Пути развития сварочных источников питания для судостроения и новые разработки ЗАО НПФ «ИТС».
В СССР и России на предприятиях судостроения в качестве источников питания для дуговой сварки плавящимся электродом в защитных газах традиционно применяется гамма различного сварочного оборудования. В настоящей работе предлагается классифицировать применяемое сварочное оборудования на шесть условных групп и на основе этой классификации определить дальнейшие пути развития сварочного оборудования по группам.
Работа представляет интерес для технологов предприятий судостроения с целью обоснованного применения различных сварочных установок для сварки плавящимся электродом в защитных газах.
Одним из первых и самым популярным сварочным выпрямителем тиристорного типа в России был сварочный выпрямитель ВДУ-506. Он применялся, как правило, с механизмом подачи сварочной проволоки ранцевого типа «ГРАНИТ». Разработан во ВНИИЭСО в 80-е годы. Выпрямитель ВДУ-506 был разработан исходя из идеологии сварки в защитных газах, наиболее распространенной в те годы. Так как в основном использовалась сварочная проволока типа Св-08Г2С диаметром 2,0 мм, а в качестве защитного газа применялся углекислый газ, то конструкция сварочного выпрямителя была рассчитана на большой сварочный ток (более 400А) и имела регулируемый дроссель, который изменял свою индуктивность в зависимости от стадии каплепереноса электродного металла (наиболее эффективной была регулировка дросселя на токах до 100А). При коротком замыкании дугового промежутка, дросселя уменьшал свою индуктивность и увеличивался ток дуги для более стабильного повторного зажигания дуги. При снижении рабочего тока дуги менее 350А, это приводило к повышенному разбрызгиванию.
Установка ВДУ-506 была целевой, предназначенной для сварки на больших токах дуги и диаметрах сварочной проволоки, поэтому динамические свойства этого выпрямителя были невысокими и в конце 90-х годов, когда проявилась тенденция к снижению сварочного тока и уменьшению диаметра сварочной проволоки, а также к применению смесей газов при сварке, применение их стало ограниченным.
Однако, в ряде отраслей промышленности, где используются форсированные режимы сварки, эти выпрямители не имеют альтернативы. На ОАО «ЭЛЕКТРИК» выпускались сварочные установки типов ВДУ-505 и ВДУ-3010 с аналогичными характеристиками. На ОАО «СЭЛМА» аналогичные установки выпускаются по настоящее время под названием ВДУ-506С. Импортным аналогом является выпрямитель LAW-520 фирмы «ESAB», Швеция.
Примерно в эти же годы в промышленности активно применялся сварочный выпрямитель типа ВС-632 для механизированной сварки разработки ИЭС им. Патона. В судостроительной промышленности применение этого типа выпрямителя было ограниченным, так как рабочий ток дуги был еще выше, чем у выпрямителя ВДУ-506.. Выпрямитель был выполнен конструктивно очень просто. Регулировка тока дуги осуществлялась за счет ступенчатого изменения напряжения. Дроссель был неуправляемый, поэтому каждый тип такого выпрямителя для получения оптимальных сварочных свойств был рассчитан на определенный диапазон тока дуги.
С учетом опыта использования выпрямителей ВС-632 впоследствии были разработаны значительная гамма сварочных выпрямителей со ступенчатой регулировкой тока дуги, такие как KEMPOWELD, Финляндия, ESABMIG, Швеция, VARIOSTAR, Австрия, ВС-300, 4020, 600, ИТС, Россия и многие другие фирмы.
Высокие сварочные свойства этих выпрямителей достигаются за счет тщательно подобранных индуктивностей трансформатора и дросселя в определенном диапазоне сварочного тока. Эти сварочные установки вместе с подающими механизмами ранцевого типа (Адмиралтеец, ПДГ-322 и др.) по настоящее время широко используются в российском судостроении на таких предприятиях, как «Адмиралтейские верфи», С-Петербург, ЦСС «Звездочка», Северодвинск и многих других предприятиях. Основной диаметр сварочной проволоки составляет 1,2 мм, ток дуги – не более 300А. Их главными положительными чертами являются высокая ремонтопригодность и простота в обслуживании. Недостатком является высокие требования к точности поддержания сварочного режима. В последнее время появились сварочные установки такого типа с элементами синергетики (ВС-450 и др.).
В конце 90-х годов на предприятиях судостроения стали активно применяться универсальные тиристорные сварочные выпрямители типа ВД-506ДК и ВДУ-511, разработанные в ЗАО НПФ «ИТС». Ближайшим импортным аналогом является тиристорный сварочный выпрямитель типа DC-400 (IDEAL ARC) фирмы LINCOLN ELECTRIC, США. Конструктивной особенностью этих сварочных установок является использование дополнительного маломощного источника питания (дополнительный дроссель у ВД-506ДК или батарея конденсаторов у ВДУ-511), которые разряжаются на дуговой промежуток в момент его замыкания. Таким образом, процесс сварки в значительной степени стабилизируется и требования к поддержанию точности сварочного режима снижаются. Эти выпрямители обеспечивают работу в широком диапазоне изменения сварочного тока и напряжения, позволяют выполнять сварку всех слоев сварного шва, включая корневой, с формированием обратного валика на весу во всех пространственных положениях. Основные типы применяемой сварочной проволоки – сплошного сечения и порошковая, диаметром 1,2 и 1,6 мм. Источники в судостроении применяются с механизмами подачи сварочной проволоки типа ПДГ-322М и «Адмиралтеец». Наиболее активно указанные источники применяются на ОАО «СЕВМАШ», где они составляют основу парка сварочной техники.
Инверторные источники для сварки стали активно применяться в 80-е годы. Причиной их активного применения стало резкое снижение материальных затрат при производстве этой техники и снижение стоимости электронных комплектующих, что дает значительное преимущество фирме-производителю. В судостроении России наиболее часто применяются инверторные сварочные источники фирмы Kemppi OY (Финляндия). Российских разработок в судостроении до последнего времени не применялось.
Инверторные источники имеют ряд преимуществ, обусловленных их низкими массогабаритными показателями по сравнению с выпрямителями, указанными в группах 1-3. Конверторные сварочные источники стали активно применяться на предприятиях судостроения в начале этого века.
Основным отличием от любых других сварочных источников питания является то, что электрическое питание сварочных конверторов осуществляется от традиционных электрических шин напряжением постоянного тока -50…90В. Выполняется также исполнение сварочных конверторов при питании от стандартной электрической сети напряжением 380В, 50Гц. Для сварочных конверторов типовой является несущая частота 19-21 кГц. На рис.1 приведена схема использования сварочных конверторов для ручной дуговой сварки и общий вид сварочных конверторов.
Использование сварочных коверторов можно условно разделить на два направления – использование сетевых сварочных конверторов (для работы от сетевого напряжения 380В, 50Гц) и использование сварочных конверторов при питании от низковольтных шин постоянного тока.
Использование электрического питания конверторов от низковольтных шин в судостроении имеет следующие преимущества по сравнению с любыми другими источниками питания:
Низковольтное питание (50…90В. постоянного тока) позволяет без ограничений, связанных с безопасностью работ, применять конверторы для сварки конструкций на плаву, в замкнутых объемах и на открытом стапеле;
Малые вес и габариты позволяют размещать конверторы на эстакадах, на палубе и внутри строящихся заказов;
Нечувствительность к броскам напряжения в заводской сети и отсутствие негативного влияния на питающую электрическую сеть по сравнению со сварочными инверторными источниками;
Возможность использования многопостовой сварки и отсутствие взаимного влияния постов при многопостовой сварке с использованием конверторных источников питания. На рис.2 приведены сравнительные осциллограммы процесса ручной дуговой сварки с использованием балластных реостатов и сварочных конверторов. Из анализа этих осциллограмм следует, что при сварке на сварочных конверторах, процесс сварки стабилен, в отличие от сварки с использованием балластных реостатов.
Выходные параметры сварочных конверторов идентичны параметрам сварочных инверторов (группа 4) и значительно превосходят параметры сварочных установок групп 1-3.
Использование сетевых сварочных конверторов и электрического питания от стандартной электрической сети также имеет преимущества по сравнению с любыми источниками питания. К ним относится:
Нечувствительность к броскам напряжения в заводской сети, в отличие от инверторных сварочных источников и отсутствие негативного влияния на питающую электрическую сеть по сравнению со сварочными инверторами;
Высокая ремонтопригодность сетевых сварочных конверторов, так как они выполнены на одной элементной базе с описанными выше сварочными конверторами и обслуживание их можно производить силами одной группы специалистов;
Выходные параметры сварочных конверторов идентичны параметрам сварочных инверторов (группа 4) и значительно превосходят параметры сварочных установок групп 1-3.
Недостатком сетевых сварочных конверторов являются их массогабаритные показатели, которые больше, чем у сварочных конверторов (группа 4), но меньше чем у традиционных сварочных установок (группа 1-3).
Впервые в России работы по созданию сварочных конверторов начались в ЗАО НПФ «ИТС». Создана и промышленно освоена гамма сварочных конверторов КСУ-320 (серия 06 и серия 01-10) и КСУ-500 для ручной дуговой и механизированной сварки, КСС-50ТИГ – для аргонодуговой сварки титана и его сплавов, а также сетевые сварочные конверторы - ВДУ-1500 для автоматической сварки под слоем флюса с подачей ультразвука в область сварочной ванны, ВД-320КС (серия 03 и серия 01-10) и ВД-500КС для ручной дуговой, аргонодуговой и механизированной сварки.
В 2012 году на серийное производство поставлены новые конверторные источники КСУ-320 (серия 01-10), КСУ-500 и сетевые конверторы ВД-320КС (серия 01-10) и ВД-500КС со значительно улучшенными характеристиками по механизированной сварке в защитных газах.
Основные потребители этих установок – ОАО «СЕВМАШ» - более 400 сварочных конверторов и ЦСС «Звездочка».
За рубежом наибольшие достижения по проектированию сварочных конверторов у фирм «ESSETI», Италия и LINCOLN ELECTRIC, США.
А
Б
В
Рис.1 Схема включения сварочных конверторов (А), общий вид универсального сварочного конвертора типа КСУ-320(Б) и сварочного конвертора КСС-500 ТИГ для аргонодуговой сварки титана..
А
Б
Рис.2 Осциллограммы сварочного тока при многопостовой сварке с использованием балластных реостатов (А) и сварочных конверторов (Б).
При выпуске новых конверторов КСУ-320, ВД-320КС, КСУ-500 и ВД-500КС использованы следующие основные схемные решения и подходы:
Конверторы КСУ-320 и сетевые конверторы ВД-320 КС выполнены с цифровой схемой управления. Технологическая модернизация этих установок будет осуществляться заменой микрочипа в их схеме управления. Имеют два мощных микропроцессора. На одном из них реализованы процессы ручной дуговой и арогонодуговой сварки, а также динамическое управление процессом механизированной сварки в защитных газах, на втором микропроцессоре – стабилизация напряжения в режиме механизированной сварки в защитных газах и ограничение тока короткого замыкания.
Конверторы КСУ-500 и ВД-500КС выполнены с аналоговой системой управления. Технологическая модернизация этих источников будет производиться заменой платы управления источниками.
Все конверторы выполнены с блоком снижения напряжения при ручной дуговой сварке, имеют эффективное регулирование индуктивности сварочной цепи.
На рис.3 показан общий вид сетевых сварочных конверторов типов ВД-320КС (серия 01-10) и ВД-500КС.
А
Б
Рис.3 Общий вид сетевых сварочных конверторов ВД-320КС (А) и ВД-500КС (Б)
Инверторные сварочные установки ВДУ-508 «ПИОНЕР» резонансного типа с адаптивными сварочными трансформаторами – новая для России ступень в развитии сварочных инверторов.
В ЗАО НПФ «ИТС» разработка этой установки велась последние три года. Указанная схема сварочной установки была выбрана исходя из того, что как показали наши работы последних лет, выпуск инверторной сварочной техники по лицензии зарубежных компаний не представляется перспективным исходя из того, что стоимость такого производства не более, чем на 10% дешевле, чем стоимость оригинальных установок и имеются серьезные ограничения по их доработке и адаптации к Российским условиям.
Кроме того, фирма – производитель оказывается жестко привязана к поставкам комплектующих изделий конкретного производителя. Собственно, на примере многих других российских фирм очевидна неперспективность такого подхода.
Поэтому, был взят курс на собственную разработку. За базу были выбраны некоторые сварочные инверторные источники питания ведущих мировых фирм. При этом очень важным фактором был принцип недорогой цены и возможность достижения максимальных сварочных свойств новых установок по сравнению с ведущими мировыми сварочными фирмами – производителями.
Другим принципом разработки новых инверторных сварочных установок была максимальная адаптация элементной базы и схемных решений с новыми конверторными источниками (группа 5), чтобы обслуживание их на предприятиях вела одна группа специалистов.
Схемотехнически инверторы ВДУ-508 «ПИОНЕР» построены на основе резонансного преобразования с коммутацией силовых ключей в ноле тока (ZCS).
Источник характерен тем, что при коротком замыкании дугового промежутка (сварка в среде CO2), или резком повышении тока (сварка в смеси Ar - CO2) происходит увеличение собственной резонансной частоты сварочного контура, что, при неизменной несущей частоте задающего генератора преобразователя частоты, ведет к ограничению тока короткого замыкания и уменьшению разбрызгивания.
На рис.4 приведены сравнительные блок-схемы традиционных инверторных источников, инверторных источников резонансного типа и конверторных сварочных источников
.
Блок-схема сварочного инвертора традиционного типа
Блок-схема сварочного инвертора резонансного типа
Блок схема сварочного конвертора
Рис.4 Блок схемы традиционных сварочных инверторов, сварочных инверторов резонансного типа и сварочных конверторов.
На рис.4 приведены следующие условные обозначения:
Сетевой фильтр, блокирующий входную ВЧ помеху.
Силовой выпрямитель.
Ключи ВЧ коммутации.
Блок питания системы управления.
Система управления.
Резонансная цепь.
Быстродействие резонансного контура в силовой цепи, намного превышает быстродействие, которое можно получить при помощи электронных схем управления, поэтому динамика отслеживания процесса переноса капель электродного металла у резонансных инверторов выше, как и выше стабильность процесса сварки.
Особенностью конструкции линии инверторов ВДУ-508 «ПИОНЕР» так же, является применение нанокристаллического магнитопровода высокочастотного трансформатора (материал аналогичный магнитопроводам «Гаммамет»). Материал представляет собой известный железо-никелевый сплав «пермаллой», но последний, способен работать с рабочей индукцией 0,8 Тл. на частотах до 5 кГц. – измельчение кристаллической структуры сплава до «нано» уровня позволило поднять частоту с тем же значением рабочей индукции до 30 кГц., с индукцией 0,6 Тл. – до 50кГц. Он сохраняет свои магнитные свойства при нагреве.
Улучшение свойств объясняется снижением затрат энергии (снижение значения коэрцитивной силы - уменьшение ширины петли гистерезиса) на перемагничивание доменных областей кристаллической структуры сплава. Указанное свойство позволяет применять, относительно, низкочастотные IGBT и MOSFEET модули уже находящиеся в серийном производстве, их конструкция отработана, в результате чего цена на комплектующие значительно ниже. Это делает сварочные инверторы «ПИОНЕР» конкурентоспособными на всех рынках с продукцией по группе 4.
Как следует из анализа блок-схем построения сварочных инверторов традиционного и резонансного типа, различием между этими схемами является наличие резонансного контура 6, включающего дроссель, конденсатор и обмотку трансформатора. Это контур подлежит настройке по резонансной частоте. Новым техническим решением в инверторах типа «ПИОНЕР» является наличие нанокристаллического магнитопровода, который позволил резко упростить схему управления 5 инвертором.
Это сделало возможным эффективное производство инвертора ВДУ-508 «ПИОНЕР» на территории РФ и упрощение его технического обслуживания, вместе с другими, указанными выше преимуществами.
На наш взгляд основным достоинством созданной новой линейки сварочной техники является то, что наряду с высокими технологическими свойствами новых установок (конверторных, сетевых конверторных и инверторных) они отвечают всем требованиям отечественного судостроения по части максимальной близости элементной базы и схемных решений, что позволяет производить обслуживание всех новых установок силами одной группы специалистов.
В таблице 1 приведены основные технические характеристики инверторных сварочных источников типа ВДУ-508 «ПИОНЕР», сварочных конверторов типа КСУ-320 (серия 01-10), КСУ-500, сетевых сварочных конверторов ВД-320КС (серия 01-10) и ВД-500КС..
Наименование источника
Режимы работы
Диапазон регулирования сварочного тока, А
Диапазон регулирования сварочного напряжения, В
Схема выпрямления тока
Схема управления
Масса, кг
КСУ-320 (серия 01-10)
ММА, МИГ
60-320А
290А-ПВ100%
конвертор
Цифровая, 19-21 кГц
13
КСУ-500
50-500А
400А-ПВ100%
Аналоговая, 19-21 кГц
26
ВД-320КС (серия 01-10)
ММА, МИГ, ТИГ
60-320А
290А-ПВ100%
15-32
Цифровая, 19-21 кГц
75
ВД-500КС
50-500А
400А-ПВ100%
15-34
Аналоговая, 45Кгц (Пионер),
19-21 кГц (ВД-500КС_
115
ВДУ-508 «ПИОНЕР»
50-500А
400А-ПВ100%
15-32
инвертор
50
Таким образом, из приведенной классификации следует, что дальнейшее развитие применения сварочной техники в судостроении пойдет в жесткой конкуренции между сварочными установками 4, 5 и 6 групп (инверторные и конверторные источники). Самым серьезным вопросом здесь является наличие специалистов по техническому обслуживанию сварочных установок. Далеко не на всех предприятиях произведена подготовка таких специалистов. Следует отметить, что для их эффективного применения требуются хорошие электрические сети.
Сварочные установки 3 группы вероятнее всего уйдут с рынка судостроения сами по себе из-за высокой себестоимости, вызванной их высокой материалоемкостью. Однако, этот переход следует выполнять очень осторожно, так как на всех предприятиях судостроения имеются подготовленные группы специалистов для технического обслуживания именно этой группы установок..
Сварочные установки 2 группы останутся незыблемыми на рынке судостроения из-за необходимости наличия на рынке судостроения предельно ремонтопригодной техники. Техническое обслуживание этой техники не вызывает вопросов и не требует специальной подготовки специалистов.
Сварочные установки 1 группы останутся только в некоторых областях рынка судостроения, где требуется простая и высокопроизводительная сварка при минимальных требованиях к свойствам сварного шва.
Выводы:
В работе представлена классификация источников питания для дуговой сварки в судостроении, состоящая из 6 условных групп сварочных источников. На основании этой классификации определены направления работ по созданию новой дуговой техники, произведена разработка и освоено промышленное производство новой для России линейки сварочных источников инверторного и конверторного типов.
В области конверторных сварочных источников, предназначенных для питания от шинопроводов низкого напряжения (45-90В) на рынок судостроения представлены новые источники КСУ-320 (серия 01-10) и КСУ-500, основное отличие которых от конверторных источников предыдущих версий заключается в новой компоновке, адаптированной к требованиям судостроения и наличию режимов высококачественной механизированной сварки плавящимся электродом в защитных газах. Новые источники успешно заменят старые конверторные источники при сварке на стапелях и в конструкциях на плаву.
В области сетевых сварочных конверторов, предназначенных для питания от стандартной электрической сети 380В, 50ГЦ на рынок судостроения представлены новые универсальные источники ВД-320КС (серия 01-10) и ВД-500КС, основное отличие которых от аналогичных источников предыдущих версий заключается в наличии режимов высококачественной механизированной сварки плавящимся электродом в защитных газах и адаптации к аргонодуговой сварке титана и его сплавов с помощью блока БУ-ТИГ. Новые источники успешно заменят старые источники в условиях скачков напряжений питания электрических сетей и в условиях изношенных электрических сетей при работе на стапелях и в промышленных цехах.
В области инверторных сварочных источников на рынок судостроения представлен новый универсальный инвертор резонансного типа ВДУ-508 «ПИОНЕР», который по своим сварочным свойствам способен успешно конкурировать с зарубежными инверторными установками для дуговой сварки. Предназначен для эксплуатации в условиях цехов промышленных предприятий.
Все новые источники питания адаптированы к условиям эксплуатации в России по климатическим условиям, отечественным электрическим сетям, техническому обслуживанию. Все новые источники, независимо от принципа их работы (инвертор, конвертор) имеют схожие схемные решения и элементную базу, что позволяет существенно повысить эффективности их технического обслуживания. По такому принципу, новая линейка сварочных источников не имеет равных в мировой практике.
Производство новых источников питания осуществляется в условиях производственной кооперации на предприятиях входящих в группу «ИТС», а именно на ОАО «СЭЛМА», Симферополь, ОАО «ЭСВА», Калининград и ЗАО НПФ «ИТС», С-Петербург.
