CC BY
9Статья поступила в редакцию 21.08.13. Ред. рег. № 1733
The article has entered in publishing office 21.08.13 . Ed. reg. No. 1733
УДК 621.791.01
БЛОЧНО-МОДУЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ УСТАНОВОК ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ С УПРАВЛЯЕМЫМ ТЕПЛОВЛОЖЕНИЕМ
И.В. Смирнов, В.П. Сидоров, С.А. Хурин, А.И. Смирнова, С.А. Тюрин
ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет» 445667, Самарская обл., г. Тольятти, ул. Белорусская, 14 Тел.:/факс (8482) 53-92-45, 78-64-67, e-mail: anna.211@rambler.ru
Заключение совета рецензентов: 26.08.13 Заключение совета экспертов: 31.08.13 Принято к публикации: 05.08.13
В статье приведено описание блочно-модульной конструкции установок для дуговой сварки с управляемым тепло-вложением, позволяющей расширить универсальность, функциональность и возможность оптимизации, комплектации и стоимость этих установок.
Ключевые слова: дуговая сварка, блочно-модульная конструкция установок, энергоэффективность, управление тепловложением.
MODULAR CONSTRUCTION SYSTEMS FOR ARC WELDING WITH CONTROLLED HEAT INPUT
I.V. Smirnov, V.P. Sidorov, S.A. Khurin, A.I. Smirnova, S.A. Tyurin
Togliatti State University 14 Belorusskaya St., Toglyatty, Samara region, 445667, Russia Tel.:/fax (8482) 53-92-45, 78-64-67, e-mail: anna.211@rambler.ru
Referred: 26.08.13 Expertise: 31.08.13 Accepted: 05.08.13
The paper presents a modular design of systems for arc welding with controlled heat input, which allows extending versatility, functionality, and optimization of equipment, and the cost of these systems.
Keywords: arc welding, block-modular design of installations, energy efficiency, control heat input.
Практическое применение последних научных разработок позволяет существенно повысить энергоэффективность как технологических, так и технических систем в области дуговой сварки. Проведенными ранее исследованиями доказано, что применение способа дуговой сварки в защитных газах с управляемым тепловложением [1] позволяет существенно повысить энергоэффективность технологических сварочных систем, выраженную в сокращении до 50% затрат энергии на образование единицы площади поперечного сечения шва [2, 3]. Высокими показателями энергоэффективности отличается и сварочное оборудование, специально разработанное для реализации процесса дуговой сварки с управляемым тепловложением. Так, экспериментально установлено, что установки для дуговой сварки с управляемым тепловложением, построенные на базе повторно-переменной коммутируемой работы двух инверторов, обеспечивают увеличение коэффициента полезного действия от 2 до 19% по сравнению с традиционным инверторным источником питания [4, 5].
В работе [6] проведен анализ эффективности применения различных топологий установок для дуговой сварки с управляемым тепловложением в зависимости от условий производства сварочных работ. В результате проведенного анализа установлено, что наиболее востребованными в производстве могут явиться две модификации установок для сварки с управляемым тепловложением:
- установки, основанные на применении внешнего коммутационного блока в сочетании с традиционным инверторным источником питания;
- установки, построенные на основе двух независимых инверторных источников с половинной номинальной мощностью, соединенных на выходе одним общим проводом.
Причем если первое решение является более оптимальным (в плане экономических затрат) для внедрения в производство, то максимальную энергоэффективность сварочного процесса и сварочного оборудования способно обеспечить только второе техническое решение. Однако наряду со своей высо-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 09 (131) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
кой энергоэффективностью, установки, построенные на базе двух независимых инверторных источников с половинной номинальной мощностью, соединенных на выходе одним общим проводом, обладают и рядом недостатков. Основными недостатками таких установок является их низкая универсальность наряду с высокой стоимостью. Указанные недостатки могут явиться существенным препятствием для широкого внедрения энергоэффективной техники и технологий в сварочное производство. В связи с этим, на современном этапе актуальной целью является расширение универсальности и возможность оптимизации комплектации и стоимости установок для дуговой сварки с управляемым тепловложением в зависимости от условий реализации сварочных работ.
Мировая практика показывает, что наиболее эффективным способом расширения универсальности, а также оптимизации стоимости оборудования, в зависимости от уровня предъявляемых к нему требований, является построение оборудования на базе принципов агрегатирования. С точки зрения инженерной системогенетики, агрегатирование - это создание объектов на базе универсальных структурных составляющих. При этом любая техническая система компонуется из самостоятельных функциональных сборочных единиц путем объединения их в единый комплекс с общей системой управления и контроля.
Применительно к нашему случаю, сварочная установка должна быть разбита на отдельные, функционально и конструктивно законченные, блоки и модули, из которых, в дальнейшем, могут быть собраны несколько различных топологических модификаций сварочных установок. Рациональность и целесообразность применения блочно-модульного принципа состоит в том, что любую техническую сварочную систему, простую или сложную, допуска-
ется рассматривать как состоящую из отдельных конструктивных элементов, которые называют «модулями» (или агрегатами), исполняющими свои особые, отличные от других, конструктивные и эксплуатационные функции.
Для рационального выбора степени дробления конструкции установок для дуговой сварки на блоки и модули, была разработана «Методика исследований по выбору степени дробления конструкции установки для сварки на блоки и модули».
Задачи компоновки сварочных установок, в соответствии с данной методикой, относятся к классу задач компоновки конструктивных узлов, в которых осуществляется разбиение изделий на узлы с учетом следующих основных ограничений:
- количество модулей в топологической модификации;
- число внешних выводов на модулях;
- суммарная площадь, занимаемая модулями и соединениями;
- стоимость каждого модуля.
Главными критериями оптимизации для такого разбиения будут являться:
- минимум числа образующихся модулей;
- минимум числа межмодульных соединений ;
- минимум внешних выводов на модулях;
- минимальная стоимость каждого модуля.
Результатом практической реализации «Методики исследований по выбору степени дробления конструкции установки для сварки на блоки и модули», применительно к установке для сварки с управляемым тепловложением, явилась разработанная карта топологических модификаций блочно-модульной схемы построения сварочных установок для сварки с управляемым тепловложением (рис. 1).
Блоки 1 уровня Блоки 1 уровня
механизма механизма
подачи АД подачи МП
Блоки 1 уровня источника питания
Блоки 1 уровня коммутационного модуля
W W эР пР
Механизм подачи Механизм подачи Источник Коммутации
проволоки АД проволоки МП питания модуль
Коммутационный модуль
Модификация Модификация Модификация
1 2 3
Модификация 4
Модификация
5
Модификация 6
Модификация
7
Модификация 8
Модификация
9
Рис. 1. Карта топологических модификаций блочно-модульной схемы построения сварочных установок
для сварки с управляемым тепловложением Fig. 1. Map of topological modifications of modular construction scheme of welding machines for welding with controlled heat input
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 09 (131) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Блочно-модульная конструкция установки для дуговой сварки с управляемым тепловложением состоит из четырех модулей (инверторный двухполюсный источник питания, коммутационный модуль, механизм подачи присадочной проволоки для аргонодуговой сварки неплавящимся электродом (механизм подачи АД) и механизм подачи электродной проволоки для сварки в защитном газе плавящимся электродом (механизм подачи МП), на базе которых строятся девять топологических модификаций сварочных установок, предназначенных как для сварки неплавящимся вольфрамовым электродом, так и для сварки плавящимся электродом в среде защитного газа:
1. Установка для реализации традиционного процесса автоматической аргонодуговой сварки без поперечных перемещений сварочной дуги с подачей присадочной проволоки.
2. Установка для реализации традиционного процесса автоматической сварки плавящимся электродом в защитном газе без поперечных перемещений сварочной дуги.
3. Установка для реализации комбинированного процесса с применением традиционной автоматической аргонодуговой сварки и традиционной автоматической сварки плавящимся электродом в защитном газе без поперечных перемещений сварочной дуги.
4. Установка для реализации процесса автоматической аргонодуговой сварки с управляемым тепло-вложением с высокой энергоэффективностью.
5. Установка для реализации процесса автоматической сварки плавящимся электродом в среде защитного газа с управляемым тепловложением с высокой энергоэффективностью.
6. Установка для реализации комбинированного процесса с применением автоматической аргоноду-говой сварки с управляемым тепловложением с высокой энергоэффективностью и автоматической сварки плавящимся электродом в среде защитного газа с управляемым тепловложением с высокой энергоэффективностью (с возможностью реализации традиционного процесса автоматической сварки плавящимся электродом в защитном газе без поперечных перемещений сварочной дуги).
7. Установка для реализации процесса автоматической аргонодуговой сварки с управляемым тепло-вложением.
8. Установка для реализации процесса автоматической сварки плавящимся электродом в среде защитного газа с управляемым тепловложением.
9. Установка для реализации комбинированного процесса с применением автоматической аргоноду-говой сварки с управляемым тепловложением и автоматической сварки плавящимся электродом в среде защитного газа с управляемым тепловложением (с возможностью реализации традиционного процесса автоматической сварки плавящимся электродом в защитном газе без поперечных перемещений сварочной дуги).
Разрабатываемая конструкция установок рассчитывается на реализацию как процессов сварки не-плавящимся электродом, так и процессов сварки с управляемым тепловложением плавящимся электродом, энергоэффективность которых экспериментально показана в работе [7]. Помимо указанных в карте топологических модификаций модулей, для оптимизации стоимости сварочного инверторного источника питания, было принято решение выполнить сварочный осциллятор в виде отдельного выносного модуля.
После выделения отдельных модулей блочно-модульной конструкции установок для дуговой сварки с управляемым тепловложением, для каждого из пяти модулей был разработан полный комплект конструкторской документации, включающий принципиальные электрические схемы, схемы разводки печатных плат и т. д. А также была разработана технологическая документация в виде Инструкций по сборке каждой отдельной топологической модификации сварочной установки. В дальнейшем, по разработанной конструкторской документации, были изготовлены блоки 1-го уровня для каждого из пяти модулей сварочной установки (печатные платы, дроссели, импульсные трансформаторы и т.п.). Из полученных блоков были изготовлены все пять модулей, входящих в состав блочно-модульной конструкции установки для дуговой сварки с управляемым тепловложением.
На рис. 2 показан внешний вид двухполюсного инверторного источника питания марки СМТ-2.
Рис. 2. Внешний вид двухполюсного инверторного источника питания марки СМТ-2 Fig. 2. General view of two-pole inverter power source СMT-2 type
Источник питания серии СМТ-2 является универсальным сварочным аппаратом, предназначенным как для автономной работы при ручных способах сварки, так и для работы в составе автоматических сварочных комплексов, и может быть использован для трех разновидностей сварочных процессов:
- аргонодуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом;
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 09 (131) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
- механизированная или автоматическая сварка плавящимся электродом в среде защитного газа;
- ручная дуговая сварка плавящимся покрытым электродом.
В настоящее время источник питания серии «СМТ-2» выпускается на базе силовой части аппарата «Фор-саж-302» ОАО «Государственный рязанский приборный завод». Источник питания рассчитан на питание сварочной дуги с номинальным током до 300 А.
Рис. 3. Внешний вид коммутационного модуля установки для дуговой сварки с управляемым тепловложением Fig. 3. General view of switching module of arc welding system with controlled heat input
четыре выхода, два из которых - коммутируемые положительные полюса (для сварки неплавящимся электродом), и два - коммутируемые отрицательные полюса (для сварки плавящимся электродом).
На рис. 4 представлен внешний вид блока-осциллятора установки для дуговой сварки с управляемым тепловложением.
Работая совместно с источником питания дуги, осциллятор обеспечивает ее возбуждение наложением на сварочную вторичную цепь высокого напряжения (порядка 10000 В) и высокой частоты (150-250 кГц). На лицевой панели осциллятора расположены три байонетных разъема. Верхний разъем выходной, предназначен для присоединения сварочной горелки для аргонодуговой сварки. Два нижних разъема входные, предназначены для подключения одного, в случае традиционной сварки, или двух, в случае сварки с управляемым тепловложением, кабелей от отрицательных полюсов источников питания.
На рис. 5 представлен внешний вид механизма подачи электродной проволоки для сварки плавящимся электродом. На рис. 6 представлен внешний вид механизма подачи присадочной проволоки для сварки неплавящимся электродом с присадкой.
Рис. 5. Внешний вид механизма подачи электродной проволоки для сварки плавящимся электродом Fig. 5. General view of wire electrode feeder for welding units
Рис. 4. Внешний вид блока-осциллятора установки для дуговой сварки с управляемым тепловложением Fig. 4. General view of block-oscillator for arc welding system with controlled heat input
На рис. 3 представлен внешний вид коммутационного модуля установки для дуговой сварки с управляемым тепловложением. Модуль имеет два разнополюсных входа (положительный и отрицательный) и
Рис. 6. Внешний вид механизма подачи присадочной проволоки для сварки неплавящимся электродом с присадкой Fig. 6. Appearance of filler wire feeder for welding with consumable doped electrode
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 09 (131) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Оба механизма подачи проволоки выполнены на базе четырехроликового привода и обеспечивают стабильную подачу проволоки различных видов (сплошная, порошковая, самозащитная и др.). Механизмы подачи не имеют внешних органов управления. Они соединяются с системой управления источника питания и панелью оператора установки по цифровому интерфейсу (протокол МоЖш).
Рис. 7. Комплект блочно-модульной конструкции сварочной установки для дуговой сварки с управляемым тепловложением (слева направо: механизм подачи электродной проволоки для сварки плавящимся электродом, источник питания СМТ-2, внешний осциллятор, источник питания СМТ-2, механизм подачи присадочной проволоки
для сварки неплавящимся электродом) Fig. 7. Set of block-modular welding system for arc welding with controlled heat input (from left to right: welding wire feeder for welding units, power supply CMT-2, external oscillator, power supply cMt-2, mechanism of doped wire feeding for nonconsumable electrode welding)
На рис. 7, в качестве примера, представлен внешний вид собранного комплекта блочно-модульной конструкции сварочной установки для дуговой сварки с управляемым тепловложением. Комплект собран в виде модификации № 6 (см. рис. 1). Данный комплект является наиболее полным и технически сложным из всех девяти возможных модификаций. Комплект состоит из механизма подачи электродной проволоки для сварки плавящимся электродом, источника питания СМТ-2, внешнего осциллятора, второго источника питания СМТ-2 и механизма подачи присадочной проволоки для сварки неплавя-щимся электродом. Данный комплект обеспечивает возможность осуществления процесса энергоэффективной сварки с управляемым тепловложением двумя способами сварки: аргонодуговая сварка непла-вящимся электродом с присадочной проволокой и сварка в среде защитного газа плавящимся электродом. При желании, данный комплект можно легко использовать для осуществления традиционных процессов дуговой сварки в защитных газах на двух отдельных сварочных постах.
Выводы и обсуждение
Предложенный блочно-модульный подход к построению установок для дуговой сварки с управляемым тепловложением позволяет на базе всего пяти
универсальных независимых модулей построить девять различных по назначению, сложности и ценовой категории топологических модификаций сварочных установок.
Практическая реализация блочно-модульного принципа построения установок для дуговой сварки в защитных газах позволяет обеспечить высокую универсальность предлагаемого потребителям сварочного оборудования. На предлагаемом оборудовании можно реализовать как минимум четыре различных процесса сварки: два процесса традиционной сварки в защитном газе (сварка плавящимся и непла-вящимся электродом), и два энергоэффективных процесса сварки с управляемым тепловложением (также сварка плавящимся и неплавящимся электродом). При этом для построения установок используются одни и те же универсальные сварочные модули. Это позволяет обеспечить достаточно обширный набор технических характеристик сварочного оборудования и оптимизировать стоимость комплекта оборудования в зависимости от решаемых на производстве задач и уровня материальной обеспеченности предприятия.
Наиболее дорогим и широкофункциональным является модификация оборудования № 6 (см. рис. 1), предназначенная для осуществления энергоэффективных процессов сварки с управляемым тепловло-жением. Если предприятию не требуется широкая функциональность, то наиболее бюджетным решением может стать применение всего одного модуля -внешнего коммутатора (это модификация № 7 или 8 на рис. 1). При этом энергоэффективность оборудования повышаться не будет, однако на данном оборудовании можно будет реализовывать энергоэффективные технологии сварки.
Таким образом, разработка блочно-модульный конструкции установок для дуговой сварки с управляемым тепловложением позволила устранить два основных недостатка выпускаемых ранее установок, построенных на базе двух независимых инверторных источников с половинной номинальной мощностью: это низкая универсальность таких установок в сочетании с их высокой стоимостью.
Выводы: 1. Применение принципа блочно-модульного построения конструкции установок для дуговой сварки с управляемым тепловложением позволяет существенно расширить универсальность выпускаемого сварочного оборудования и оптимизировать его стоимость в зависимости от решаемых на производстве задач и уровня материальной обеспеченности предприятия.
2. Все пять блоков и модулей, предназначенных для комплектации блочно-модульных установок для дуговой сварки с управляемым тепловложением, спроектированы и выпущены малой партией в виде промышленных образцов сварочной техники. Модули прошли необходимое тестирование и технические испытания.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 09 (131) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Заключение
Проведенные опытно-конструкторские работы позволили создать промышленные образцы пяти универсальных модулей, из которых собраны девять различных топологических модификаций блочно-модульных установок для дуговой сварки с управляемым тепловложением. Полученные конструкторские решения позволяют существенно расширить функциональность и универсальность установок для дуговой сварки с управляемым тепловложением и позволяют оптимизировать их стоимость. Завершенность предложенных конструкторских решений создает предпосылки к переходу на этап серийного производства блочно-модульной конструкции установок для дуговой сварки с управляемым тепловложением.
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки РФ, соглашение №14.В37.21.0339.
Список литературы
1. Патент на изобретение №2401726 РФ МПК В23К9/08. Способ сварки в защитном газе неплавя-щимся электродом магнитоуправляемой дугой / Смирнов И.В., Сидоров В.П., Захаренко А.И. // Бюлл. № 29. Опубликовано 20.10.2010.
2. Сидоров В.П., Смирнов И.В., Смирнова А.И., Добровольский В.Г., Архипкин Д.И. Экспериментальные исследования энергоэффективности процесса аргонодуговой сварки с управляемым тепловло-жением // Альтернативная энергетика и экология -ШЛББ. 2012. № 8. С. 131-136.
3. Смирнов И.В. Смирнова А.И., Архипкин Д.И., Мартюшев А.В. Экспериментальная оценка энергоэффективности технологии дуговой сварки в защитном газе плавящимся электродом с управляемым тепловложением // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2013. № 4/2. С. 138-141.
4. Сидоров В.П., Смирнов И.В., Хурин С.А., Смирнова А.И. Оценка энергоэффективности инвер-торного источника питания для дуговой сварки с управляемым тепловложением // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2011. № 11. С. 96102.
5. Смирнов И.В., Сидоров В.П., Хурин С.А., Смирнова А.И., Добровольский В.Г., Гилязев Э.С. Сравнение показателей энергоэффективности традиционного инверторного источника питания для дуговой сварки и инверторного источника питания для сварки с управляемым тепловложением // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2012. № 8. С. 138-141.
6. Смирнов И.В., Смирнова А.И., Архипкин Д.И. Эффективность применения различных топологий установок для дуговой сварки с управляемым тепло-вложением в зависимости от условий производства сварочных работ // Альтернативная энергетика и экология - ШАББ. 2012. № 12. С. 103-107.
7. Смирнов И.В. Смирнова А.И., Архипкин Д.И., Мартюшев А.В. Экспериментальная оценка энергоэффективности технологии дуговой сварки в защитном газе плавящимся электродом с управляемым тепловложением // Альтернативная энергетика и экология - ШАББ. 2013. № 2/2. С. 62-67.
ГхГ>
- TATA —
оо
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 09 (131) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
