке.- Киев: Наукова думка, 198 6.- С. 3-8.

64. Прохоров А.Ф. Конструктор и ЭВМ.- М.: Машиностроение, 1987.- 272 с.

65. Судник В.А., Ерофеев В.А. Расчеты сварочных процессов на ЭВМ: Учебное пособие.- Тула: ТПИ, 1986.- 100 с.

66. Искусственный интеллект: Справочник, В 3 т. / Под ред. Э.В.Попова.- М.: Радио и связь, 1990.-Т.1. Системы общения и экспертные системы.- 4 64 с.

67. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики.-Новосибирск: Наука, 1973.- 352 с.

68. Пашаев Б.П., Магомедов A.M. Теплофизические свойства твердых веществ.- М. : Металлургия, 1979.234 с.

69. Марочник сталей и сплавов / М.М.Колосков, Е.Т.Долбенко, Ю.В.Каширский и др.; Под общей ред. А.С.Зубченко М.: Машиностроение, 2001.- 672 с.