Пособие по источникам питания

ция с переключением витков трансформатора значительно усложняет преобразователь, повышает его стоимость и делает невозможным использование в областях широкого потребления.

Схема промежуточного резонансного звена высокой частоты показана на рисунке 48.

В первоначальный момент открывается транзистор VT2 и ток протекает в направлении, показанном сплошной линией через резонансный конденсатор С1. При этом резонансный конденсатор заряжается до напряжения питания, как показано на рисунке 45 сплошной линией и формируется первый полупериод. При открывании транзистора VT1, резонансный конденсатор С1 разрежается в направлении показанном пунктирной линией и формируется второй полупериод.

Рис. 48. Схема резонансного инвертора

Резонансные преобразователи более надежны, им не требуется быстродействующая защита от короткого замыкания (КЗ) в нагрузке, потому что ограничение тока КЗ происходит естественным образом. Но из-за синусоидальной формы тока несколько возрастают статические потери в силовых элементах, поскольку резонансные преобразователи не столь требовательны к динамике переключения силовых элементов, могут быть использованы транзисторы standard-класса, у которых напряжение насыщения меньше, чем у быстродействующих транзисторов.

В инверторном выпрямителе для регулирования выходных параметров используются следующие виды модуляции:

1)амплитудная;

2)частотная.

При регулировании режима сварки с помощью амплитудной модуляции (АМ) осуществляется следующим образом, при увеличении

111

напряжения сетевого выпрямителя увеличивается и амплитуда высокочастотного напряжения, и среднее значение выпрямленного напряжения. Но так как регулирование напряжения осуществляется с помощью фазового регулятора, то, соответственно, увеличиваются пульсации на выходе выпрямителя, что потребует увеличения массы сетевого фильтра. Поэтому данный способ регулирования не нашел широкого применения.

При регулировании с помощью частотной модуляции инверторы

различаются по способу, когда I	f (t	u	t	n	), где tu – время импульса;
1

tn – время паузы:

1.Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – протекающий по первичной обмотке трансформатора средний ток зависит от ширины

импульсов при неизменном времени паузы I1 = f(tu), где tu – время импульса.

2.Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) – протекающий по первичной обмотке трансформатора средний ток зависит от частоты подачи импульсов I1 = f(ƒ).

3.Комбинировнно-импульсная модуляция (КИМ) – совмещаются (ЧИМ) и (ШИМ) модуляции, то есть при f const заданной

частоте происходит изменение ширины импульсов и пауз.

5.6. Инверторный источник питания – энерго- и ресурсосберегающий фактор сварочного производства

Надежность сварных соединений металлоконструкций технических устройств в электрической, нефтедобывающей, горнодобывающей, химической, машиностроительной и других отраслях существенно влияет на безопасность и экономическую эффективность производства.

При сварке металлоконструкций, трудно поддающихся методам рациональной механизации, автоматизации и роботизации, ручная дуговая сварка (РДC) электродами с покрытием является одним из основных технологических процессов. Объясняется это гибкостью, простотой, универсальностью ведения процесса и меньшими затратами на вспомогательные операции и оборудование. По этим причинам при ремонте, монтаже и реконструкции технических устройств ручная дуговая сварка не имеет альтернатив.

С целью определения влияния типа источника питания на химический состав, микроструктуру, механические свойства сварных соединений и санитарно-гигиенические характеристики процесса ручной дуговой сварки провели серию исследований.

112

По результатам анализа осциллограмм от инвертора Nebula – 315 и диодного выпрямителя ВД – 306 (рис. 49) установлено различие энергетических параметров процесса сварки во время образования и переноса капли электродного металла. При сварке инверторным источником амплитуда тока изменяется в пределах 90…140 А, а при сварке диодным выпрямителем – в пределах 80…160 А при том же значении среднего сварочного тока 100 А. Следовательно, изменяется тепловое воздействие дуги на каплю электродного металла.

а)

б)

Рис. 49. Осциллограммы токов и напряжения (электроды марки УОНИ

13/55 диаметром 3 мм: а – инвертор; б – диодный выпрямитель

По методике Чинахова Д.А. c помощью компьютерной программы MatLab произвели аналитический расчет теплосодержания капли электродного металла в зависимости от энергетических характеристик процесса сварки. Алгоритм расчета представлен в таблице 1.

Расчеты, выполненные аналитическим методом, показывают, что при сварке от инверторного источника питания энергия затрачиваемая на плавление электродного металла за 1 секунду в среднем составляет Qк = 1,13 х 107 Дж, а при сварке от диодного выпрямителя –

Qк = 1,25 х 107 Дж.

113

Таблица 1

Методика определения теплосодержание капли электродного металла при сварке от различных типов источника питания

	Методика определения теплосо-	Инвертор	Диодный выпря-
	держания капли		митель
	u1=[u1; u2; u3; u4; u5; u6;…..];
	i1=[i1; i2; i3; i4;…..];	Qк = (0,906…1,359) х	Qк = (1,005…1,508)
	[U1,I1]=meshgrid(u1,i1);
		х 107Дж,	х х 107Дж,
	t1=t1; t2; t3; t4;…….
	Qк=sum(trapz(0,2…0,3*U1.*I1.*t1))

Для проведения комплексного исследования были заварены образцы от различных источников питания: диодного выпрямителя ВД-

306и инвертора нового поколения Nebula-315:

1)сварку трубы (соединение С17) 159 х 6 из стали 09Г2С производили электродами: корень – LB-52U (d = 2,6 мм), сварочный ток

I = 50–60 А; заполнение – LB-52U (d = 3,2 мм), сварочный ток

I = 80–90 A;

2)сварку пластин (соединение С17) толщиной 10 мм из стали 45 производили (рис. 50) в 4 слоя, электродами: корень – УОНИ 13/55 (d = 3 мм), сварочный ток I = 80–90 А; заполнение – УОНИ 13/55

(d = 4 мм), сварочный ток I = 120–130 А; с предварительным подогревом деталей до 300 оС и последующим медленным охлаждением (укрытие теплоизолятором, асбестовое волокно, до полного остывания).

3)сварку пластин (соединение C7) толщиной 3 мм из стали 12Х18Н9Т производили электродами марки ЦЛ 11 типа 08Х20Н9Г2Б (d = 3 мм), сварочный ток I = 70–80 А.

Рис. 50. Схема наложения швов

На полученных сварных образцах провели исследования химического состава металла шва, микроструктуры и механических свойств сварных соединений.

Анализ экспериментальных данных химического состава сварного шва показал (таблица 2, 3, 4), что тип источника питания оказывает влияние на химический состав сварного шва. Это связано с тем, что

114

Nebula 315 ограничивает ток короткого замыкания (рис. 49), тем самым происходит меньшее выгорание легирующих элементов Si на

0,01…0,08 % и Mn на 0,08….0,2 %.

Таблица 2

Среднестатистический химический состав металла сварных швов, выполненных из трубы Ø159×6 (сталь 09Г2С) электродами марки LB 52U

	Источник			Химический состав, %
	питания	C	Si	Mn	S	P	Сr	Ni	Cu
	диодный вы-	0,10	0,52	1,03	0,010	0,014	0,03	0,05	0,03
	прямитель
	инвертор	0,09	0,60	1,23	0,010	0,014	0,03	0,06	0,03

Таблица 3

Среднестатистический химический состав металла сварных швов, выполненных из стали 45 электродами марки УОНИ 13/55

	Источник			Химический состав, %
	питания	C	Si	Mn	P	Сr	Ni	Cu
	диодный вы-	0,11	0,30	0,92	0,019	0,06	0,05	0,09
	прямитель
	инвертор	0,12	0,31	1,00	0,02	0,06	0,06	0,10

Таблица 4

Среднестатистический химический состав металла сварных швов, выполненных из стали 12Х18Н9Т полученных электродами марки ЦЛ

11 типа 08Х20Н9Г2Б

	Тип источника			Химический состав, %
	питания	C	Si	Mn	S	P	Сr	Ni	Nb
	диодный вы-	0,12	0,80	1,04	0,008	0,018	18,08	9,23	0,70
	прямитель
	инвертор	0,12	0,82	1,23	0,008	0,018	18,45	10,01	0,70

Исследование полученных макро- и микроструктур проводили методом оптической металлографии с использованием оптического микроскопа Olympus GX-71. При изготовлении шлифов использовалась механическая шлифовка, механическая полировка на алмазной пасте АСМ 10/7 НВЛ и химическое травление 4 %-ным раствором азотной кислоты (HNO3).

115

Исследование микроструктуры сварного шва образцов из стали 09Г2С.

Исследование микроструктуры производили по схеме, представленной на рисунке 51. Исходная структура стали 09Г2С в состоянии поставки – феррито-перлитная структура. Перлит распределен равномерно (рис. 52 а, б). Количество и характер расположения перлита соответствуют баллу 1В по ГОСТ 5640-68.

Рис. 51. Схема проведения микроструктурного анализа (шаг между точками 0,5 мм)

Рассмотрим микроструктуру образца № 1 (инверторный источник питания)

Зона термического влияния – феррито-перлитная структура, измельчается размер зерен феррита, феррит переходит в сорбитооборазный. (рис. 52, в). Количество и характер расположения перлита соответствуют баллу 1Б по ГОСТ 5640-68.

Структура наплавленного металла шва – феррито-перлитная. Образец № 2, верхний ряд. В зоне сплавления металла шва и ос-

новного металла небольшая область с видманштеттовой структурой – балл 3Б по ГОСТ 5640-68 (рис. 52, г). Структура шва аналогичная таковой в образце № 1.

В нижнем ряду по сравнению с верхним рядом исчезает видманштеттова структура в шве и в области основного металла, прилегающего к шву, в результате эффекта автотермообработки.

Отличия, полученные в проведенном исследовании микроструктур сварного шва, можно объяснить меньшим теплосодержанием капли расплавленного электродного металла при сварке от инвертора (таблица 1) и повышенным содержанием кремния и марганца (таблица 2), которые, как известно, являются элементами, снижающими рост видманштедтового феррита.

Исследование микроструктуры сварного шва образцов из стали 12Х18Н9Т.

116

а

б

в

г

Рис. 52. Микроструктура сварного шва: а, б – микроструктура стали 09Г2С,

в – микроструктура ЗТВ сварного соединения (Nebula - 315); г – микроструктура ЗТВ сварного соединения (ВД-306)

На рисунке 53 видно, что макроизображения сварных соединений (увеличение 40) мало отличаются друг от друга. На образцах хорошо выделяется зона наплавленного металла и широкая зона термического влияния. Посредине валиков проплавление на всех трех режимах произошло насквозь. Основной металл между валиками выклинивается. Здесь структура его подверглась термическому преобразованию.

Рис. 53. Общий вид сварных соединений: а) – ВД-306, б) – Nebula-315

Структура основного металла в местах, удаленных от сварного шва на 15…20 мм соответствует типичной структуре горячекатаной

117

стали 12Х18Н10Т (рис. 54). Термическое воздействие сварки не оказало на нее влияние. Структура представлена полиэдрическими сдвойникованными аустенитными зернами, характерные размеры которых не превышают 25 мкм.

Рис. 54. Микроструктура основного металла: а) – ВД-306, б) – Nebula 315

Структура наплавленного металла на всех режимах – дендритная (рис. 55). Вблизи границы сплавления дендриты ориентированы нормально к ней, а в глубине наплавленного металла расположены беспорядочно. Ориентированные дендриты могут достигать в длину 200 мкм (рис. 55, б). Неупорядоченные дендриты имеют меньшую длину, но у них более развитая морфология границ. В целом структура наплавленного металла характерна для литого состояния стали 12Х18Н10Т. Дефекты (раковины, несплошности, трещины, крупные поры) и крупные неметаллические включения в наплавленном металле не обнаружены.

Рис. 55. Структура наплавленного металла: а) – ВД-306, б) – Nebula 315

В зонах термического влияния произошел сильный рост зерен. На рисунке 56 видно, что аустенитные зерна в зоне термического влияния – полэдрические сдойникованные. Их размеры могут превы-

118

шать 150 мкм. Ширина зоны термического влияния зависит от места расположения относительно валиков наплавленного металла.

Если ширина валиков наплавленного металла различна (источник питания ВД-306), то в месте выклинивания основного металла и под более широким валиком зона термического влияния охватывает всю толщину свариваемых листов (рис. 57).

Рис. 56. Микроструктура зон	Рис. 57. Зона термического влияния
термического влияния	под валиком наплавленного металла

Если валики наложены симметрично с обеих сторон пластины, то зона термического влияния у обеих поверхностей свариваемых листов одинакова. По мере углубления в свариваемый материал она расширяется и достигает максимума на оси. В образце, сваренном от источника питания ВД-306, у поверхности, вблизи широкого валика, она составляет 250 мкм (рис. 58) и далее расширяется до 3000 мкм, как указано выше (рис. 57).

Наименьшая ширина зоны термического влияния зафиксирована вблизи поверхности листов (Nebula 315). Она составляет 75 мкм

(рис. 59).

Сварные соединения, выполненные от различных источников питания, с точки зрения микро- и макроструктуры являются качественными. В них отсутствуют сварочные дефекты, наплавленный металл имеет сравнительно мелкодисперсную дендритную структуры, а зона термического влияния, плавно без резких границ переходит к основному металлу. Наименьшая ширина зоны термического влияния зафиксирована в соединении, выполненном от инверторного источника питания, а наибольшая – в соединении, выполненном от диодного выпрямителя.

119

Рис. 58. Минимальная ширина зоны	Рис. 59. Минимальная ширина зоны
термического влияния в соединении	термического влияния в соединении
(диодный выпрямитель)	(инвертор)

Отличия микроструктуры сварных соединений можно объяснить различным тепловложением в каплю электродного металла от различных типов источников питания. Это предполагает и различные механические свойства сварных соединений выполненных РДС от различных типов источника питания. Механические свойства сварных соединений выполненных РДС от различных типов источника питания (по ГОСТ 6996-70) представлены в таблице 5, 6, 7.

Из специальных литературных источников установлено, что величина сварочного тока является одним из основных факторов, определяющим химический состав сварочного аэрозоля и интенсивность оптических излучений, т.е., тип источника питания оказывает влияние и на санитарно-гигиенические характеристики воздуха рабочей зоны сварщика.

Процесс образования сварочного аэрозоля (СА) заключается в следующем: при электродуговом процессе из-за воздействия на основной металл и материал электрода тепла дуги происходит их плавление и частичное испарение. Образовавшиеся в высокотемпературной зоне пары материала электрода и сварочной ванны выделяются в окружающую среду, имеющую более низкую температуру. Конденсируясь в твердые частицы, образуют в воздухе взвесь мелкодисперсных частиц, которые благодаря аэродинамическим силам продолжительное время могут находиться во взвешенном состоянии. Таким образом, по механизму образования СА относятся к аэрозолям конденсации и представляют собой дисперсную систему, в которой дисперсной фазой являются мелкие частицы твердого вещества – твердая составляющая сварочного аэрозоля (ТССА), а дисперсионной средой – смесь газов, или газообразная составляющая СА (ГССА) [10].

120