Урок «Сварочные выпрямители»

ТАМБОВСКОЕ ОБЛАСТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ “ПРИБОРОСТРОИТЕЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ”

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ПО ИЗУЧЕНИЮ УРОКА

ПМ.01. Подготовительно — сварочные работы и контроль качества сварных швов после сварки

МДК.01.01.  Основы технологии сварки и сварочное оборудование

Тема 1.2. Источники питания сварочной дуги

Тема урока «Сварочные выпрямители»

Разработала Яковлева Елена Петровна

АННОТАЦИЯ

Методическая разработка урока  теоретического обучения составлена в соответствии с календарно-тематическим планом ПМ.01. Подготовительно — сварочные работы и контроль качества сварных швов после сварки на основе  Федерального государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования по профессии 15.01.05  Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки), утвержденного приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 2 августа 2013 г. № 842 (Зарегистрировано в Минюсте России 20.08.2013 № 29669).

Разработка направлена на подготовку выпускников к виду профессиональной деятельности: ВПД 2. «Сварка и резка деталей из различных сталей, цветных металлов и их сплавов, чугунов во всех пространственных положениях», формирующему профессиональные компетенции ПК 2.2. «Выполнять ручную дуговую и плазменную сварку средней сложности и сложных деталей аппаратов, узлов, конструкций и трубопроводов из конструкционных и углеродистых сталей, чугуна, цветных металлов и сплавов», ПК 2.5. «Читать чертежи средней сложности и сложных сварных металлоконструкций», ПК 2.6. «Обеспечивать безопасное выполнение сварочных работ на рабочем месте в соответствии с санитарно-техническими требованиями и требованиями охраны труда», ПК 2.7.     Выполнять настройку режимов сварки сварочных инверторных аппаратов для изготовления ёмкостей из алюминия и его сплавов.

Общие компетенции —  ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес. ОК 2. Организовывать собственную деятельность, исходя из цели и способов её достижения, определённых руководителем. ОК 3.   Анализировать рабочую ситуацию, осуществлять текущий и итоговый контроль, оценку и коррекцию собственной деятельности, нести ответственность за результаты своей работы. ОК 5.   Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности. ОК 6.     Работать в команде, эффективно общаться с коллегами, руководством, клиентами.

Методическая разработка может быть использована в дополнительном профессиональном образовании и профессиональной подготовке рабочих в области металлообработки при наличии среднего (полного) общего образования.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

В восьмом веке на территории нашей России проживали племена, которые поклонялись различным идолам, поскольку боялись и не понимали явлений природы.

Одним из таких богов был Сварог. Он являлся покровителем кузнецов. Сварог — бог огня, молнии, грома. В свою очередь, местные поселяне Росичи, уважали и боялись кузнецов, так как они владели тайнами изготовления металла, умели соединять металл, изготавливать оружие, инструменты, умели лечить людей. Кузнецы называли себя: «Сварожичи».

Профессия «Сварщик» и определение процесса соединения металлов — сварка, идет с тех древних времен. Сварка — самый производительный процесс изготовления неразъемных соединений.

Выбрав профессию: «Сварщик (электросварочные и газосварочные работы)», студенты научатся профессионально владеть мастерством соединения металлов несколькими способами: ручной дуговой покрытыми электродами, газовой — ацетилено — кислородным пламенем, вольфрамовым электродом в защитной среде инертного газа, полуавтоматической в углекислом газе и т.д.

В результате изучения темы 1.2. Источники питания сварочной дуги, студенты будут иметь практический опыт:

 — настройки сварочного оборудования на заданные параметры

 — чтения чертежей средней сложности

— организации безопасного выполнения сварочных работ на рабочем месте в соответствии с санитарно-техническими требованиями и требованиями охраны труда

уметь:

— устанавливать режимы сварки по заданным параметрам

— экономно расходовать электроэнергию, бережно обращаться с инструментами, аппаратурой и оборудованием

— соблюдать требования безопасности труда и пожарной безопасности.

— читать схемы устройства сварочных источников питания дуги.

знать:

— устройство обслуживаемых электросварочных машин

— правила установки режимов сварки по заданным параметрам

— требования к организации рабочего места и безопасности выполнения сварочных работ.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ПМ.01. ФРАГМЕНТ

2.2. Тематический план и содержание профессионального модуля

КАЛЕНДАРНО-ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН. ФРАГМЕНТ

ПЛАН УРОКА

МДК 01.01. Основы технологии сварки и сварочное оборудование

Тема 1.2. Источники питания сварочной дуги

Тема: Сварочные выпрямители

Цели урока:

Образовательная Формировать знания по видам сварочных выпрямителей, знания устройства и принципа работы сварочных выпрямителей. Формировать знания о прогрессивных способах сварки на современном оборудовании.

Развивающая Развивать самоконтроль, навыки работы с макетами сварочного выпрямителя, техническое мышление. Развитие умений контролировать параметры и выполнять регулировки, настройки параметров сварочных выпрямителей

Воспитательная Воспитывать чувство коллективизма, самостоятельности, ответственности, бережное отношение к сварочным материалам, слесарным инструментам, сварочному оборудованию

Тип  урока: Комбинированный

Материально-техническое оснащение

Презентация по теме урока, макет сварочного выпрямителя, сварочного трансформатора, вопросы, лекционный материал, видеоролик: «Сварка МАА111».

Ход урока

1. Организационный момент

— приветствие

— рапорт старосты об отсутствующих

— сообщение темы и целей урока, актуализация темы урока

— контроль изученного материала

1. Контроль изученного материала

Проверка домашнего задания:

— работа у доски (проблемные задания)

— фронтальный опрос

На слайде устройство трансформатора перечислить недостающие элементы.

Вопросы:

• Сварочный трансформатор – определение
• Рассказать как происходит понижение напряжения
• Рассказать из каких основных частей состоит сварочный трансформатор
• Какая частота в сети.
• В каких единицах измеряют напряжение
• В каких единицах измеряют силу сварочного тока
• Перечислить слесарный инструмент сварщика
• Изобразить прямую и обратную полярности на дуге
• Перечислить сварные соединения
• Что относят к принадлежностям сварщика
• Влияние основных параметров режима и пространственного положения при сварке на формирование сварного шва.
• Как влияет углерод на свариваемость стали

III. План

• Рассказ преподавателя с элементами фронтальной беседы об истории изобретения сварочных выпрямителей
• Объяснение преподавателем устройство и принцип действия простейшего понижающего выпрямителя (презентация)
• Объяснение преподавателем устройства диодного моста

• Объяснение преподавателем устройство и принцип действия сварочного выпрямителя (презентация)
• Объяснение преподавателем устройство сварочного выпрямителя по макету
• Примеры внештатных производственных ситуаций
• Объяснение преподавателем требований безопасности при обслуживании сварочных выпрямителей

1. IV. Закрепление нового материала.

• Самостоятельная работа студентов (составление конспекта) по плану с использованием учебной литературы, методических материалов. Приложение1.

План самостоятельной работы студентов

1. Сварочный выпрямитель – определение записать
2. Преимущества применения источника питания постоянного тока – записать
3. Назначение диода – записать
4. Устройство диода – изобразить
5. Как происходит выпрямление тока – записать
6. Мостовая схема выпрямителя – изобразить
7. Выбор источника питания по типу внешней характеристики – записать

• Тестовый контроль по изученной теме.

1. V. Задание студентам

По текущему материалу

ОИ8, стр.32 в соответствии с календарным планом

По повторению пройденного

Дать определение. Что называется сваркой?

2. Какие типы сварных соединений вы знаете?
3. Перечислить типы сварных соединений.
4. Дать определения. Что называют стыковым, угловым, тавровым, нахлёсточным, торцевым соединением.
5. Сварочный трансформатор – определение
6. Рассказать как происходит понижение напряжения
7. Рассказать из каких основных частей состоит сварочный трансформатор
8. Какая частота в сети.
9. Сварочный выпрямитель – определение
10. Устройство и принцип действия сварочного выпрямителя

11.Устройство и работа диода.

1. Выставление и комментарии оценок

Преподаватель____________________

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Выпрямители сварочные

Историческая справка

Силовая электроника была и остается наиболее энергоемким направлением развития промышленной электроники. Функции этого направления — регулируемое преобразование электрической энергии. Важнейшие виды преобразования энергии: выпрямление переменного тока, регулирование выпрямленного напряжения (тока), инвертирование постоянного тока, преобразование частоты, преобразование числа фаз. Основные задачи, которые решала и решает силовая электроника, — создание элементной и аппаратной базы; развитие схемотехники; создание теории вентильных цепей, методов анализа и проектирования преобразователей электроэнергии; развитие методов и технических средств управления преобразователями электроэнергии. Решение этих задач и составляет основные этапы развития и становления современной силовой электроники — важнейшей составной части промышленной электроники.

Эффект выпрямления переменного тока с использованием электрической дуги впервые был обнаружен и исследован В.Ф. Миткевичем в начале XX в. Им же были разработаны получившие широкое распространение двухполупериодная и трехфазная нулевая схемы выпрямления (1901 г.). Особенности работы схем при различных нагрузках исследовались А.Л. Гершуном (1901 г.), а одно- и двухполупериодное выпрямление с применением электронных вентилей — кенотронов — Н.Д. Папалекси (1911 г.) [11.1, 11.2].

Мощные выпрямители впервые были созданы на основе дугового разряда в парах ртути с холодным катодом. Патент на первый прибор был выдан в США Купер-Хюиту в 1901 г. Затем в течение 20 лет произошел скачок в преобразовании тока в промышленных масштабах. Во многих странах, в том числе и в СССР, быстро развивалась теория газового разряда, создавались конструкции мощных ртутных вентилей, разрабатывались специальные виды трансформаторов, защитной и коммутационной аппаратуры. Нашими учеными и инженерами в короткий срок были созданы мощные преобразовательные агрегаты, не уступавшие зарубежным. Без этих агрегатов было невозможно промышленное производство стратегических материалов (алюминия, цинка, титана), не могли работать прокатные станы, не могла осуществляться электрификация городского и магистрального транспорта. Большие государственные вложения в развитие силовой электроники затрагивали сферы науки, производства и образования.

Сварочными выпрямителями называют устройства, которые с помощью полупроводниковых элементов преобразуют напряжение переменного тока в однофазной или трехфазной сети в напряжение постоянного тока с необходимой внешней характеристикой и предназначены для питания сварочной дуги.

Сварочные выпрямители получили большое распространение. Основные их преимущества следующие: 1. высокий к.п.д. и относительно небольшие потери холостого хода; 2. высокие динамические свойства при меньшей электромагнитной индукции; 3. отсутствие вращающихся частей и бесшумность в работе; 4. равномерность нагрузки фаз; 5. небольшая масса; 6. возможность замены медных проводов алюминиевыми.

Однако следует иметь в виду, что для выпрямителей продолжительные короткие замыкания представляют большую опасность, так как могут выйти из строя диоды. Кроме того, сварочные выпрямители чувствительны к колебаниям напряжения в сети. Все же по основным технико-экономическим показателям сварочные выпрямители являются более прогрессивными, чем, например, сварочные преобразователи.

Сварочные выпрямители состоят из двух основных блоков: понижающего трехфазного трансформатора с устройствами для регулирования напряжения и выпрямительного блока. Кроме того, выпрямитель имеет пускорегулирующее защитное устройства, обеспечивающие нормальную его эксплуатацию.

Устройство диода (неуправляемый полупроводник) и теристора (управляемый полупроводник)

Рисунок 1 — Устройство диода и тиристора.

Для выпрямления тока используется свойство полупроводникового вентиля проводить ток только в одном направлении. Наибольшее применение получили селеновые и кремниевые вентили. Селеновые вентили — дешевы, выдерживают перегрузки. Кремниевые вентили обладают высокими энергетическими показателями высоким к.п.д., но очень чувствительны к перегрузкам по току поэтому требуют защитных устройств и интенсивного охлаждения.

В качестве материала для кремниевого неуправляемого вентиля-диода (рис. 1, б) применяют тонкую кремниевую пластинку (катод), на одну сторону которой нанесен слой алюминия (анод). При непосредственном контактировании двух полупроводников в месте контакта образуется переходный слой (П), легко пропускаю­щий электрический ток в одном направлении (от анода А к катоду К) и почти не пропускающий его в обратном направлении. Такой кремниевый диск с переходным слоем (рис. 1, а), впаянный в неразборный герметичный корпус 2, который имеет шпильку на одном конце для ввинчивания в охладитель 3, а  с другого конца — вывод в виде гибкого провода 1, изолированного от корпуса, и представляет конструкцию диода.

Кремниевый управляемый вентиль-тиристор имеет четыре слоя — и три перехода (рис. 1, в). Если к такому элементу приложить внешнее напряжение от анода к катоду, то средний переход П₂ оказывается включенным в обратном направлении и тиристор тока не пропускает (заперт). Его можно отпереть, если подать на его управляющий электрод (УЭ) положительный потенциал (импульс). В этом случае переход П₂ открывается и ток идет по тиристору от анода к катоду. Тиристор снова запрется лишь при спаде протекающего по нему тока до нуля. Изменяя по фазе электрический угол открывания тиристора, т. е. время подачи импульса относительно начала синусоиды питающего напряжений, можно регулировать среднее значение выпрямленного тока. Таким образом, тиристор будет выполнять функции не только выпрямителя, но и  регулятора сварочного тока. Изменяют время подачи импульса, а следователь­но, и силу тока с помощью специального электронного устройства. Конструктивно кремниевый тиристор выполнен, как и кремниевый диод, но имеет еще третий (управляющий) электрод. В промышленности в настоящее время получили распространение кремниевые и селеновые диоды и кремниевые тиристоры.

Выпрямление тока осуществляется по трехфазной мостовой схеме Ларионова. Мост состоит из шести плеч, в каждом из которых установлены вентили, обеспечивающие выпрямление обоих полупериодов переменного тока в трех фазах (рис. 2).

На рис. 2 приведена электрическая схема, показывающая принцип действия сварочного трехфазного выпрямителя, которая является упрощенной. На схеме показаны только сварочный трансформатор и блок полупроводниковых диодов со сварочной дутой.

 
Рис. 2. Упрощенная принципиальная схема сварочного выпрямителя: Т— трансформатор понижающий; VD1-VD6 — блок выпрямительных вентилей; I_в — ток вентиля; I_d — выпрямленный ток

Мостовая схема выпрямителя.

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке

U2 — Напряжение вторичной обмотки трансформатора

Uн – Напряжение на нагрузке.

Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора

Основными узлами сварочного выпрямителя являются понижающий трансформатор, блок выпрямительных вентилей, вентилятор, пускорегулирующая и стабилизирующая аппаратура.

В зависимости от внешней вольт-амперной характеристики, количества постов и способа сварки сварочные выпрямители подразделяют на однопостовые с падающей внешней характеристикой. однопостовые с жесткой внешней характеристикой, однопостовые универсальные, многопостовые, однопостовые транзисторные.

Сварочные выпрямители с жесткой внешней характеристикой типа ВС и ВДГ предназначены для сварки в защитном газе плавящимся электродом, автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом, порошковой проволокой и др. Они просты в устройстве и надежны в работе.

Сварочные выпрямители однопостовые с падающей внешней характеристикой предназначены для ручной дуговой сварки и наплавки, а также для механизированной сварки под флюсом. Падающая внешняя характеристика и заданное значение силы сварочного тока обеспечиваются трансформатором. Для преобразования тока используют селеновые (выпрямители серии ВСС) и кремниевые (выпрямители серий ВКС и ВД) вентили.

Сварочные выпрямители с падающей внешней характеристикой выпускаются типа ВСС, ВКС и ВД.

Сварочные выпрямители типа ВСУ и ВДУ являются универсальными источниками питания дуги. Они предназначены для питания дуги при автоматической и полуавтоматической сварке под флюсом, в защитных газах, порошковой проволокой, а также при ручной сварке. Выпрямители ВСУ, кроме обычных — блока трехфазного понижающего трансформатора и выпрямительного блока, имеют дроссель насыщения с четырьмя обмотками. Переключением этих обмоток можно получать жесткую, пологопадающую и крутопадающую внешние характеристики.

Однопостовые универсальные сварочные выпрямители обеспечивают возможность получения как жесткой, так и падающей внешних характеристик, поэтому их можно применять для ручной дуговой сварки, автоматической сварки плавящимся и неплавящимся электродами в защитных газах и сварки под флюсом.

Многопостовой выпрямитель снабжает энергией несколько сварочных постов для ручной дуговой сварки. Эти выпрямители, изготовляемые на кремниевых вентилях, отличаются высоким КПД, хорошими энергетическими показателями, бесшумностью работы, малыми габаритными размерами и небольшой массой. Они рассчитаны на работу в закрытых помещениях при температуре окружающего воздуха от —40 до +40 °С. Обычно подобные выпрямители имеют жесткую внешнюю характеристику. Для получения падающих характеристик и регулирования тока на каждом сварочном посту используют ступенчатый балластный реостат.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Закрепление нового материала

Критерии оценок

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сварка — технологический процесс, широко применяемый во всех отраслях народного хозяйства для изготовления новых и ремонта эксплуатируемых конструкций и механизмов. Преимущества сварных конструкций в настоящее время общепризнанны, такие конструкции повсеместно применяют взамен литых, клепаных и кованых изделий.

Эти преимущества сводятся к уменьшению расхода металла, снижению затрат труда, упрощению оборудования, сокращению сроков изготовления и увеличению съема продукции без увеличения производственных площадей. Значительно расширяются также возможности механизации основных технологических операций.

Однако все преимущества сварки могут быть реализованы только при обеспечении необходимого качества сварных соединений, гарантирующих длительную и надежную работу их в условиях эксплуатации. Это достигается на основании глубокого изучения вопросов технологии сварки и установления связи ее с конструктивными формами и особенностями изготовляемой продукции.

В соответствии с выбранным типом урока – комбинированный, предусматривается изучение нового материала и его закрепление, опираясь на знания, полученные на предыдущих занятиях.

Закрепление полученных знаний проводится в виде выполнения индивидуальных заданий с использованием справочного технического материала и технологических карт.

Для достижения поставленной цели была задействована методика организации самостоятельной работы студентов при подборе материала сообщений по предложенным темам и при работе в группах, с использованием ранее заготовленных сварных соединений.

 Материал урока разработан с учётом учебной подготовки студентов, а также параллельно изучаемых дисциплин. В ходе подачи материала прослеживались межпредметные связи с материаловедением, технической механикой, физикой. Для активизации познавательной деятельности студентов в процессе работы были использованы наглядные пособия и дидактический материал.

Поставленные цели урока: 1.Формировать знания по видам сварочных выпрямителей, знания устройства и принципа работы сварочных выпрямителей.

2. Формировать знания о прогрессивных способах сварки на современном оборудовании.
3. Развивать самоконтроль, навыки работы с макетами сварочного выпрямителя, техническое мышление.
4. Развитие умений контролировать параметры и выполнять регулировки, настройки параметров сварочных выпрямителей
5. Воспитывать чувство коллективизма, самостоятельности, ответственности, бережное отношение к сварочным материалам, слесарным инструментам, сварочному оборудованию были достигнуты через реализацию поставленных задач.

 Основная часть урока – изучение нового материала дана в виде мультимедийных презентаций, что даёт возможность лучше усвоить материал.

Для того чтобы студенты запомнили материал и научились использовать полученные знания, в ходе урока был продемонстрирован видеоролик: «Сварка МАА111».

Методическая разработка открытого урока по МДК 01.01. Основы технологии сварки и сварочное оборудование

Тема 1.2. Источники питания сварочной дуги

Тема урока Сварочные выпрямители.

может быть использована в рамках обучения по специальности «Сварочное производство»

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Алексеев Е. К., Мельник В. И. Сварка в промышленном строительстве — М Стройиздат, 1977 —377 с
2. Алешин Н. П. Щербинский В. Г. Контроль качества сварочных работ —М Высш школа, 1986 — 167 с
3. Безопасность производственных процессов/Под ред С В Белова — М Машиностроение, 1985 — 448 с
4. Блинов А. Н., Лялш К. В Организация и производство сварочно-монтажиых работ—М Стройиздат,  1988 —343 с
5. Виноградов В.С. Оборудование и технология дуговой автоматической и механизированной сварки – М.: Высш школа.; Академия, 2006. – 319с.
6. Думов С. И. Технология электрической сварки плавлением — Л Машиностроение, 1987 —468 с
7. Корольков П. М., Хананетов М. В. Современные методы термической обработки сварных соединений —М Высш школа, 1986 —182 с
8. Мусияченко В. Ф., Миходуй Л. Н. Дуговая сеарка высокопрочных легированных сталей — М Машиностроение, 1987 — 74 с.
9. Новиков О. В Охрана окружающей среды —М Высш школа, 1987 —287 с
10. Рыбаков В. М, Дуговая и газовая сварка — М Высш школа, 1986 —С 4—39, 94—127

Общая теория конструкции выпрямителя

Прочитав эту статью, вы познакомитесь с общей теорией построения выпрямителя с помощью схем.

Благодаря простоте управления тепловым балансом, а также легкости зажигания дуги и ее обслуживания, постоянный ток используется, в частности, для сварки неизолированной проволокой, такой как дуговая сварка металлическим газом. Однако ac более легок и общедоступен. Поэтому лучшим решением является использование переменного тока для получения необходимого постоянного тока, и это делается с помощью генератора постоянного тока, преобразователя или выпрямителя.

По сути, электрический выпрямитель — это устройство, которое позволяет протекать току только в одном направлении и, таким образом, может преобразовывать переменный ток в колеблющийся постоянный ток, как показано на рис. 4.26. Из этого рисунка видно, что в случае синусоидального напряжения питания подавление отрицательной половины кривой приводит к прерывистым импульсам энергии, полярность которых не меняется. Очевидно, такой источник питания не подходит для сварки, поскольку периоды прерывистой подачи энергии между последовательными импульсами делают невозможным поддержание стабильной дуги.

Эту трудность, однако, можно преодолеть, если источником питания является трехфазный ток, каждая фаза смещена на 120 ⁰ по отношению к предыдущей или последующей фазе, как показано на рис. 4.27. Когда отрицательные полупериоды всех трех фаз подавлены, результирующий график для однонаправленного тока показывает приближение к прямой линии с гораздо меньшими колебаниями, чем в случае однофазной.

Аналогичным образом, системы с более чем трехфазным переменным током достигают большей близости к истинному переходному процессу постоянного тока.Однако нечасто встречаются системы с более чем тремя фазами, поэтому трехфазная система является наиболее используемой. Но есть еще один способ улучшить форму выпрямленного тока — это полнополупериодное выпрямление.

При двухполупериодном выпрямлении используются обе половины переменного тока или напряжения для получения более плавного питания постоянного тока, как показано на рис. 4.28.

Используя хорошо известные символы для диодов и выпрямителей, системы для однополупериодного и двухполупериодного выпрямления можно представить, как показано на рис.4.29.

Выпрямитель — это устройство, которое позволяет току течь только в одном направлении или, точнее, подавляет большую часть тока в обратном направлении. Характеристическая кривая для однофазного выпрямителя показана на рис. 4.30.

Хотя соотношение между напряжением и током в первом (или положительном) квадранте графика не является линейным, можно заметить, что для третьего (или отрицательного) квадранта даже очень большое увеличение напряжения приводит к передаче очень небольшой величины. тока.Таким образом, практически данное устройство проводит электрический ток в основном в одном направлении.

Как видно из различных переходных процессов выпрямленного тока, такой системе присущи флуктуации. Одним из способов получения плавного постоянного тока от выпрямительного блока является использование конденсаторов, как показано на рис. 4.31. Если в схему включен конденсатор, он накапливает энергию и подает ее при почти постоянном выходном напряжении, хотя энергия, получаемая им от выпрямителя, находится в переменных импульсах.

Изначально были разработаны ртутные дуговые выпрямители, но они очень хрупкие и теперь полностью заменены твердотельными выпрямителями.

Сильноточные сварочные диоды для сложных промышленных приложений

Особые требования к контактной сварке, даже несмотря на то, что она не является высококлассным приложением для силовой электроники, привели к постоянному развитию семейства устройств для конкретных приложений. В этой статье мы более подробно рассмотрим само приложение, требования, которым силовые полупроводники должны соответствовать при испытаниях при нагрузочном цикле, а также компоненты, которые были разработаны для удовлетворения этих требований.Наконец, обсуждаются тенденции выпуска новых продуктов в ближайшем будущем.

Сварка сопротивлением

Контактная сварка — это метод, используемый в основном для соединения листов металла. Он включает в себя выделение тепла за счет пропускания тока через контактное сопротивление между металлическими поверхностями. Небольшие лужи расплавленного металла образуются в зоне сварного шва, когда пропускается большой ток.

После охлаждения участка образуется прочный стык.На Рисунке 1 показаны основные действительные и паразитные сопротивления вторичного контура сварочного трансформатора. Это демонстрирует важность отличных прямых характеристик диода. Сварочный диод должен иметь низкое удельное сопротивление в цепи, чтобы быть успешным с точки зрения эффективности и срока службы. Любые дополнительные потери приводят к более высокому напряжению диодов в приложении.

По сравнению с другими методами сварки, контактная сварка очень эффективна, так как вызывает небольшое загрязнение и ограниченную деформацию заготовки.Он отличается высокой производительностью, легко поддается автоматизации и не требует присадочных материалов. Поэтому он широко используется в автомобильной промышленности, так как большинство автомобилей имеют несколько тысяч точечных сварных швов, выполненных промышленными роботами.

Принцип сварочного контура

Электрическая схема системы контактной сварки состоит из 4 частей, как показано на рисунке 2:

• Преобразователь частоты, который генерирует однофазное квазипрямоугольное напряжение и ток желаемой частоты из трехфазной синусоидальной волны.Обычно сварочные агрегаты собираются вместе с инвертором IGBT. Выход инвертора подключен к первичной обмотке трансформатора. Форма волны представляет собой прямоугольную последовательность импульсов ШИМ с типичной частотой 1 кГц и амплитудой 560 В.
• Трансформатор с вторичным напряжением в диапазоне 6-20 В, с 10 В является наиболее распространенным. Вторичный ток часто находится в диапазоне 10-20 кА, но может быть даже выше при сварке алюминия.
• Диодный выпрямитель для преобразования квазипрямоугольного тока в постоянный ток.Это сделано, поскольку качество сварки намного лучше при использовании постоянного тока вместо переменного тока. Для уменьшения количества диодов, требуемых для выпрямления, рекомендуется выбрать соединение типа M2. Когда требуются более высокие токи, возможности увеличиваются за счет параллельного включения двух или более диодов.
• Сварочный пистолет с водоохлаждаемыми электродами, между которыми прижимаются соединяемые металлические листы.

Требования к характеристикам диодов для сварки

Для каждой модели автомобиля разработана индивидуальная сварочная система.В автомобильной промышленности трансформатор, выпрямитель и сварочный пистолет часто размещают на руке робота. Таким образом, большое значение имеют размер и вес. Поскольку увеличение частоты уменьшает размер трансформатора при одинаковой мощности, существует тенденция к увеличению частоты с 1 кГц, используемой сегодня, до примерно 10 кГц или, возможно, даже 20 кГц.

Определенные материалы также требуют определенной последовательности и требований сварки. Каждый материал имеет так называемый температурный диапазон пластичности, в котором он может легко деформироваться, плавиться и соединяться под действием приложенной силы.Стальные материалы и сплавы характеризуются широким диапазоном пластических температур, поэтому их легко сваривать плавлением.

С другой стороны, чистые металлы, такие как медь и алюминий, которые обладают высокой проводимостью (термически и электрически), имеют узкий диапазон пластических температур. Они требуют более точного времени, короткого времени сварки и более высоких уровней тока (см. Рисунок 3). Поэтому были разработаны новые сварочные системы с частотой 10 кГц. Все представленные аспекты применения отражены в характеристиках сварочных диодов АББ.

Возможность переключения нагрузки

Успех применения в оборудовании для контактной сварки во многом зависит от правильного выбора сварочного диода и его правильной работы. Каждый цикл сварки представляет собой цикл нагрузки для диодов, а ожидаемый срок службы обычно составляет 10 миллионов циклов или даже больше. Это означает, что возможность переключения нагрузки диода имеет решающее значение для выбора компонента, и эта способность определяется колебаниями температуры, которым диод подвергается во время цикла.

Для минимизации колебаний температуры во время сварочного цикла диоды должны быть спроектированы с учетом минимальных возможных потерь и теплового сопротивления. Во время одной точки сварки на диод воздействуют быстрые импульсы тока (диапазон 1 кГц), достигающие от 10 до 50 кА и продолжающиеся сотни миллисекунд.

Температура перехода

Температура перехода в это время быстро повышается, обычно до Tjmax (180 ° C).Таким образом, работа сварочного диода представляет собой комбинацию импульсного тока, быстрой коммутации и частотной нагрузки. Срок службы диода также сильно зависит от конструкции диода, используемых материалов и качества его изготовления.

ABB сочетают в себе все функции, необходимые для таких экстремальных нагрузок, и устанавливают новые рекорды циклического переключения мощности для всех силовых полупроводниковых устройств в целом.

VRRM = 400 В

* Примечание: максимальный диаметр / диаметр полюсного наконечника

Таблица 1: Ассортимент сварочных диодов АББ

Сварочные диоды ABB

Компания АББ разработала обширный ассортимент сварочных диодов, который показан ниже на Рисунке 5 и в Таблице 1.Мы предлагаем стандартные сварочные диоды в герметичном корпусе или даже более тонкие версии, называемые безкорпусными диодами. В этой конфигурации кремниевый кристалл сварочного диода скреплен одним прочным тонким слоем вместе с двусторонними дисками из молибдена и верхним медным электродом. Этот тонкий корпус имеет преимущество еще более низкого теплового сопротивления. Дополнительным преимуществом является малый размер и малый вес диодов, что приветствуется для оборудования, установленного на манипуляторе робота.

Диодная многослойная структура

Многослойная диодная структура подтверждена многочисленными испытаниями на переключение мощности, проведенными испытательной лабораторией ABB R&D, и всемирным сотрудничеством с основными игроками в области контактной сварки.Успешные испытания диодов достигли значительно более 10 млн циклов без выхода из строя диодов или ухудшения параметров сварки.

Для удовлетворения требований к более высоким частотам была разработана новая группа высокочастотных сварочных диодов с высокой токовой нагрузкой в ​​сочетании с превосходными характеристиками обратного восстановления. Эти новые функции позволят работать с высокой эффективностью на частотах около 10 кГц.

Сварочный диод представляет собой компонент, подверженный наибольшим нагрузкам.Надежность диодов и срок их службы являются ключевыми факторами успеха приложения. Сварочные диоды АББ считаются мировым эталоном.

Об авторе

Ладислав Радван — изобретатель, который также работает в ABB s.r.o. Полупроводники, в которой ABB является технологическим лидером, стимулирующим цифровую трансформацию отраслей. Имея более чем 130-летнюю историю инноваций, ABB имеет четыре ведущих мировых бизнеса, ориентированных на клиентов: электрификация, промышленная автоматизация, движение, робототехника и дискретная автоматизация, поддерживаемые цифровой платформой ABB Ability ™.В 2020 году подразделение Power Grids компании ABB будет передано Hitachi. Компания ABB работает в более чем 100 странах и насчитывает около 147 000 сотрудников.

Эта статья изначально была опубликована в журнале Bodo’s Power Systems.

Semiconductors Spark: достижения в области сварочной мощности

Применение высокочастотных импульсных источников питания (SMPS) в сварочном оборудовании дало многие из тех же преимуществ, что и SMPS в других, непромышленных конструкциях.Путем перехода от источников питания от сети к высокочастотным импульсным источникам питания разработчики смогли повысить энергоэффективность при одновременном уменьшении размера и веса источника питания. Как следствие, SMPS, обычно называемые инверторными источниками питания, используются в различных типах сварочных аппаратов, включая инертный газ вольфрама, металлическую дугу, металлический инертный газ, электрическое сопротивление и машины плазменной резки.

Естественно, лучшая эффективность и размер SMPS имеют свою цену, а именно более сложную конструкцию по сравнению с эквивалентом линейной частоты.Кроме того, конструкция источника питания для сварки усложняется нелинейной нагрузкой, создаваемой текущей дугой. Следовательно, источник питания для сварки требует более сложной схемы управления, чем другие типы импульсных источников питания.

Требования к выходному току и мощности — другие отличия. Для сварочного оборудования требования к среднему току обычно указываются в сотнях ампер. При напряжении дуги где-то около 30 В в случае аппаратов для ручной сварки это приводит к уровням выходной мощности в несколько киловатт или выше.Эти требования, в свою очередь, приводят к высоким номинальным значениям напряжения и тока для компонентов ИИП, а также к конструкциям корпусов, которые должны отвечать потребностям управления температурным режимом.

Несмотря на эти проблемы, подходы SMPS обеспечивают эволюционный путь к более высокой эффективности, меньшему размеру компонентов, более тесной функциональной интеграции с более интеллектуальными схемами управления и защиты, а также лучшей технологичности, а также более низким затратам. Постоянное совершенствование матриц и корпусов силовых полупроводников делает эти достижения достижимыми.

Высокочастотный импульсный источник питания для сварки обычно состоит из входного каскада выпрямления, переключающего или инверторного каскада, высокочастотного трансформатора и выходного каскада выпрямления (рис. 1) . Каскад переключения обычно строится с использованием IGBT, но он также может быть построен с MOSFET или диодами. В дополнение к этим силовым блокам должен быть реализован ряд функций управления, таких как широтно-импульсная модуляция (ШИМ), управление затвором и плавный пуск.

Конфигурация входа выпрямителей будет варьироваться в зависимости от того, является ли вход однофазным или трехфазным переменным током.Дополнительный переключающий элемент может быть вставлен между входными выпрямителями и переключающими транзисторами, когда требуется коррекция коэффициента мощности (рис. 2) . Внутри самого каскада переключателя разработчики могут выбрать полную мостовую конфигурацию из четырех пар транзистор-диод или конструкцию с двойным прямым выходом, состоящую из двух транзисторов и двух диодов (рис. 3) . Последний подход упрощает контроль, но приносит в жертву эффективность.

Конфигурация выходного каскада будет зависеть от требований к мощности конкретной сварочной технологии.Сварщикам, формально известным как аппараты для дуговой сварки в экранированном металле, требуются источники постоянного тока. Для других типов сварочных аппаратов может потребоваться постоянное напряжение, комбинация постоянного напряжения и тока или какой-либо импульсный выход. Следовательно, компоненты, которые следуют за выходными выпрямителями, будут различаться. Например, за выпрямителями может следовать индуктор, когда сварщику требуется постоянный ток постоянного тока для сварки стали или меди. Но когда для алюминия требуется импульсный выход постоянного тока, выходную катушку индуктивности можно заменить вторым каскадом инвертора (рис.2, снова) .

Полупроводниковые компоненты, выбранные или разработанные для различных силовых частей источника питания, должны быть оптимизированы для различных характеристик. Входные выпрямители должны выдерживать скачки напряжения в сети и иметь низкие падения прямого напряжения (V _F ), чтобы минимизировать потери проводимости.

Предназначенные для работы на частотах примерно до 100 кГц (ограничение частоты, налагаемое главным образом трансформатором), высоковольтные транзисторы, используемые в каскаде переключения, требуют низких коммутационных потерь.Они также должны быть соединены с безынерционными диодами, которые имеют наилучшие характеристики заряда с обратным восстановлением (Q _RR ). Другими словами, время обратного восстановления (t _RR ) должно быть как можно меньше. Естественно, важность этого параметра также зависит от фактической частоты коммутации. Следовательно, рабочие условия транзисторов будут определять степень скорости и «мягкости», требуемые для безынерционных диодов. Между тем, выпрямители, используемые в выходном каскаде, где преобладают потери проводимости, должны иметь низкое напряжение V _F , но также и низкое значение t _RR , хотя и не такое низкое, как диоды с обратным ходом.

Номинальные значения тока и напряжения, необходимые для полупроводников в ступенях переключения и выпрямителя, напрямую зависят от требований к выходному току для машин как с однофазным, так и с трехфазным входом. Сравнение аппаратов для сварки штучным электродом, имеющихся в США и Европе, показывает основные требования к току и напряжению для аппаратов с переменным выходным током (Таблицы 1 и 2) . Обратите внимание, что уровень выходного тока 200 А, кажется, разделяет однофазные и трехфазные сварочные аппараты.International Rectifier собрала эти данные и не обнаружила различий между однофазными машинами при сравнении продаваемых в США и Европы.

По заявлению компании, это связано с тем, что однофазные сварочные аппараты в США обычно подключаются к двум фазам трехфазной линии или используют удвоитель на входе. Однако для трехфазных сварщиков ситуация несколько иная.

В США сварщики трехфазного тока на большей части территории страны, вероятно, будут отключены от линии 220 В.Но входное напряжение переменного тока может составлять всего 208 В в Калифорнии или до 480 В в некоторых промышленных средах. Между тем, в Европе входное трехфазное переменное напряжение варьируется от 380 до 400 В. В результате требования по току для переключающих транзисторов, как правило, значительно выше для сварщиков, намеченных в США.

Учитывая высокие уровни тока и высокие частоты коммутации, упаковка становится чрезвычайно важной. Он влияет на тепловые характеристики, определяя, сколько мощности может рассеять кристалл заданного размера, а также на электрические характеристики.В частности, на потери при переключении будут влиять паразиты, связанные с упаковкой полупроводников. Следовательно, компоновка устройства становится критической из-за ее влияния на те же тепловые и электрические параметры.

Помимо тепловых и электрических соображений, выбор полупроводниковой упаковки будет играть роль в определении общего размера блока питания, надежности, технологичности и стоимости. При выборе компонентов для этапа переключения разработчики могут выбирать дискретные компоненты или модульные, многокристальные альтернативы.Последние сейчас продвигаются поставщиками полупроводников, такими как International Rectifier. Эти компании разрабатывают модульные решения не только как средство повышения эффективности поставок и технологичности, но и как строительные блоки на пути к большей функциональной интеграции.

По словам Карло М. Чиарамеллетти, менеджера по маркетингу подразделения продуктов и систем высокой мощности в International Rectifier, тенденции на североамериканских рынках сварки указывают на то, что производители сварки меняют свои конструкции с дискретных коммутационных устройств на многокристальные модули IGBT (MCM). ) несмотря на надбавку к цене на модули.При стоимости от 30 до 150 долларов за единицу, в зависимости от типа и конфигурации устройства, модули питания значительно дороже, чем дискретные устройства, которые они должны заменять. Однако такая цена оправдывается снижением затрат на производство сварочного оборудования, когда вместо отдельных устройств используются модули.

Модуль устраняет некоторые трудоемкие сборочные операции на печатной плате, включая дополнительные радиаторы, регулятор мощности и устройства безопасности, необходимые в дискретной конструкции.Чарамеллетти отмечает: «В некоторых сварочных приложениях разработчикам нужны модули на ток от 150 до 200 А. Они могут подключать дискретные устройства параллельно, но вы можете повысить эффективность с помощью модуля и кабеля». Подход MCM может устранить или, по крайней мере, облегчить необходимость в параллельном подключении переключающих устройств, позволяя при этом использовать более компактные радиаторы. Считается, что модульный подход обеспечивает более высокую надежность, чем дискретные конструкции, особенно для более низких входных напряжений.

В настоящее время International Rectifier разрабатывает матрицы для высоковольтных полевых МОП-транзисторов, IGBT и обратных диодов, которые будут включены в модули каскадов переключения в полномостовых, двойных прямых и полумостовых конфигурациях в пакете MTPA.В перечень штампов, разрабатываемых для этих модулей, входят:

• МОП-транзисторы на 500 В с R _{DS (ON)} всего 95 мОм, сконфигурированные с быстродействующим внутренним диодом или без него;
• БТИЗ WARP 600-В с номиналом 6 или 10 А _AVG ;
• БТИЗ WARP 900-В с номиналом 8 А _AVG ;
• IGBT без пробивки на 1200 В на 10 или 20 А _AVG .

Эти MOSFET и IGBT могут использоваться в комбинации с одним из двух свободно вращающихся диодов, которые также находятся в стадии разработки.Это сверхбыстрый платиновый эпитаксиальный диод с быстрым восстановлением на 600 В (FRED) и HEXFRED на 1200 В. В модулях преобразователей с полным мостом и двойным прямым преобразованием полевые МОП-транзисторы обеспечивают скорость переключения до 100 кГц.

В полумостовых модулях возможна коммутация со скоростью до 80 кГц. Кроме того, полумостовые модули позволяют параллельно подключать до двух кристаллов на транзистор. Кроме того, компания разрабатывает IGBT без пробивки на 1200 В, 50 А для применения в качестве одиночного кристалла в полумостовой конфигурации.

При разработке этих модулей International Rectifier сосредоточит внимание на оптимизации компоновки, которая основывается на извлечении паразитных параметров для прямой соединяемой меди, проводных соединений и клемм. Другим аспектом конструкции модуля является моделирование и оптимизация модуля в машине до создания реальных прототипов и описания характеристик. Эти модули по сути являются настраиваемыми, но в конечном итоге они могут быть выпущены как стандартные элементы каталога.

Объединение модулей каскадов коммутации компании с существующей линейкой входных выпрямителей создает более модульную высокочастотную конструкцию.Но в конечном итоге компания надеется еще больше повысить уровень интеграции. «Мы предлагаем интегрировать некоторые функции управления в наш модуль переключения», — говорит Сиарамеллетти. В зависимости от доступного пространства в конструкции может быть желательно также интегрировать входной выпрямитель с переключающим каскадом.

Semikron — еще одна компания, которая разрабатывает индивидуальные MCM для сварки. В упаковочных решениях этой компании кремний IGBT сочетается с тепловой защитой, а также защитой по току и напряжению.Компания Semikron недавно представила свой пакет SKIM IGBT, предназначенный для интеграции устройств с номинальным напряжением 600, 1200 и 1700 В.

Доступные конфигурации устройств включают SKIM 3, который был представлен в прошлом году, и SKIM 4 и 5, которые должны поставляться во втором квартале этого года. (См. www.semikron.com для получения технических характеристик этих модулей IGBT. Выберите «Продукты», затем «SKIM», чтобы просмотреть техническое описание.) Пакет SKIM может быть разработан с выбором керамических материалов для изолирующей подложки модуля — либо оксид алюминия или нитрид алюминия.Последний материал можно использовать, когда требуются превосходные тепловые характеристики.

Между тем, другие поставщики сосредотачиваются на разработке дискретных устройств. IXYS Corp., поставщик полупроводников, производит полевые МОП-транзисторы для использования в ИИП. Некоторые из них применяются при сварке. По словам Ральфа Лохера, менеджера по разработке приложений в IXYS, клиенты, как правило, используют дискретные устройства параллельно для обработки высоких уровней тока, а не выбирают более дорогостоящее модульное решение. «В сварке стремятся создавать меньшее оборудование», — говорит Лочер.Он считает, что дискретные устройства позволяют разрабатывать более компактные источники питания для сварки.

В своих разработках IXYS пытается снизить заряд затвора на 40% по всем направлениям на всех своих полевых МОП-транзисторах. Это повышение производительности устройства упростит разработку схем управления затвором.

Другой поставщик, Intersil, занимается сваркой, разрабатывая передовые БТИЗ, безынерционные диоды и выпрямители. Два новых IGBT, предлагаемых в сильноточном корпусе ISOTOP, рассчитаны на переключение на 100 кГц и T _J на 125 ° C с номинальным током 30 и 40 А в этих условиях.Эти транзисторы обозначены как HGT1N30N60A4D и HGT1N40N60A4D соответственно.

Такие IGBT позволят снизить потери в открытом состоянии и рассеиваемую мощность, особенно по сравнению с конструкциями на основе MOSFET. Этот момент иллюстрируется тематическим исследованием, проведенным Intersil, в котором рассматривался импульсный источник питания, построенный с использованием полевых МОП-транзисторов с размером 6 кристаллов, в сравнении с эквивалентной схемой, построенной с использованием 600-вольтных IGBT с размером 3 кристалла. Транзисторы использовались в схеме повышающего преобразователя с жестким переключением и коэффициентом заполнения проводимости 50%.Несмотря на гораздо больший кусок кремния, присутствующий в MOSFET, IGBT рассеивал на 25% меньше энергии при лишь немного большем повышении температуры перехода к корпусу. Полученные плотности мощности составили от 10 до 20 А / см ² для конструкции MOSFET по сравнению с 100 А / см ² для конструкции IGBT. (Для получения дополнительной информации посетите веб-сайт Intersil по адресу www.intersil.com/igbt/SMPS_Thermal.asp .)

Благодаря более высокому КПД IGBT может упростить тепловую конструкцию. Тем не менее, даже когда используются IGBT, тепловой расчет по-прежнему требует рассмотрения на ранних этапах процесса проектирования, отмечает Алекс Крейг, ведущий инженер по маркетингу Intersil.Крейг утверждает, что некоторые дизайнеры пытаются решить тепловые проблемы, «добавляя в приложение более крупное устройство IGBT». Этот подход может работать просто потому, что более крупный компонент более теплопроводен. Крейг объясняет, что этот метод никак не снижает тепловыделение. Лучшая конструкция терморегулятора, позволяющая использовать транзистор меньшего размера, в конечном итоге предлагает более экономичное решение.

Улучшенные восстанавливающие диоды — один из способов повышения энергоэффективности инвертора.С этой целью Intersil также разрабатывает серию диодов на 600 В с временем обратного восстановления всего 25 нс. Эти устройства, получившие название «стелс-диоды», объединены с IGBT, применяемыми в схемах PFC, например, применяемых в источниках высокочастотной сварки (снова рис. 2) . Диоды рассчитаны на лавинную энергию и обеспечивают переключение с плавным восстановлением при номинальном токе, высоких di / dt и температурах перехода до 125 ° C. Стелс-диод снижает электромагнитные помехи, позволяя в некоторых случаях исключить демпферную цепь, а также ускорять включение соответствующего IGBT.Это приводит к меньшим потерям при включении в транзисторе.

Кроме того, компания разрабатывает выходные выпрямители, которые она планирует выпустить в ближайшие месяцы. Размещенные в пакете ISOTOP компании, эти компоненты будут иметь номиналы от 200 до 300 В и до 150 А.

Улучшения в характеристиках устройства и упаковке призваны улучшить многие аспекты конструкции высокочастотных источников питания в сварочных машинах, но преимущества не ограничиваются этими приложениями. В различных приложениях SMPS, таких как системы ИБП высокой мощности и телекоммуникационные источники питания, используются аналогичные топологии инверторов.Появление более эффективных полупроводниковых компонентов и модулей меньшего размера с большей функциональной интеграцией поможет разработчикам многих импульсных источников питания удовлетворить растущий спрос на более компактные и технологичные конструкции.

Инверторные источники питания

Что нового?
В прошлом источники питания для сварки основывались на трансформаторах.Блок питания потреблял 60 Гц, 230, 460 или 575 вольт. Металлический трансформатор изменил его с относительно высокого входного напряжения на ток 60 Гц при более низком напряжении. Этот низковольтный ток затем выпрямлялся каким-то выпрямительным мостом для получения сварочного выхода постоянного тока (DC). Управление этим выходом обычно осуществлялось какими-нибудь относительно медленными магнитными усилителями.

Сварочные аппараты TIG на трансформаторе обычно тяжелые и большие. Трансформаторы относительно неэффективны, работая на частоте 50 или 60 Гц.В трансформаторе выделяется много тепла, и трансформатор должен быть относительно большим и тяжелым. Значительная часть затрат на электроэнергию идет на нагрев трансформатора и окружающего воздуха. Большинство таких источников питания для сварки весят около 400 фунтов и имеют форму 32-дюймового куба. Кроме того, если используется 60 Гц, управляющие сигналы ограничиваются выдачей не более 120 в секунду, поэтому невозможно подавать импульс сварочного тока быстрее, чем это.

В источниках питания с инверторным управлением используется такая же входящая мощность 60 Гц.Однако вместо того, чтобы напрямую подаваться на трансформатор, он сначала выпрямляется до 60 Гц постоянного тока. Затем он подается в инверторную секцию источника питания, где он включается и выключается твердотельными переключателями на частотах до 20000 Гц. Этот импульсный постоянный ток высокого напряжения и высокой частоты затем подается на главный силовой трансформатор, где он преобразуется в постоянный ток низкого напряжения 20000 Гц, пригодный для сварки. Наконец, он проходит через схему фильтрации и выпрямления. Управление выходом осуществляется полупроводниковыми элементами управления, которые модулируют скорость переключения переключающих транзисторов.

Какие преимущества предлагает эта новая конструкция с инверторным управлением? Во-первых, главный силовой трансформатор, который работает на 20 000 Гц, намного более эффективен, чем трансформаторы 60 Гц, а это значит, что он может быть намного меньше. Помните, что машины на базе трансформатора обычно весят более 400 фунтов и имеют размер 32 дюйма. На прилагаемой фотографии показана линейка инверторных источников питания Lincoln для дуговой сварки вольфрамовым электродом (GTAW). Машина в центре, V205, весит 33 фунта, имеет ширину 9 дюймов, глубину 19 дюймов и высоту 15 дюймов.Две другие машины представляют собой инверторы только постоянного тока, они еще легче и меньше. Таким образом, машины на базе инвертора имеют огромное преимущество в весе и портативности.

Еще одно преимущество инверторных блоков питания — стоимость электроэнергии. Инверторное оборудование намного эффективнее трансформаторного. Например, потребляемый ток при 205 ампер для Lincoln V205 составляет 29 ампер при однофазном питании 230 вольт. Ток, потребляемый старым трансформаторным сварочным аппаратом, обычно составляет от 50 до 60 ампер при однофазной сети 230 В при сварке на аналогичных токах.Хотя экономия затрат при переходе на инверторы часто преувеличивается, при нормальных обстоятельствах можно с уверенностью сказать, что годовая экономия электроэнергии составляет примерно 10% от закупочной цены источника питания.

Другое существенное преимущество инверторных источников питания состоит в том, что за счет столь тонкого «измельчения» входящего переменного тока мы получаем очень стабильный постоянный ток без типичных пульсаций 60 Гц. Это приводит к более гладкой и стабильной сварочной дуге на постоянном токе.

До сих пор мы обсуждали только инверторы постоянного тока.В течение нескольких лет это было все, что было доступно. Инверторов, которые питали выход переменного тока, просто не существовало. Тогда кому-то пришла в голову идея упаковать два инвертора в один корпус. Путем их работы с разной полярностью и попеременного включения и выключения генерировался псевдо-переменный ток. Некоторые инверторы все еще генерируют переменный ток таким образом. Сегодня существуют и более изощренные методы генерации переменного тока, но для целей этой статьи проще представить генерацию переменного тока двумя инверторами с противоположной полярностью.

Способность генерировать переменный ток — вот что действительно делает инвертор блестящим для сварки алюминия с использованием GTAW. Тот факт, что напряжение дуги никогда не достигает нуля, означает, что дуга переменного тока намного более стабильна, чем раньше. Большинству инверторных источников питания GTAW не требуется, чтобы высокая частота была постоянно включена для стабильности. Фактически, Lincoln V205 не имеет возможности использовать постоянную высокую частоту. Он автоматически гаснет, как только зажигается дуга. Устранение непрерывных высоких частот резко снижает количество радиочастотных помех, генерируемых источником питания.

Во-вторых, тот факт, что мы можем посылать управляющие сигналы на частоте 20 килогерц, означает, что мы можем изменять частоту выходного сигнала при сварке переменным током. Старые машины имели выход переменного тока только 60 Гц. V205 может выдавать переменный ток с частотой 20 и 150 Гц. Более высокие частоты могут быть полезны при сварке тонких материалов. По мере увеличения частоты конус дуги и сварной шов становятся более узкими, что приводит к более глубокому проплавлению.

Много лет назад было понято, что при GTAW проплавление сварного шва происходит за счет отрицательной части цикла переменного тока электрода.Во время той части цикла, когда электрод положительный, проплавление уменьшается, и в вольфрамовый электрод уходит больше тепла. Однако во время положительной части цикла электрода дуга фактически удаляет оксиды с поверхности алюминия, облегчая сварку. По этой причине, хотя большинство других материалов сваривают GTA на постоянном токе, алюминий обычно сваривают на переменном токе. Очень первые источники питания GTAW обеспечивали простой выход синусоидальной волны, в котором генерировалось равное количество положительного и отрицательного электрода.Однако это было неэффективно. Нам не нужно было столько положительного электрода, чтобы получить адекватную очистку. Более поздние источники питания позволили нам изменять соотношение отрицательного и положительного электрода. Было обнаружено, что приблизительно 65% отрицательного электрода и 35% положительного электрода обеспечивают адекватную очистку дуги и хорошее проплавление. Однако большая часть энергии дуги все еще шла на нагрев вольфрамового электрода, поэтому требовались вольфрамовые электроды большого диаметра.

Источники питания инвертора обеспечивают адекватную очистку дуги с 15% положительного электрода.Уменьшение количества положительного электрода делает процесс более эффективным, увеличивает проплавление сварного шва и снижает количество тепла, поступающего в вольфрамовый электрод, что означает, что можно использовать заостренные электроды меньшего диаметра. Это дополнительно концентрирует и сужает сварной шов.

Наконец, новые инверторные источники питания программируются программно. Это значительно упрощает изменение характеристик источника питания. На прилагаемой фотографии показан еще один блок питания Lincoln — Invertec® V350 Pro.Этот источник питания в первую очередь разработан как инверторный аппарат для газовой дуговой сварки (GMAW). Он содержит большое количество различных программ для установившегося режима, импульсного GMAW и нетрадиционных алгоритмов управления для GMAW. Большое количество импульсных программ GMAW, в которых параметры импульса оптимизированы для конкретных присадочных материалов и размеров проволоки. Однако благодаря программному обеспечению он также готов к использованию в качестве источника питания для дуговой сварки в защитном металлическом корпусе или дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде защитного газа.Его также можно перепрограммировать в полевых условиях за короткое время. Вместе со всем этим, блок питания весит 79 фунтов и может выдавать до 425 ампер.

Будущее уже здесь.

Сопротивление и ударная дуговая сварка диодов, конденсаторов, выпрямителей мощности

ОМ лежит в основе контактной сварки. Этот закон гласит: «Если напряжение остается постоянным, ток, протекающий через любую цепь, обратно пропорционален сопротивлению в этой цепи». E = IR. E = вольты, I = ток в амперах, R = сопротивление в омах.

Основным требованием для контактной сварки является выделение тепла. Формула мощности, рассеиваемой в электрической цепи: P = I²R. P = мощность в ваттах, I = ток, R = сопротивление. Ток в амперах одинаков во всех частях цепи с одним путем независимо от сопротивления от точки к точке.Однако тепло, выделяемое в точке, будет прямо пропорционально сопротивлению в этой точке.

При контактной сварке детали спроектированы так, чтобы иметь наибольшее сопротивление и, следовательно, наибольший нагрев в точке, где требуется сварка. Соединительные провода имеют очень низкое сопротивление при одинаковой силе тока. Следовательно, соединительные провода остаются относительно холодными.

В точках A и C на рисунке 1 сопротивление электрода к проводу и электрода к пробке сведено к минимуму за счет использования медно-вольфрамового материала, который обеспечивает как низкое электрическое сопротивление, так и хорошую физическую износостойкость.

В точке B на Рисунке 1 острие долота, врезанное в проволоку, обеспечивает начальную точку высокого сопротивления, которая приводит к точке наивысшего нагрева.

Тепловая энергия, генерируемая в свариваемом стыке и соединительных электродах, выражается законом Джоуля как: W = I²RT. W = тепловая энергия в ватт-секундах или джоулях, I = ток в амперах, R = сопротивление в омах, T = время приложенного тока в секундах.

Обычно значительное количество тепла рассеивается в D.C. сопротивление в трансформаторе, во всех соединительных муфтах, линиях шин к электродам, электродам и интерфейсам, а также индуктивные потери переменного тока в трансформаторе. То есть тепло выделяется и теряется во многих точках, кроме самого соединения.

С учетом эффекта потерь формула тепловой энергии принимает следующий вид: H = I²RTK. K = коэффициент тепловых потерь.

Потери в основном вызваны излучением от светильников и предметов в окружающий воздух. Поскольку эти потери нелегко контролировать, время приложения тока является важным фактором.

Поскольку тепло, выделяемое в точке, пропорционально квадрату тока, без учета потерь, удвоение тока приведет к учету тепла, выделяемого за данный период времени.Изменение выделяемого тепла может быть получено либо путем изменения текущего уровня, либо путем изменения продолжительности времени. Однако передача тепла через металл, окружающий переход, занимает ограниченное время. В результате для создания сварного шва надлежащего размера продолжительность времени не может быть меньше минимума, независимо от увеличения тока. Обычным эффектом сильного тока при недостаточной продолжительности времени является настолько быстрое выделение тепла, что на контактных поверхностях происходит горение.

Давление сварки не входит непосредственно в только что обсужденную формулу, но оно оказывает прямое влияние на сварочный ток, поскольку влияет на сопротивление на стыке двух заготовок.

Для контактной сварки доступно множество различных источников питания.Существует четыре основных категории: СОХРАНЕННЫЙ ЕМКОСТНЫЙ РАЗРЯД, СИНХРОННЫЙ ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК, ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПОСТОЯННЫЙ ТОК И СВАРКА ЧИСТЫМ ПОСТОЯННЫМ током.

Типичный пример показан на блок-схеме на рисунке 2. Он состоит из силовой цепи, способной переключать обе половины сетевого напряжения переменного тока (фиг. 2A), цепи обнаружения нулевого напряжения для синхронизации переключения силовой цепи, схема синхронизации для включения силовой цепи на желаемое время сварки и сварочный трансформатор для преобразования высокого напряжения при низком токе в низкое напряжение (обычно от 2 до 6 вольт) при высоком токе.

Выход синхронного источника питания переменного тока обычно регулируется тремя способами, как показано на Рисунке 3 (ниже):

1. Настройка нагрева — Управляет процентным соотношением линейного напряжения каждого полупериода, приложенного к сварочному трансформатору, относительно точки пересечения нуля переменного напряжения. (Рисунок 3A)
2. Half or Full Cycle — Настраивает источник питания для подачи последовательных полупериодов линейного тока одинаковой или переменной полярности. Полный цикл обеспечивает, по крайней мере, один полный цикл линейного тока.(Рисунки 3B и 3C)
3. Number of Cycles — Устанавливает количество циклов линейного тока, подаваемого при каждом запуске сварочного аппарата. (Рисунок 3D)

Элементы управления для этого источника питания сварочного шва:

1. Приложенное напряжение — Регулировка напряжения, хранящегося в конденсаторах.
2. Amount of Capacitance — Регулировка количества конденсаторов.
3. Weld Current — Регулировка отводов сварочного трансформатора для изменения напряжения на вторичной обмотке.

Окисленный дюмет состоит из никелевого железа, плакированного медью, который проходит процесс нагрева, в результате которого на поверхности плакированной медью образуется оксид меди. Этот затвор обычно используется в приложениях, в которых в процессе уплотнения используется определенная форма контролируемой атмосферы.

В борированном дюмете также используется окисленное никелевое железо, плакированное медью. Однако после окисления дюмет подвергают термообработке раствором буры с образованием поверхности тетрабората натрия, которая облегчает герметизацию стекла в процессах пламенного типа.

CCFE (стальная проволока, плакированная медью) бывает различных размеров и имеет проводимость от 20% до 88%. Электропроводность чистой меди считается 100%.

Чтобы изготовить приварной пуансон к сборке CCFE, как показано на рисунке 6, необходимо сначала отрезать пуансон до нужной длины.Этот разрез, сделанный правильно, требует, чтобы на обоих концах отрезанной заготовки не было заусенцев и чтобы пятно меди проходило примерно по 75% поверхности, противоположной сварному шву, как показано на Рисунке 8A, и чтобы поверхность уплотнения оправки на нем не должно быть царапин или следов, которые могут повлиять на уплотнение стекло-металл. Затем проволоку из CCFE обрезают до нужной длины, образуя острие в виде долота, как показано на Рисунке 8B. Это острие долота срезается под разными углами, обычно <30%, чтобы обеспечить относительно высокое сопротивление сварного соединения.

Заглушка думета и проволока CCFE сводятся вместе под давлением, и сварочный ток подается через набор зажимных губок на проволоке из CCFE и через электрод, который контактирует с заготовкой dumet на стороне, противоположной сварному шву, как показано на Рис. 1. Когда ток проходит через детали, относительно высокое сопротивление интерфейса CCFE / Dumet вызывает быстрое нагревание соединения, поскольку сварочное давление заставляет две детали соединяться, сваривая два металла.Фактический процесс сварки швов DO 41 и DO 35 занимает от 3 до 8 миллисекунд, в зависимости от материала, проводимости и размера проволоки.

Сварка сопротивлением не дает дуги, которая могла бы вызвать быстрое окисление порошкообразной металлической заготовки тантала. Это также сводит к минимуму воздействие кислорода и азота, которые могут вызвать образование оксидов и нитридов в сварном стыке и в области, окружающей сварной шов. Обращение, правка и резка тантала требует осторожности, чтобы избежать прилипания смазочных масел, которые могут повредить готовый конденсатор.

Тантал чрезвычайно абразивен. Для этого требуется, чтобы резка производилась инструментами из карбида вольфрама, а матрицы в ротационном выпрямляющем аппарате были изготовлены из керамики или нейлона для предотвращения преждевременного износа.Поскольку тантал очень абразивен, танталовая пыль, которая накапливается на сварочных аппаратах, должна удаляться ежедневной очисткой, чтобы предотвратить чрезмерный износ движущихся частей.

Возникновение дуги, время дуги и сварочное воздействие контролируются и синхронизируются автоматически. Источник питания сварочного шва обычно емкостного типа. Сварочное воздействие (сила ковки) прикладывается электромагнитными устройствами, электромеханическими устройствами, кулачковым прямым приводом, пружинами или силой тяжести.

Вырабатываемое тепло интенсивное, но очень короткое по времени и локализовано близко к стыку.Он позволяет выполнять ударную сварку небольшого компонента с более крупным, а также разнородных металлов, которые значительно различаются по удельному электрическому сопротивлению и температуре плавления. Удельное электрическое сопротивление свариваемых деталей не оказывает заметного влияния на количество тепла, выделяемого на стыке. Дуга обеспечивает тепло для сварки металлов.

Зажим, губки или патрон сварочной головки не обязательно должны быть хорошим проводником электричества, как при контактной сварке, поскольку величина пропускаемого тока сравнительно мала, а продолжительность протекания тока чрезвычайно мала.Материал зажима заготовки обычно выбирается в первую очередь по прочности и износостойкости. Обычно используется закаленная сталь.

Ударные сварные швы можно выполнять на расстоянии нескольких тысячных дюйма от стеклянных уплотнений или других термочувствительных материалов без повреждения этих материалов, поскольку общее выделяемое тепло невелико и может быть локализовано. Ударная сварка может быть массивной или тонкой металлической, как в емкости с катодом конденсатора, многопроволочной или сплошной проволокой. Плоские заготовки любой формы можно приваривать к сопрягаемым плоским поверхностям с помощью дугового наконечника.

Ударная сварка конденсаторным разрядом может использоваться для стыковой сварки проволок одинакового или очень разных диаметров. Для некоторых металлов диаметр проволоки может составлять всего 0,005 дюйма.

Термически обработанные, холодно обработанные или предварительно обработанные металлы не подвержены воздействию тепла ударной сварки, поскольку зона термического влияния очень мала, обычно всего несколько тысячных долей дюйма.

Очистка не критична для производства прочных ударных сварных швов, потому что по крайней мере тонкий слой металла плавится с каждой детали и удаляется из стыка.

Практически любую пару одинаковых или непохожих металлов или сплавов можно соединить ударной сваркой. Заготовки самого разного состава, температуры плавления, электропроводности и теплопроводности можно легко сварить вместе.

Легко свариваемые металлы включают медные сплавы, алюминиевые сплавы, никелевые сплавы, низкоуглеродистые стали
, среднеуглеродистые и нержавеющие стали.Также были сварены различные комбинации этих сплавов.

Медь можно приваривать к молибдену ударной сваркой. Хотя настоящие сварные швы между этими двумя металлами в одно время считались невозможными из-за взаимной нерастворимости, испытания показали проникновение меди в молибден на 0,0004 дюйма в месте соединения сварного шва.

Низковольтные конденсаторы с высокой емкостью обычно используются в источниках питания для ударной сварки конденсаторным разрядом. Конденсатор заряжается постоянным током от выпрямителя или генератора, а энергия сварки сохраняется на уровне от 50 до 300 В постоянного тока, а затем разряжается для сварки.

Относительно низкое напряжение делает этот тип источника питания подходящим для использования со стационарными сварочными головками, поскольку оператор не подвергается воздействию слишком высокого напряжения.

Высоковольтные конденсаторы с малой емкостью также используются для питания конденсаторной ударной сварки.Электрически они работают так же, как и низковольтные конденсаторы, но сохраняют энергию сварки от 1000 до 6000 В постоянного тока.

могут производить более равномерный разряд дуги, и использование источника питания
этого типа является одним из способов избежать необходимости в наконечнике для зажигания дуги. Высокое напряжение дает больше свободы в управлении рабочими параметрами сварочного процесса. Однако обеспечить защиту оператора от напряжений, которые часто превышают 1000 вольт, сложнее и дороже.

Типовая схема сварки емкостным разрядом показана на Рисунке 4 (ниже).

Факторы, влияющие на время дуги, включают обрабатываемый металл или комбинацию рабочих металлов, массу движущейся заготовки и движущихся частей станка, размеры наконечника, сварочное напряжение и ток, сварочное усилие и синхронизацию зажигания дуги с приложением сварочного усилия. .

Наименьшее время дуги, которое позволяет сформировать прочную металлургическую связь с некоторым проникновением в заготовку, обычно используется для минимизации теплового воздействия на прилегающие области заготовок. Типичное время дуги при ударной сварке составляет от 0,5 до 1,5 миллисекунд.

Из-за короткого времени дуги зона термического влияния очень мала. Для сварки конденсаторным разрядом оно часто составляет всего от 0,0015 до 0,005 дюйма. В ударных сварных швах между металлами, которые имеют сильно различающиеся температуры плавления, зона термического влияния может составлять всего несколько миллионных долей дюйма в металле с более высокой температурой плавления и.От 015 до 0,025 дюйма в металле с более низкой температурой плавления.

Количество энергии, используемой для выполнения ударного сварного шва, зависит от площади поперечного сечения соединения, свойств обрабатываемого металла или металлов и глубины, на которую металл расплавляется в обрабатываемых деталях.

Сварочный ток или характер дугового разряда при ударной сварке зависит от области применения и обычно не измеряется. Однако пики тока в 400 ампер эквивалентны почти 1/2 миллиона ампер на квадратный дюйм на проводе диаметром 0,032 дюйма.

Полярность не имеет значения при выполнении ударных сварных швов между деталями, изготовленными из одного и того же материала и имеющими одинаковую площадь поперечного сечения, но может существенно повлиять на сварку разнородных металлов или материалов с разной площадью поперечного сечения.При сварке металлов с разной температурой плавления металлу, имеющему наивысшую точку плавления или наибольшую площадь поперечного сечения, обычно придается ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ полярность.

Выбор полярности имеет особое значение при ударной сварке разнородных металлов, которые сильно различаются по температуре плавления, и используется для минимизации глубины зон термического влияния в металле с более низкой температурой плавления.

Разница температур двух заготовок относительно полярности объясняется эффектом электронной бомбардировки анода во время дугового разряда.Эта электронная бомбардировка анода вызывает сильное нагревание анода до температуры примерно 3600 ° Кельвина (3326 ° по Цельсию). Хотя температура катода намного ниже этой, он все равно будет достаточно горячим, чтобы расплавить большинство металлов.

Для получения хороших сварных швов усилие сварки необходимо регулировать эмпирически, пока не будет достигнуто надлежащее качество сварки.Сварочное усилие может создаваться электромагнитом, силой тяжести, кулачковым прямым приводом или пружиной, в зависимости от типа сварочного аппарата и соединяемых деталей.

При пуске под высоким напряжением дуга запускается путем приложения к деталям напряжения постоянного тока, которое достаточно велико, чтобы преодолеть сопротивление воздуха в зазоре между деталями, когда одна деталь движется по направлению к другой. Воздух ионизируется, и начинается подача сварочного тока.

В методе RF-START процесс заключается в наложении высокочастотного переменного тока высокого напряжения на постоянный ток низкого напряжения через зазор между деталями. Высокочастотное поле ионизирует воздух в зазоре, вызывая дугу, а постоянный ток низкого напряжения от конденсаторов поддерживает его. Этот метод зажигания дуги используется в некоторых ударных сварочных аппаратах с низковольтным конденсаторным разрядом. Это избавляет от необходимости готовить перо на одной из заготовок

В третьем методе STARTER NIB подготавливается, как показано на Рисунке 5A, на одной из заготовок путем резки ее под углом или в форме острия долота.Постоянный ток низкого напряжения, подаваемый конденсаторами, когда две детали соединяются, создает достаточно тепла, чтобы расплавить перо, которое нагревается так быстро, что происходит взрыв расплавленных частиц. Этот взрыв способствует дальнейшему образованию электрической дуги, которая затем постепенно распространяется по стыку.

Эти четыре параметра взаимодействуют для определения продолжительности дуги и синхронизации дугового разряда. Быстрое сближение деталей вызывает дуговую разрядку.

Обычно условия регулируются таким образом, чтобы получить наименьшее время дуги, что позволяет стабильно производить сварные швы с желаемыми свойствами. Если детали соединяются слишком рано, дуга гаснет до того, как рабочая поверхность обеих деталей расплавится.Если удар откладывается слишком долго после зажигания дуги, расплавленные поверхности раздела могут затвердеть, не допуская вытеснения оксидов и избыточного расплавленного металла.

Как показано в правом верхнем углу рисунка 5, пиковый сварочный ток достигается почти сразу при зажигании дуги (точка A). Затем ток быстро спадает во время дугового разряда (точка B). Ток увеличивается до вторичного пика при контакте с деталями (точка C) из-за внезапного падения электрического сопротивления, а затем снижается до нуля в течение дополнительных 3-5 миллисекунд.

Как показано в правом нижнем углу рисунка 5, напряжение на сварном шве очень быстро снижается (точка A) до доли своего начального значения разомкнутой цепи, когда дуга возникает при близком приближении движущейся детали к неподвижной детали. кусок. Затем напряжение уменьшается менее быстро (точка B) по мере продолжения дугового разряда. Дуга гаснет при контакте деталей (точка C). После типичного времени дуги 0,25 и 1,15 миллисекунды напряжение почти мгновенно падает почти до нуля.

Для запуска подачи сварочного тока можно использовать любой из трех методов пуска, упомянутых в разделе «Пуск дуги». Однако наиболее распространены методы NIB и RF START. Из-за низкой температуры плавления циркония и меди по сравнению с точкой плавления молибдена, когда происходит этот сварной шов, из сварного соединения вытесняется довольно большое количество циркониевой меди.

Эти брызги сварочного шва могут вызвать проблемы. Проблемы заключаются в избытке меди на поверхности молибденовой заготовки и загрязнении рабочей зоны и станка, что может помешать последовательной сварке последовательности деталей.

Одно из решений — сваривать в масляной ванне, чтобы затвердеть и унести горячие частицы меди, как только они покинут зону сварки. Эта масляная ванна также поможет контролировать процесс сварки за счет создания атмосферы с пониженным содержанием кислорода во время сварки.

Когда масло используется для сдерживания брызг сварного шва, NIB START является наиболее приемлемым средством начала сварки.Метод RF START неприемлем для использования с маслом, поскольку диэлектрическая прочность масла влияет на синхронизацию высокочастотного разряда и препятствует равномерной сварке деталей.

Энергия, необходимая для сварки, накапливается в электролитических конденсаторах, которые заряжаются регулируемым источником постоянного тока через токоограничивающий резистор до заданного напряжения.Затем заряженные конденсаторы переключаются на первичную обмотку сварочного трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора соединяется с деталями, на которых сварка завершена.

Процесс контактной сварки хорошо подходит для этого типа сварки, поскольку тантал при нагревании очень реактивен по отношению к кислороду и другим газам и может фактически воспламениться от электрической дуги. Сварка сопротивлением не дает дуги, которая могла бы вызвать быстрое окисление порошкообразной металлической заготовки тантала. Это также сводит к минимуму воздействие кислорода и азота
, которые могут вызвать образование оксидов и нитридов в сварном стыке и в области, окружающей сварной шов.

С танталовыми анодами обращаются очень осторожно, чтобы предотвратить физическое повреждение и загрязнение маслами. Они подаются из чаши вибропитателя через питающую дорожку из нержавеющей стали в инжекторы из закаленной стали и устройства подачи штифтов к сварочным клещам из вольфрамовой меди. Подъемная танталовая проволока подается с катушки на вращающийся выпрямитель. Нейлон используется в штампах выпрямителя из-за очень абразивной природы тантала. После правки проволоку отмеряют и подают в нож из карбида вольфрама, а затем вырезают, режут и помещают в сварочные губки из вольфрамовой меди.Поскольку тантал очень абразивен, пыль, которая скапливается на сварочных аппаратах, должна удаляться путем ежедневной очистки, чтобы предотвратить чрезмерный износ движущихся частей.

После установки в приварные губки обе детали сводятся вместе, и давление прикладывается предварительно нагруженными пружинными плунжерами. Конденсаторы подключаются к первичной обмотке сварочного трансформатора, и затем через две заготовки пропускается большой ток, создавая сварной шов. Ток и время сварки варьируются в зависимости от диаметра проволоки и плотности анода, но типичный пиковый ток будет составлять примерно 173 А в течение прибл.005
секунды (5 мс). Высокий ток в течение этого короткого времени вызывает очень интенсивный нагрев границы раздела двух заготовок с относительно высоким сопротивлением. Это вызывает быстрое образование ванны расплава тантала, которая превращается в локализованный сварной узел. Сварочный аппарат имеет переключаемые батареи конденсаторов с полностью регулируемым источником питания постоянного тока, который позволяет точно регулировать энергию сварки.

Большинство наших работ выполнялось с цилиндрическими анодными таблетками, но у нас также есть опыт работы с прямоугольными анодами.Диапазон размеров цилиндрических деталей составляет от 0,8 до 3,5 мм и длиной от 1,95 до 7,4 мм. Типичные прямоугольные детали составляют 2,30 мм x 4,00 мм x 0,75 мм. Диаметр проволоки составляет от 0,3 мм до 0,4 мм при длине 12,7 мм.
Анодные гранулы меньшего размера можно сваривать с изменением инструментов и регулировкой источника питания сварочного аппарата. Плотность порошка этих анодных таблеток варьируется, но при сварке проблем не возникает, если они достаточно долговечны, чтобы выдерживать подачу вибрационной чаши
и последующий зажим сварочных губок без повреждений.CIT проверит плотность гранул до принятия любого заказа на сварочное оборудование. Обратите внимание: вся сварка, которую мы делали до этого времени, была выполнена на анодах, которые были ФОРМОВАНЫ и СПЕЧЕНЫ ОДИН РАЗ перед сваркой. После сварки готового анодного узла с райзером он проходит ВТОРОЙ СПЕЧЕНИЕ. Если у вас есть вопросы или вам нужна дополнительная информация, свяжитесь с нами.

Этот сварной шов, показанный на Рисунке 7, обычно используется при изготовлении танталовых конденсаторов для соединения никелевого выводного провода с танталовым анодным стояком.Можно использовать контактную сварку, поскольку тантал и никель обеспечивают относительно высокое сопротивление на границе раздела деталей. Однако короткий анодный стояк и покрытие из пятиокиси тантала, которое находится на поверхности стояка, диктуют необходимость выполнения сварного шва внахлест, а не стыкового шва.

Использование ударной сварки для приваривания райзера к никелево-выводной проволоке позволяет автоматически подавать незакрепленные аноды через вибрационный питатель с чашей в автоматический сварочный аппарат. Относительно высокие напряжения и низкие токи, типичные для ударной сварки, позволяют сварочным клещам, захватывающим короткий анодный стояк, быть небольшими по размеру и изготавливаться из материала с длительным сроком службы, такого как вольфрам или инструментальная сталь.Высокое напряжение ударного сварного шва легко преодолевает изолирующие свойства пятиокиси тантала, покрывающей райзер, и сводит к минимуму эффекты несколько более высокого сопротивления на границе раздела зажима губки и райзера.

Мазок

Медная оболочка, которую протягивают через обрезанный конец оправки во время разрезания заготовки (см. Рисунок 10A ниже).

Сварной узел

Угловой шов вокруг границы раздела между проволокой и заготовкой (Рисунок 10B).

Топор Сварка

Неполный сварной шов между заготовкой и хвостовой проволокой, по-видимому, разрезанный топором (Рисунок 10C).

Обрыв / отсечка (BO / CO)

Два эффекта разрезания пули думета. Облом — это неразрезанная часть пули. Обрезка гладкая.

Наклон

Степень наклона пули к проволоке.

Заусенец

Деформированный металл на каждом конце отрезанной заготовки, вызванный износом режущего инструмента.

Tir (Общее указанное биение)

Мера концентричности между проволокой и заготовкой, как показано

Перо стартера

Небольшая острие, нарезанное на одной заготовке, которая пригорает от начального сварочного тока и используется для зажигания сварочной дуги.

Сварка сопротивлением

Преимущества

Этот метод позволяет выполнять очень маленькие и прочные сварные швы из аналогичного металла, такого как CCFE, на думет. Скорость сварки более 500 PPM.

На заготовках большого диаметра можно использовать несколько циклов линии переменного тока для более медленного нагрева.

Низкое сварочное напряжение:
1,56 В переменного или постоянного тока.

Недостатки

Заготовки должны быть подготовлены с относительно высоким сопротивлением в точке сварного соединения.

Сварочные токи высокие, поэтому требуются очень плотные сварочные клещи с низким сопротивлением, которые изнашиваются быстрее из-за давления материала и нагрева.

Ударная дуга и высокочастотная ударная сварка

Преимущества

Сварка разнородных металлов, меди со сталью.

Эти сварочные аппараты обычно имеют длительный срок службы сварочных клещей из-за очень короткого относительно слабого сварочного импульса.

Сварка металлов с высокой температурой плавления, таких как вольфрам, молибден.

Недостатки

Сварка обычно более грязная и менее гладкая, чем сварка сопротивлением.

При сварке ударной дугой с пусковым наконечником необходимо нарезать пусковой наконечник на заготовки.

При сварке ударной дугой с запуском «RF» детали должны быть очищены от масла или грязи.

Сварочное напряжение высокое: от 50 до 300 В постоянного тока.

Вы можете узнать больше Диаграмма ниже

Основы эксплуатации, мониторинга и обслуживания выпрямителя

Устойчивость, кажется, является последней модной фразой, а катодная защита (CP) является важным компонентом устойчивости многих металлических конструкций.Что может быть лучше для сохранения и обслуживания инфраструктуры, чем уменьшение коррозии? Некоторые системы CP состоят из расходуемых анодов, которые подвержены естественной коррозии для защиты менее активных металлов, таких как сталь. Другим нужны источники питания, чтобы направлять защитный ток в нужном направлении. Наиболее распространенными источниками напряжения подаваемого тока являются выпрямители, которые могут выйти из строя. Выпрямители в хорошем состоянии могут обеспечить бесперебойную работу системы CP, что снижает затраты на ремонт и сокращает время труда / времени техников. В этой статье обсуждаются основы эксплуатации и обслуживания выпрямителя вместе с основными рекомендациями.

Устойчивость — это способность терпеть. Основная цель любой системы катодной защиты (CP) — смягчение коррозии. Сохранение трубы или другой металлической конструкции за счет предотвращения коррозионного повреждения позволяет ей выдержать нагрузку. Следовательно, уменьшение коррозии ведет к устойчивости.

CP чаще всего достигается с помощью гальванической (протекторной) системы или системы подаваемого тока. Гальваническая система CP состоит из расходуемых анодов, обычно сделанных из активных металлов (алюминия, магния или цинка), которые подвержены коррозии, чтобы обеспечить защитные токи для менее активного металла, такого как трубопроводная сталь.Система CP наложенного тока (ICCP) использует внешнее питание в виде выпрямителя или другого источника напряжения, который приводит в действие аноды с подаваемым током (например, чугун, графит и смешанный оксид металлов) для коррозии, чтобы распределять защитный ток по конструкции. (катод).

Выпрямитель — это электрическое устройство, преобразующее переменный ток (AC), который периодически меняет направление, в постоянный ток (DC), который течет только в одном направлении. Обязательно, чтобы выпрямитель оставался в состоянии постоянной работы.Поскольку выпрямитель — это электрическое устройство, он уязвим для скачков напряжения. Удар молнии поблизости может вызвать срабатывание автоматического выключателя или короткое замыкание диода. Поэтому регулярные осмотры и мониторинг необходимы для поддержания исправного функционирования выпрямителя с длительным сроком службы.

Безопасность — самый важный аспект всех проверок. Целью любой задачи, связанной с работой выпрямителя, является безопасное выполнение работы, в том числе использование надлежащих средств защиты.

Операция

Выпрямитель состоит из трех основных компонентов: трансформатора, блока и шкафа.Назначение трансформатора — безопасно отделить входящее переменное напряжение (первичная сторона) от вторичной стороны, которое регулируется для управления выходным напряжением выпрямителя. Как правило, эти регулировки выполняются с ответвителями, подключенными к вторичной обмотке с интервалами, которые предлагают несколько вариантов настройки. Пакет является фактическим выпрямителем и состоит из набора кремниевых диодов или селеновых пластин, которые функционируют как однонаправленные токовые клапаны. Диоды или пластины сконфигурированы так, что переменный ток периодически течет в одном направлении и блокируется в другом, в результате чего оба направления волны переменного тока текут в одном и том же направлении.В шкафу с тестовой панелью надежно размещены эти компоненты, что позволяет осуществлять мониторинг и другие расширенные операции.

Дополнительные элементы, которые можно найти в типичном выпрямителе, включают автоматический выключатель, измерители выходного напряжения и тока, грозовые разрядники, ограничители перенапряжения, ответвительные шины трансформатора и предохранители.

В таблице 1 перечислены общие правила, которые можно и нельзя делать с выпрямителями. ¹ Эта информация помогает обеспечить безопасность персонала и надежную, длительную работу выпрямителя.

Мониторинг

Регулярный контроль рекомендуется для всех выпрямительных установок. Основная цель контроля — убедиться, что выпрямитель все еще работает и что скачок напряжения не сработал в выключателе. Некоторые объекты требуют определенных проверок через определенные промежутки времени. Например, операторы трубопроводов природного газа и нефтепродуктов должны проверять свои выпрямители шесть раз в год с интервалами, не превышающими 21 месяц. Кроме того, политика компании может предписывать еще более строгие интервалы проверки.

Мониторинг обычно включает визуальный осмотр и электрические испытания. Визуальный осмотр может включать поиск физических повреждений установки / шкафа / компонентов, признаков перегрева и признаков гнезд насекомых / грызунов, наряду с записью особенностей выпрямительного блока и показаний счетчика / настроек крана. Тестирование часто включает ручные измерения выходного напряжения и тока выпрямителя для проверки точности счетчика и потенциалов структуры к электролиту.Также доступно оборудование для удаленного контроля выпрямителей, к которым трудно получить доступ; однако эти устройства лучше всего использовать в качестве дополнения к мониторингу на месте, а не вместо него.

Перед проведением визуального осмотра и тестирования важно надеть соответствующие средства индивидуальной защиты (СИЗ). Следует использовать как минимум защитные очки, кожаную рабочую обувь (при необходимости с водонепроницаемым покрытием) и кожаные или резиновые перчатки. В политике компании могут быть указаны дополнительные требования к СИЗ.

При первом приближении к выпрямителю помните о его окружении, например о неровностях почвы, ядовитых растениях или стоячей воде. Используйте все органы чувств для обнаружения признаков неисправности, включая визуальные (например, обжигание) и звуковые (например, треск). Проверьте шкаф на наличие переменного тока с помощью одобренного детектора переменного тока. Старомодный способ определить, наэлектризован ли шкаф (или горячий), заключался в том, чтобы почистить его тыльной стороной руки. С появлением детектора переменного тока в этом больше нет необходимости и необходимости.Постучите по шкафу, чтобы уведомить всех жителей (ос, мышей, пауков и даже змей) о том, что вы входите. Обязательно имейте под рукой спрей от насекомых.

Техническое обслуживание

Основными причинами выхода из строя выпрямителя являются небрежное обращение, возраст и молнии. Перед выполнением любых действий по устранению неисправностей неработающего выпрямителя обязательно выключите его как автоматическим выключателем, так и отключением панели. Наиболее частые проблемы выпрямителя включают неисправные счетчики, ослабленные клеммы, перегоревшие предохранители, открытую конструкцию / заземляющие провода и повреждение молнии (даже при наличии молниеотводов).Целью поиска и устранения неисправностей является систематическая изоляция компонентов выпрямителя до тех пор, пока не будет обнаружена неисправная деталь, и рекомендуется следовать рекомендациям производителя выпрямителя по обслуживанию и устранению неисправностей.

Протестируйте выключатель, трансформатор, блок выпрямителя, счетчики, предохранители, дроссель, конденсаторы и грозовые разрядники по отдельности. Следите за ненадежными соединениями, признаками искрения и странным запахом. Могут потребоваться дополнительные испытания для проверки целостности конструкции и заземляющих выводных проводов.

Таблица 2 содержит схему поиска и устранения неисправностей ² , предназначенную для быстрой диагностики проблем выпрямителя.

Общие сценарии и уловки торговли

Часто встречается выпрямитель с выходом по напряжению и без токового выхода. Поскольку выходное напряжение говорит о том, что цепи выпрямления не повреждены, один или оба выходных кабеля могут быть повреждены или заземление анода может быть полностью истощено. Чтобы начать поиск и устранение неисправностей, определите подходящее временное электрически изолированное заземление, такое как водопропускная труба, забор, анкер с растяжкой опоры электропередач или уличный знак.Выключите выпрямитель, затем отсоедините подводящий провод конструкции и подключите временное заземление к отрицательному выводу. Установите ответвительные планки на одно из самых низких значений и включите выпрямитель. Если выпрямитель теперь выдает и вольты, и амперы, значит, подводящий провод конструкции поврежден. Если по-прежнему нет усилителей, выключите выпрямитель, верните провод структурного вывода к отрицательному выводу, отсоедините провод анодного вывода и подключите временное заземление к положительному выводу. Включите выпрямитель.Если выпрямитель теперь выдает и вольт, и ампер, значит, провод анода оборван или существующее заземление истощено. Если по-прежнему нет усилителей, то требуется дополнительное тестирование для оценки эффективности конструкции и анодных выводных проводов, чтобы определить, связана ли проблема с обоими проводами.

Другой распространенный случай — найти выпрямитель с перегоревшим предохранителем. Это может быть результатом скачка напряжения и просто требует установки нового предохранителя. Однако предохранители выпрямителя могут быть довольно дорогими.Временная установка автоматического выключателя через зажимы предохранителей позволяет проверить работу выпрямителя без использования нескольких предохранителей. Для этого испытания можно использовать типичный домашний автоматический выключатель подходящего размера для применения. Просто прикрепите провода измерительных выводов к каждому концу автоматического выключателя и прикрепите провода к каждому из имеющихся монтажных зажимов предохранителя. Убедитесь, что автоматический выключатель и подводящие провода не соприкасаются с шкафом выпрямителя или любым другим металлическим предметом.Включите выпрямитель. Если прерыватель не срабатывает, просто замените предохранитель. Если автоматический выключатель срабатывает, значит, существуют другие проблемы, и необходимо выполнить дополнительное устранение неисправностей.

Иногда выпрямитель можно встретить с сработавшим автоматическим выключателем. Это может быть результатом скачка напряжения и просто требует сброса автоматического выключателя. Однако скачки напряжения нежелательны, так как выпрямитель может оставаться выключенным в течение длительного времени. Обязательно проверьте эффективность электрического заземления выпрямителя и следуйте рекомендациям Национального электротехнического кодекса (NEC).При необходимости установите дополнительное заземление. Кроме того, существуют ограничители перенапряжения, которые могут быть установлены для уменьшения скачков напряжения. Обязательно следуйте рекомендациям производителя по размеру.

Уход за выпрямителем также очень важен для предотвращения постройки гнезд насекомыми, грызунами и другими животными. Гнезда насекомых и грызунов могут быть опасны внутри шкафа выпрямителя. Укусы насекомых или даже змеи определенно нежелательны. Однако сами гнезда тоже могут вызвать проблемы.Помимо возможной опасности возгорания, гнездо может препятствовать прохождению воздушного потока через шкаф выпрямителя и приводить к перегреву (и, в конечном итоге, выходу из строя) компонентов. Следите за тем, чтобы насекомые и грызуны не попадали в выпрямитель. Некоторые из способов удержать вредителей — это закрыть все проникновения внутрь шкафа, кроме тех, которые предназначены для вентиляции, или использовать химические пестициды, чтобы уменьшить их интерес к проникновению внутрь. Для герметизации проходов и каналов используйте уплотнение воздуховода или вязкое вещество. эластичный аморфный аполярный полиолефин (например,g., VISCOTAQ ^† ) можно использовать для закрытия любых проемов шкафа. Простой и эффективный химический пестицид, который идеально подходит для использования в выпрямителе, — это маленькая открытая чашка с нафталиновыми шариками. Их легко приобрести, и они очень хорошо работают.

Сводка

Ключом к устойчивости конструкций является эффективное CP как средство контроля / смягчения коррозии. Выпрямители — отличные инструменты, которые помогают обеспечить эффективный ICCP. Они требуют планового контроля и, порой, мелкого ремонта.Мониторинг и обслуживание выпрямителя необходимы, но их можно выполнять безопасно, что помогает обеспечить надежную и долгосрочную работу выпрямителя.

Благодарности

Автор благодарит за поддержку Integrated Rectifier Technologies, Inc., 15360–116 Ave., Эдмонтон, AB, Канада, T5M 3Z6; Universal Rectifiers, Inc., 1631 Cottonwood School Rd., Rosenberg, TX 77471; ERICO International, 34600 Solon Rd., Solon, OH 44139; Amcorr Products & Services, 8000 IH 10 W. # 600, Сан-Антонио, Техас 78230; Тим Дженкинс; и Дон Олсон.

1 «Общие правила использования выпрямителей», Integrated Rectifier Technologies, Inc., http://irtrectifier.com/technical-info/rectifier-safety/ (15 июля 2013 г.).

2 «Устранение неисправностей выпрямителя», Universal Rectifiers, Inc., http://www.universalrectifiers.com/PDF%20Files/Troubleshooting.pdf (15 июля 2013 г.).

Эта статья основана на документе CORROSION 2015 No. 5667, представленный в Далласе, штат Техас.

^† Торговое наименование.