Оценка затрат энергии при механизированной дуговой сварке плавящимся электродом

Розглядається ряд проблем, пов'язаних з рішенням завдань енергозбереження при механізованих дугових процесах зварки і наплавлення. Пропонується як енергозберігаючі технології використовувати імпульсні процеси з певними характеристиками, направлені на отримання керованого перенесення електродног...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2007
1. Verfasser:	Лебедев, В.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2007
Schriftenreihe:	Електротехніка і електромеханіка
Schlagworte:	Електричні машини та апарати
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142939
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Оценка затрат энергии при механизированной дуговой сварке плавящимся электродом / В.А. Лебедев // Електротехніка і електромеханіка. — 2007. — № 6. — С. 48-51. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-142939
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1429392018-10-20T01:23:27Z Оценка затрат энергии при механизированной дуговой сварке плавящимся электродом Лебедев, В.А. Електричні машини та апарати Розглядається ряд проблем, пов'язаних з рішенням завдань енергозбереження при механізованих дугових процесах зварки і наплавлення. Пропонується як енергозберігаючі технології використовувати імпульсні процеси з певними характеристиками, направлені на отримання керованого перенесення електродного металу. Показано, що при керованому перенесенні електродного металу з певними параметрами може бути витрачено електрики на 20.30% менше, ніж при звичайних процесах. Рассматривается ряд проблем, связанных с решением задач энергосбережения при механизированных дуговых процессах сварки и наплавки. Предлагается в качестве энергосберегающих технологий использовать импульсные процессы с определёнными характеристиками, направленные на получение управляемого переноса электродного металла. Показано, что при управляемом переносе электродного металла с определёнными параметрами может быть затрачено электричества на 20…30% меньше, чем при обычных процессах. The paper considers a number of questions concerning solving energy-saving problems at mechanized arc welding and deposition. As energy-saving technologies, pulsed processes with specific characteristics are advised to utilize aiming at obtaining controlled transfer of electrode metal. It is shown that at controlled transfer of electrode metal with specific parameters, electricity consumption can be 20…30 % as little as that at conventional processes. 2007 Article Оценка затрат энергии при механизированной дуговой сварке плавящимся электродом / В.А. Лебедев // Електротехніка і електромеханіка. — 2007. — № 6. — С. 48-51. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 2074-272X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142939 621.791 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати
spellingShingle	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати Лебедев, В.А. Оценка затрат энергии при механизированной дуговой сварке плавящимся электродом Електротехніка і електромеханіка
description	Розглядається ряд проблем, пов'язаних з рішенням завдань енергозбереження при механізованих дугових процесах зварки і наплавлення. Пропонується як енергозберігаючі технології використовувати імпульсні процеси з певними характеристиками, направлені на отримання керованого перенесення електродного металу. Показано, що при керованому перенесенні електродного металу з певними параметрами може бути витрачено електрики на 20.30% менше, ніж при звичайних процесах.
format	Article
author	Лебедев, В.А.
author_facet	Лебедев, В.А.
author_sort	Лебедев, В.А.
title	Оценка затрат энергии при механизированной дуговой сварке плавящимся электродом
title_short	Оценка затрат энергии при механизированной дуговой сварке плавящимся электродом
title_full	Оценка затрат энергии при механизированной дуговой сварке плавящимся электродом
title_fullStr	Оценка затрат энергии при механизированной дуговой сварке плавящимся электродом
title_full_unstemmed	Оценка затрат энергии при механизированной дуговой сварке плавящимся электродом
title_sort	оценка затрат энергии при механизированной дуговой сварке плавящимся электродом
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2007
topic_facet	Електричні машини та апарати
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142939
citation_txt	Оценка затрат энергии при механизированной дуговой сварке плавящимся электродом / В.А. Лебедев // Електротехніка і електромеханіка. — 2007. — № 6. — С. 48-51. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT lebedevva ocenkazatraténergiiprimehanizirovannojdugovojsvarkeplavâŝimsâélektrodom
first_indexed	2025-07-10T16:05:53Z
last_indexed	2025-07-10T16:05:53Z
_version_	1837276655149645824
fulltext	48 Електротехніка і Електромеханіка. 2007. №6 УДК 621.791 ОЦЕНКА ЗАТРАТ ЭНЕРГИИ ПРИ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ ДУГОВОЙ СВАРКЕ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ∗ Лебедев В.А., к.т.н., Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины Украина, 03680, Киев-150, ул. Боженко, 11 Розглядається ряд проблем, пов'язаних з рішенням завдань енергозбереження при механізованих дугових процесах зва- рки і наплавлення. Пропонується як енергозберігаючі технології використовувати імпульсні процеси з певними харак- теристиками, направлені на отримання керованого перенесення електродного металу. Показано, що при керованому перенесенні електродного металу з певними параметрами може бути витрачено електрики на 20.30% менше, ніж при звичайних процесах. Рассматривается ряд проблем, связанных с решением задач энергосбережения при механизированных дуговых процес- сах сварки и наплавки. Предлагается в качестве энергосберегающих технологий использовать импульсные процессы с определёнными характеристиками, направленные на получение управляемого переноса электродного металла. Пока- зано, что при управляемом переносе электродного металла с определёнными параметрами может быть затрачено электричества на 20…30% меньше, чем при обычных процессах. ∗ В работе принимал участие инженер Новгородский В.Г. В настоящее время известен ряд способов дуго- вой механизированной сварки и наплавки с использо- ванием плавящихся электродных проволок сплошного сечения и самозащитных порошковых электродных проволок. При этом для ряда процессов механизиро- ванной сварки используют различные виды управле- ния переносом электродного металла, осуществляе- мых за счёт источников сварочного тока [1], механиз- мов подачи электродной проволоки [2], систем пода- чи защитного газа [3], или некоторых их комбинаций [4]. Все эти виды управления переносом электродного металла ставят перед собой достаточно близкие зада- чи, основные из которых можно обобщить следую- щим образом [5]: - облегчение техники сварки в различных пространст- венных положениях, в том числе на вертикальной плоскости и в потолочном положении; - получение возможности управления формой сварно- го соединения и обеспечение высокого качества ме- талла шва и околошовной зоны, в том числе и за счёт оптимизации времени пребывания капли электродно- го металла в зоне горения дуги; - расширение сфер применения механизированной дуговой сварки и наплавки; - снижение потерь электродного металла на разбрыз- гивание. Важнейшей характеристикой любого технологи- ческого процессы и дуговых процессов сварки и на- плавки в том числе являются затраты энергии на их реализацию, а её снижение является одной из наибо- лее актуальных задач. В работе [6] отмечается, что управление переносом электродного металла может быть инструментом снижения энергозатрат. При этом эти энергозатраты связывают не только с их пассив- ным расходованием (исправление дефектов сварного шва, зачистка брызг и др.), а также с активным расхо- дованием электроэнергии, затрачиваемой на плавле- ние электродной проволоки. Целью настоящей работы является оценка затрат электроэнергии на плавление электродной проволоки при некоторых способах сварки и видах управления переносом электродного металла, с разработкой ме- тодики такой оценки. Остановимся на оценке затрат самого распро- странённого способа механизированной дуговой сварки – сварке сплошной электродной проволокой в среде углекислого газа. При этом рассмотрим сварку короткой дугой со следующими разновидностями переноса электродного металла: - сварка с естественными короткими замыканиями, когда перенос осуществляется в период короткого замыкания; - перенос с управляемыми (упорядоченными) корот- кими замыканиями, осуществляемыми за счёт им- пульсной подачи электродной проволоки с относи- тельно небольшими значениями ускорений в импуль- се движения; - перенос без коротких замыканий дугового проме- жутка, осуществляемый за счёт одновременного ис- пользования импульсной подачи электродной прово- локи и импульсов от специального импульсного ис- точника. Вышеуказанный выбор моделирует достаточно большой ряд основных типов переносов электродного металла, которые вообще встречаются при механизи- рованной дуговой сварке плавящимся электродом, а в данном случае способы управления переносом до не- которой степени моделируют известные процессы, как с короткими замыканиями дугового промежутка, так и без них. К числу таких процессов следует отне- сти сварку сталей длинной дугой и сплавов алюминия в защитных газах, а также сварку и наплавку самоза- щитными порошковыми электродными проволоками. Следует заметить, что до настоящего времени проблема оценки энергозатрат при сварке с сущест- венно изменяющимися параметрами (ток и напряже- ние) стоит достаточно остро, хотя существует ряд Електротехніка і Електромеханіка. 2007. №6 49 моделей для таких оценок, программное обеспечение и соответствующая компьютерная техника. В итоге задача определения энергозатрат при указанных из- менениях параметров сводится к математической об- работке тока и напряжения и нахождения мощности, потребляемой дуговым процессом. Такие измерения требуют достаточно сложных приборов, которые, как правило, базируются на использовании компьютерно- го оборудования со специально разрабатываемым интерфейсом и программным обеспечением. Нами предложено для оценки энергетических затрат при различных видах переноса электродного металла использовать определение количества элек- тричества, которое необходимо для реализации сва- рочного процесса. Это предложение учитывает то обстоятельство, что механизированная дуговая сварка осуществляется от источников с жёсткой вольтампер- ной характеристикой. Для этой цели разработана схе- ма измерения, упрощённый аналоговый вариант ко- торой представлен на рис. 1. Работа схемы основана на стабилизации соотношения между током сварки Icв и током заряда Iз конденсатора С1, с выполнением условия ki = Icв / Iз = const, (1) где ki – коэффициент соответствия между токами сварки и заряда конденсатора. Цифровой таймер Цифровой вольтметр Изделие Источник сварочного тока G1 Источник импульсного тока G2 - + +15 В +15 В +15 В -15 В R1 VT1 R3 С1 S2 Сброс S1 Пуск K1 K1 VT2 R5 R4 DA1 -15 В S3 R2 С2 VD1 Рис. 1. Схема для определения количества электричества, затрачиваемого на ведение механизированных дуговых процессов сварки и наплавки Учитывая, что количество электричества Q оп- ределяется произведением Q = I ⋅ t, где t – время, в течение которого проходит ток, то с учётом выраже- ния (1) можно записать kq = Icв⋅t / Iз⋅t = Qcв / Q з = const, (2) где Qcв, Qз – количество электричества, затрачиваемое на сварочный процесс и на заряд конденсатора в схе- ме соответственно; kq - коэффициент соответствия между токами сварки и заряда конденсатора. Очевидно, что ki = kq. Известно, что между напряжением на конденса- торе U и количеством электричества Qз существует зависимость U = Qз / С, где С – величина ёмкости конденсатора. Следовательно по значению напряже- ния на конденсаторе С1 можно определить величину Qз, которая пропорциональна (коэффициент пропор- циональности kq) количеству электричества, затра- ченного на сварочный процесс за время t. Одной из основных задач, которую необходимо было решить при разработке рассматриваемой схемы измерения, является исключение естественного экспоненциаль- ного закона заряда конденсатора, которое неприемле- мо для вышеопределённых линейных законов изме- рения. Для этих целей в схеме предусмотрено слеже- ние за током заряда конденсатора С1 вне зависимости от напряжения на нём UС1. Такое слежение осуществ- ляется за счёт сравнения напряжений между резисто- рами R4 и R5 на переходе эмиттер – база транзистора. Изменение напряжения на резисторе R5 Δ UR5 в точ- ности повторяет изменение напряжения на резисторе R4 Δ UR4, следовательно, пропорционально повторяет изменение тока заряда конденсатора ΔIз. Ток заряда конденсатора С1 пропорционален напряжению на выходе операционного усилителя DA1, которое в свою очередь пропорционально на- пряжению на шунте RS1, через который проходит ток сварки Icв. Необходимость в использовании операци- онного усилителя обуславливается низким уровнем напряжения, снимаемого с шунта. Для того чтобы этот усилитель не вносил нелинейных искажений в систему измерения, его построение выполнено по параметрической схеме. При этом в схеме использу- ется принцип широтно-импульсного модулирования с задающим генератором линейного пилообразного напряжения, построенным на следующих основных элементах: VT1, VD1, С2. В схему устройства введён таймер, посредством которого ведётся определение времени, в течение ко- 50 Електротехніка і Електромеханіка. 2007. №6 торого проходит сварочный ток. Кроме этого, при помощи таймера определяется время подачи элек- тродной проволоки и устанавливается длина поданно- го её участка. Очевидная простота предлагаемого схемного решения позволяет достаточно легко повторить её практически в любой сварочной лаборатории и при- менить для сравнительной оценки того или иного ду- гового технологического процесса, а также оборудо- вания, которое используется на предприятии. Экспериментальная проверка схемы измерения количества затрачиваемого на процесс электричества, проводилась при сварке в среде углекислого газа электродными проволоками типа Св08Г2С диаметра- ми 0,8…1,2 мм с дополнительным использованием специально разработанного цифрового измерения длины электродной проволоки lэ поданной за время, определённого таймером. С рассмотренной системой измерения оказалось возможным оценить удельные затраты электричества qпл на расплавление единицы объёма электродной проволоки диаметром dэ, в итоге определяемые в следующем виде ээ з ээ св пл 4 ld Qk ld Qq q ⋅⋅π ⋅ = ⋅⋅π ⋅ = . (3) При этом предварительно коэффициент kq опре- деляется из передаточных отношений делителей и усилителя схемы измерения, а затем уточняется при помощи прямых экспериментальных измерений. Реальные измерения расхода электричества на плавление электродной проволоки производились для трёх вышерассмотренных типов переноса электрод- ного металла с использованием дугового механизиро- ванного оборудования трёх конструкций: - полуавтомат с обычной невозмущённой подачей электродной проволоки; - полуавтомат с импульсной подачей электродной про- волоки, осуществляемой механизмом с односторонни- ми захватами и электромагнитным приводом [7]; - полуавтомат с импульсной подачей электродной проволоки, осуществляемой механизмом с односто- ронними захватами и электромагнитным приводом с использованием дополнительного импульсного ис- точника питания дуги и системы управления, обеспе- чивающей определённый алгоритм получения им- пульсов механического движения электродной прово- локи и импульсов тока [8]. Держатели всех трёх полу- автоматов одинаковой длины закреплялись в специ- альный механизм их перемещения относительно на- плавляемой пластины для создания идентичных усло- вий для дугового процесса. Время ведения процесса выбиралось одним и тем же и составляло 5 и 10 с. Режимы ведения наплавок выставлялись одинаковы- ми и составляли по электромагнитным приборам 100 А и 20 В. В качестве основного источника использо- вался сварочный выпрямитель типа ВС300Б. В каче- стве шунтов применялись несколько последовательно включённых шунтов типа 75ШСМ. Реальные значе- ния длин поданной электродной проволоки lэ за время t определялось цифровым измерителем длины. Характерные осциллограммы токов дугового процесса для трёх реализуемых типов переноса элек- тродного металла показаны на осциллограммах рис. 2. Необходимо отметить, что при представленных раз- ных типах переносов оказываются различными вре- менные параметры циклов (время короткого замыка- ния и холостого хода, а также частота циклов перено- са) и значения режимов дугового процесса. Возмож- ность изменения временных параметров при сварке с короткими замыканиями дугового промежутка позво- ляет в определённых пределах регулировать скорость плавления электродной проволоки. а) б) 100 А 100 А Ісв vп Іи в) Рис. 2. Осциллограммы тока сварки при переносах: а – с естественными короткими замыканиями; б – с управляемыми короткими замыканиями; в – с управлением переносом без коротких замыканий; vп - скорость перемещения проволоки при импульсной подаче; Iи – ток импульсного источника Результаты измерений и вычислений удельного расхода электричества для разных типов переноса электродного металла представлены в табл. 1. Таблица 1 С управляемыми короткими замыканиями Без коротких замыканий Виды переноса электродного металла С естественными короткими замыканиями Ускорение в импульсе м/с2, 20…30 Ускорение в импульсе м/с2, 40…60 Величина импульса тока, А, 50 Величина импульса тока, А, 100 Удельный расход элек- тричества, qпл, А·С/мм3 2,0…2,1 2,1…2,3 1,9…2,0 1,8 до 1,6 Електротехніка і Електромеханіка. 2007. №6 51 Следует обратить внимание на тот факт, что при импульсной подаче электродной проволоки, когда достигается эффект управления короткими замыка- ниями в виде их упорядочивания, может быть полу- чено некоторое превышение расхода электричества в сравнение с процессом сварки, имеющим естествен- ные короткие замыкания дугового промежутка. Нами экспериментально установлено, что такие превыше- ния характерны для ряда случаев сварки с импульс- ной подачей: - при низких частотах импульсов подачи, при которых шаги подачи превышают оптимальные и рекомен- дуемые по литературе [9], хотя процесс сварки при этом остаётся устойчивым, а технологические пре- имущества проявляются достаточным образом; - при низких значениях ускорений в импульсе движе- ния электродной проволоки с расплавленной каплей на торце. Объяснить такие превышения расхода электри- чества можно, по нашему мнению, тем, что во всех исследованных случаях время короткого замыкания, в течение которого не происходит эффективного плав- ления электродной проволоки, превышает время есте- ственных коротких замыканий. Кроме этого, при оп- ределённых параметрах импульсов сокращается вре- мя пребывания расплавленной капли на торце элек- тродной проволоки, что также способствует повыше- нию эффективности её плавления. Можно предположить, что нечто подобное про- исходит и при управлении переносом электродного металла за счёт импульсных алгоритмов работы ис- точников питания дуги. Из вышеизложенного очевидно, что при им- пульсной подаче электродной проволоки, параметры импульсов весьма существенно влияют на энергоза- траты при ведении дуговых процессов. Очевидно, что при выборе параметров импульсов, определяющих устойчивость процесса, формирование шва, потери электродного металла, должно быть учтены и энерге- тические затраты. Одним из способов значительного снижения энергозатрат при сварке с короткими замыканиями является процесс с когерентным управлением перено- сом электродного металла, при котором на каплю расплавленного электродного металла действуют две импульсных составляющих механическая за счёт им- пульсной подачи и электрическая: за счёт использо- вания импульсного источника питания дуги. При оп- ределённых алгоритмах одновременного воздействия этих составляющих может быть достигнут эффект сварки короткой дугой без коротких замыканий, ко- торый кроме технологических преимуществ позволя- ет существенно экономить электроэнергию. Интересным является вопрос энергетических затрат при дуговых процессах сварки и наплавки длинной дугой без коротких замыканий. Здесь при импульсной подаче электродной проволоки также возможно некоторое снижение затрат электроэнергии в сравнение с процессами, когда подача носит неиз- менный характер. Это снижение не столь значительно как при сварке с короткими замыканиями и объяснить его, по нашему мнению можно только сокращением времени пребывания капли на торце электродной про- волоки. ВЫВОДЫ 1. Разработанный метод оценки энергетических затрат при механизированных дуговых процессах сварки, основанный на измерении количества элек- тричества, затрачиваемого на плавление мерного от- резка электродной проволоки может быть, в основ- ном, использован для сравнительных исследований энергетической эффективности того или иного спосо- ба дугового процесса с различными способами пере- носа электродного металла. 2. Механизированные дуговые процессы сварки и наплавки с управлением переносом электродного металла имеют значительные возможности по реше- нию на их основе задач энергосбережения. 3. Выбор параметров импульсного воздействия на плавящуюся электродную проволоку должен включать в себя, кроме технологических воздействий, решение задач энергосбережения. ЛИТЕРАТУРА [1] Лебедев В.К. Современные тенденции развития сва- рочных источников питания. Новые источники пита- ния. Киев.- 1992.- С. 5-13. [2] Лебедев В.А., Пичак В.Г. Механизированная дуговая сварка в СО2 с регулируемой импульсной подачей электродной проволоки // Сварочное производство.- 1998. - № 5. - С. 30-33. [3] Денисов Л.С., Барсуков И.В., Аполоник С.А. Разра- ботка и анализ оборудования для сварки с поперемен- ной подачей газов // Прогрессивная техника и техно- логия машиностроения, приборостроения и сварочно- го производства. Тр. научн. конф. Киев. 1998.- Том 4.- С. 310-313. [4] Патент США № 3581053, кл.219-137 (В23К 9/00), 5.12.67р., Syncho-arc metal transfer. [5] Воропай Н.М. Параметры режимов и технологические возможности дуговой сварки с импульсной подачей электродной и присадочной проволоки // Автомат. сварка.- 1996. - № 10. - С. 3-9 [6] Сараев Ю.Н. Управление переносом электродного ме- талла при сварке в СО 2 с короткими замыканиями ду- гового промежутка (Обзор) // Автомат. сварка. – 1988. - № 12. - С. 16-23. [7] Лебедев В.А., Мошкин В.Ф., Пичак В.Г., Смолярко В.Б. Выбор конструкции одностороннего захвата для импульсной подачи электродной проволоки. // Сва- рочное производство -2001 .-№ 4.– С. 17-24. [8] Патон Б.Е., В.А. Лебедев, Микитин Я.И. Исследование одного способа когерентного управления процессом переноса электродного металла при механизированной дуговой сварке. [9] Потапьевский А.Г. Сварка в защитных газа плавящимся электродом. – М.: Машиностроение, 1974, - 240 с. Поступила 20.03.2007

Оценка затрат энергии при механизированной дуговой сварке плавящимся электродом

Institution

Ähnliche Einträge