способ сварки и сварочный агрегат с питанием от топливного элемента

Формула изобретения

1. Аппарат для электродуговой сварки, формирующий сварной шов на обрабатываемой детали и содержащий расходуемый электрод, сварочную цепь, по меньшей мере частично управляющую по меньшей мере одним сварочным параметром тока, проходящего между указанным расходуемым электродом и указанной деталью, и источник электроэнергии для подачи достаточных напряжения и тока к указанной сварочной цепи, чтобы вызвать электрическую дугу между указанным расходуемым электродом и указанной деталью, отличающийся тем, что указанный источник электроэнергии включает в себя несколько собранных в комплект топливных элементов с суммарным напряжением комплекта по меньшей мере около 15,4 В, производящих энергию, достаточную для выработки сварочного тока по меньшей мере около 100 А и сварочного напряжения по меньшей мере около 20 В, по меньшей мере один из указанных топливных элементов выбран из группы, состоящей из топливного элемента непрямого действия, топливного элемента прямого действия и их сочетаний, а указанный сварочный параметр выбран из группы, состоящей из напряжения, тока, энергии, мощности, полярности и их сочетаний.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один из указанных топливных элементов имеет оптимальное время переходного процесса около 500-800 мс и оптимальную рабочую точку в пределах плотности тока около 400-700 мА/см².

3. Аппарат по п.1 или 2, отличающийся тем, что указанная сварочная цепь снабжена импульсной схемой для повышения напряжения указанного источника электроэнергии.

4. Аппарат по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что указанная сварочная цепь снабжена повышающей импульсной схемой для повышения напряжения указанного источника электроэнергии.

5. Аппарат по п.1 или 2, отличающийся тем, что напряжение, производимое указанным источником электроэнергии, превышает потребности нагрузки при переходном периоде для указанной импульсной схемы.

6. Аппарат по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что по меньшей мере один из указанных топливных элементов включает в себя анод, катод и по меньшей мере одну твердополимерную протонопроводящую мембрану, расположенную между анодом и катодом.

7. Аппарат по п.6, отличающийся тем, что указанный анод содержит металл, выбранный из группы, состоящей из платинорутениевого, платинооловянного, платиноиридиевого, платиноосмиевого и платинорениевого сплавов и их смесей.

8. Аппарат по п.6 или 7, отличающийся тем, что указанная твердополимерная протонопроводящая мембрана содержит материал, выбранный из группы, состоящей из сополимера тетрафторэтилена и перфторсульфокислоты, полимера перфторсульфокислоты, полиуглеводородсульфокислоты и их смесей.

9. Аппарат по любому из пп.6-8, отличающийся тем, что указанная твердополимерная протонопроводящая мембрана содержит катализатор, включающий в себя материал, выбранный из группы, состоящей из Ir, Mo, Nb, Nu, Os, Pd, Pt, Re, Ru, RuO₂, Sn, SnO₂, Ti, W, WO₃, Zr и их сочетаний.

10. Аппарат по любому из пп.6-9, отличающийся тем, что он содержит по крайней мере две твердополимерные протонопроводящие мембраны, состав одной из которых отличен от состава другой.

11. Аппарат по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что по меньшей мере один из указанных топливных элементов содержит органический реагент.

12. Аппарат по п.11, отличающийся тем, что указанный органический реагент содержит реагент, выбранный из группы, состоящей из метанола, формальдегида, муравьиной кислоты, диметоксиметана, триметоксиметана, триоксана и их сочетаний.

13. Аппарат по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что по меньшей мере один из указанных топливных элементов содержит жидкий реагент.

14. Аппарат по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что газовый продукт, образуемый по меньшей мере одним из указанных топливных элементов, по меньшей мере частично используется в качестве защитного газа.

15. Аппарат по п.14, отличающийся тем, что указанный газовый продукт содержит газ, выбранный из группы, состоящей из окиси углерода, двуокиси углерода и их сочетаний.

16. Аппарат по любому из пп.1-15, отличающийся тем, что указанная сварочная цепь содержит контур сварочного тока, подающий ток к указанному расходуемому электроду и регулирующий форму волны указанного тока, чтобы подавать достаточное количество тока к указанному электроду для формирования указанного сварного шва на указанной детали.

17. Аппарат по п.16, отличающийся тем, что указанная сварочная цепь направляет заданное количество энергии к указанному электроду для расплавления относительно постоянного объема указанного электрода в течение каждого сварочного цикла.

18. Аппарат по п.16 или 17, отличающийся тем, что содержащийся в указанной сварочной цепи контур сварочного тока, подающий ток к указанному электроду, снабжен первой схемой для образования тока переноса и второй схемой для образования тока плавления, подающей достаточное количество тока к указанному электроду для формирования указанного сварного шва на указанной детали.

19. Аппарат по п.18, отличающийся тем, что указанная вторая схема уменьшает количество тока, подаваемого к указанному электроду, перед тем как расплавленный металл указанного электрода создает короткое замыкание на указанную деталь.

20. Аппарат по п.18 или 19, отличающийся тем, что указанная вторая схема создает затухающий контур волны тока при его уменьшении.

21. Аппарат по любому из пп.18-20, отличающийся тем, что в конце фазы короткого замыкания между указанным электродом и указанной деталью указанная первая схема подает импульс большого тока и поддерживает его вплоть до расчетного окончания фазы короткого замыкания.

22. Аппарат по любому из пп.18-21, отличающийся тем, что указанная первая схема уменьшает количество тока, подаваемого к указанному электроду, перед тем как расплавленный металл указанного электрода создает режим короткого замыкания на деталь.

23. Аппарат по любому из пп.1-22, отличающийся тем, что указанная сварочная цепь содержит схему для генерирования фонового тока, подающую фоновый ток через указанный электрод.

24. Аппарат по любому из пп.1-23, отличающийся тем, что указанный расходуемый электрод выполнен в виде металлического электрода с флюсовой сердцевиной.

25. Аппарат по п.24, отличающийся тем, что флюсовая сердцевина указанного расходуемого электрода содержит сплавляющиеся компоненты для образования сварного шва, состав которого, по существу, сходен с составом указанной детали.

26. Аппарат по любому из пп.1-25, отличающийся тем, что указанная сварочная цепь содержит контроллер полярности тока для регулирования полярности по крайней мере части тока, проходящего через указанный электрод.

27. Аппарат по любому из пп.1-26, отличающийся тем, что указанная сварочная цепь создает последовательность импульсов тока малой длительности, составляющих сварочный цикл, причем каждый указанный импульс тока в указанном цикле имеет заданную электрическую полярность, а указанный контроллер полярности выбирает полярность указанных импульсов в указанном цикле между первой, положительной и второй, отрицательной полярностями.

28. Аппарат по п.26 или 27, отличающийся тем, что указанный контроллер полярности содержит декодер с первым режимом выбора одной из указанных первой и второй полярностей для первого ряда последовательных сварочных циклов и вторым режимом выбора другой из указанных полярностей для второго ряда последовательных циклов, а также устройство для смены указанных первого и второго режимов в течение сварочной операции.

29. Аппарат по любому из пп.1-28, отличающийся тем, что указанная сварочная цепь содержит центральный секционный индуктор, первая секция которого создает указанную первую полярность, а вторая секция - указанную вторую полярность, первый переключатель для подключения указанной первой секции указанного индуктора между указанным электродом и указанной деталью, второй переключатель для подключения указанной второй секции указанного индуктора между указанным электродом и указанной деталью и селектор для включения указанного первого переключателя или указанного второго переключателя в течение заданного сварочного цикла.

30. Способ электродуговой сварки для формирования сварного шва на обрабатываемой детали, включающий a) использование расходуемого электрода; b) использование источника электроэнергии, вырабатывающего ток, и c) подачу указанного тока для образования дуги между указанным расходуемым электродом и указанной деталью, отличающийся тем, что в качестве источника электроэнергии используют источник, содержащий несколько собранных в комплект топливных элементов с суммарным напряжением комплекта по меньшей мере около 15,4 В, производящих энергию, достаточную для выработки сварочного тока по меньшей мере около 100 А и сварочного напряжения по меньшей мере около 20 В, причем по меньшей мере один из указанных топливных элементов выбран из группы, состоящей из топливного элемента непрямого действия, топливного элемента прямого действия и их сочетаний.

31. Способ по п.30, отличающийся тем, что по меньшей мере один из указанных топливных элементов имеет оптимальное время переходного процесса около 500-800 мс и оптимальную рабочую точку в пределах плотности тока около 400-700 мА/см².

32. Способ по п.30 или 31, отличающийся тем, что он включает в себя использование сварочной цепи, содержащей контур повышения напряжения указанного источника электроэнергии.

33. Способ по п.32, отличающийся тем, что указанный контур повышения напряжения содержит импульсную схему.

34. Способ по п.32 или 33, отличающийся тем, что указанный контур повышения напряжения содержит повышающую импульсную схему.

35. Способ по любому из пп.32-34, отличающийся тем, что указанный источник электроэнергии производит напряжение, которое превышает потребности нагрузки при переходном периоде для указанного контура повышения напряжения.

36. Способ по любому из пп.30-35, отличающийся тем, что по меньшей мере один из указанных топливных элементов включает в себя анод, катод и по меньшей мере одну твердополимерную протонопроводящую мембрану, расположенную между анодом и катодом.

37. Способ по п.36, отличающийся тем, что указанный анод содержит металл, выбранный из группы, состоящей из платинорутениевого, платинооловянного, платиноиридиевого, платиноосмиевого и платинорениевого сплавов и их смесей.

38. Способ по п.36 или 37, отличающийся тем, что указанная твердополимерная протонопроводящая мембрана содержит материал, выбранный из группы, состоящей из сополимера тетрафторэтилена и перфторсульфокислоты, полимера перфторсульфокислоты, полиуглеводородсульфокислоты и их смесей.

39. Способ по любому из пп.36-38, отличающийся тем, что указанная твердополимерная протонопроводящая мембрана содержит катализатор, включающий в себя материал, выбранный из группы, состоящей из Ir, Mo, Nb, Nu, Os, Pd, Pt, Re, Ru, RuO₂, Sn, SnO₂, Ti, W, WO₃, Zr и их сочетаний.

40. Способ по любому из пп.36-39, отличающийся тем, что используют по крайней мере две твердополимерные протонопроводящие мембраны, состав одной из которых отличен от состава другой.

41. Способ по любому из пп.36-40, отличающийся тем, что используют органический реагент по меньшей мере в одном из указанных топливных элементов.

42. Способ по п.41, отличающийся тем, что указанный органический реагент содержит реагент, выбранный из группы, состоящей из метанола, формальдегида, муравьиной кислоты, диметоксиметана, триметоксиметана, триоксана и их сочетаний.

43. Способ по любому из пп.30-42, отличающийся тем, что используют жидкий реагент по меньшей мере в одном из указанных топливных элементов.

44. Способ по любому из пп.30-43, отличающийся тем, что газовый продукт по меньшей мере одного из указанных топливных элементов используют по меньшей мере частично в качестве защитного газа.

45. Способ по п.44, отличающийся тем, что указанный газовый продукт содержит газ, выбранный из группы, состоящей из окиси углерода, двуокиси углерода и их сочетаний.

46. Способ по любому из пп.32-45, отличающийся тем, что указанная сварочная цепь содержит контур сварочного тока, подающий ток к указанному расходуемому электроду и регулирующий форму волны указанного тока, чтобы подавать достаточное количество тока к указанному электроду для формирования указанного сварного шва на указанной детали.

47. Способ по п.46, отличающийся тем, что указанная сварочная цепь направляет заданное количество энергии к указанному электроду для расплавления относительно постоянного объема указанного электрода в течение каждого сварочного цикла.

48. Способ по п.46 или 47, отличающийся тем, что содержащийся в указанной сварочной цепи контур сварочного тока, подающий ток к указанному электроду, снабжен первой схемой для образования тока переноса и второй схемой для образования тока плавления, подающей достаточное количество тока к указанному электроду для формирования указанного сварного шва на указанной детали.

49. Способ по п.48, отличающийся тем, что указанная вторая схема уменьшает количество тока, подаваемого к указанному электроду, перед тем как расплавленный металл указанного электрода создает короткое замыкание на указанную деталь.

50. Способ по п.48 или 49, отличающийся тем, что указанная вторая схема создает затухающий контур волны тока при его уменьшении.

51. Способ по любому из пп.48-50, отличающийся тем, что в конце фазы короткого замыкания между указанным электродом и указанной деталью указанная первая схема подает импульс большого тока и поддерживает его вплоть до расчетного окончания фазы короткого замыкания.

52. Способ по любому из пп.48-51, отличающийся тем, что указанная первая схема уменьшает количество тока, подаваемого к указанному электроду, перед тем как расплавленный металл указанного электрода создает режим короткого замыкания на деталь.

53. Способ по любому из пп.32-52, отличающийся тем, что указанная сварочная цепь содержит схему для генерирования фонового тока, подающую фоновый ток через указанный электрод.

54. Способ по любому из пп.30-53, отличающийся тем, что в качестве указанного расходуемого электрода используют металлический электрод с флюсовой сердцевиной.

55. Способ по п.54, отличающийся тем, что флюсовая сердцевина указанного расходуемого электрода содержит сплавляющиеся компоненты для образования сварного шва, состав которого, по существу, сходен с составом указанной детали.

56. Способ по любому из пп.30-55, отличающийся тем, что полярность тока, подаваемого к указанному электроду, регулируют с использованием контроллера полярности.

57. Способ по любому из пп.30-56, отличающийся тем, что создают последовательность имеющих малую длительность импульсов указанного тока, каждый из которых имеет заданную электрическую полярность.

58. Способ по п.56 или 57, отличающийся тем, что полярность указанного тока изменяют как функцию суммарного количества энергии, переданной указанному расходуемому электроду и указанной детали при одной полярности, и суммарного количества энергии, переданной указанному расходуемому электроду и указанной детали при другой полярности.

59. Способ по любому из пп.56-58, отличающийся тем, что указанный контроллер полярности содержит декодер с первым режимом выбора одной из указанных первой и второй полярностей для первого ряда последовательных сварочных циклов и вторым режимом выбора другой из указанных полярностей для второго ряда последовательных циклов, а также устройство для смены указанных первого и второго режимов в течение сварочной операции.

60. Способ по любому из пп.32-59, отличающийся тем, что указанная сварочная цепь содержит центральный секционный индуктор, первая секция которого создает указанную первую полярность, а вторая секция - указанную вторую полярность, первый переключатель для подключения указанной первой секции указанного индуктора между указанным электродом и указанной деталью, второй переключатель для подключения указанной второй секции указанного индуктора между указанным электродом и указанной деталью и селектор для включения указанного первого переключателя или указанного второго переключателя в течение заданного сварочного цикла.

61. Аппарат для электродуговой сварки, формирующий сварной шов на обрабатываемой детали и содержащий электрод, сварочную цепь, по меньшей мере частично управляющую по меньшей мере одним сварочным параметром тока, проходящим между указанным электродом и указанной деталью, и источник электроэнергии для подачи достаточных напряжения и тока к указанной сварочной цепи, чтобы вызвать электрическую дугу между указанным электродом и указанной деталью, отличающийся тем, что указанный источник электроэнергии включает в себя несколько собранных в комплект топливных элементов с суммарным напряжением комплекта по меньшей мере около 15,4 В, производящих энергию, достаточную для выработки сварочного тока напряжением по меньшей мере около 20 В, силой по меньшей мере около 100 А и мощностью в нагрузке по меньшей мере около 2 кВт, указанная сварочная цепь содержит импульсную схему для повышения напряжения указанного источника электроэнергии, указанные топливные элементы содержат органический реагент, выбранный из группы, состоящей из метанола, формальдегида, муравьиной кислоты, диметоксиметана, триметоксиметана, триоксана и их сочетаний, а по меньшей мере один из указанных топливных элементов выбран из группы, состоящей из топливного элемента непрямого действия, топливного элемента прямого действия и их сочетаний, причем указанный сварочный параметр выбран из группы, состоящей из напряжения, тока, энергии, мощности, полярности и их сочетаний, а напряжение, производимое указанным источником электроэнергии, превышает потребности нагрузки при переходном периоде для указанной импульсной схемы.

62. Аппарат по п.61, отличающийся тем, что сварочная цепь содержит повышающую импульсную схему для повышения напряжения указанного источника электроэнергии.

63. Аппарат по п.61 или 62, отличающийся тем, что указанный топливный элемент включает в себя анод, катод и по меньшей мере одну твердополимерную протонопроводящую мембрану, расположенную между анодом и катодом.

64. Аппарат по любому из пп.61-63, отличающийся тем, что указанные топливные элементы имеют оптимальное время переходного процесса около 500-800 мс и оптимальную рабочую точку в пределах плотности тока около 400-700 мА/см².

65. Аппарат по любому из пп.61-64, отличающийся тем, что газовый продукт, образуемый по меньшей мере одним из указанных топливных элементов, по меньшей мере частично используется в качестве защитного газа.

66. Аппарат по п.65, отличающийся тем, что указанный газовый продукт содержит газ, выбранный из группы, состоящей из окиси углерода, двуокиси углерода и их сочетаний.

67. Аппарат по любому из пп.61-66, отличающийся тем, что указанная сварочная цепь содержит контур сварочного тока, подающий ток к указанному электроду и снабженный первой схемой для образования тока переноса и второй схемой для образования тока плавления, при этом указанная вторая схема подает достаточное количество тока к указанному электроду для формирования указанного сварного шва на указанной детали.

68. Аппарат по п.67, отличающийся тем, что указанная вторая схема направляет заданное количество энергии к указанному электроду для расплавления относительно постоянного объема указанного электрода в течение каждого сварочного цикла.

69. Аппарат по п.67 или 68, отличающийся тем, что в конце фазы короткого замыкания между указанным электродом и указанной деталью указанная первая схема подает импульс большого тока и поддерживает его вплоть до расчетного окончания фазы короткого замыкания.

70. Аппарат по любому из пп.61-69, отличающийся тем, что указанная сварочная цепь содержит схему для генерирования фонового тока, подающую фоновый ток через указанный электрод.

71. Аппарат по любому из пп.61-70, отличающийся тем, что указанный расходуемый электрод выполнен в виде металлического электрода с флюсовой сердцевиной.

72. Аппарат по любому из пп.61-71, отличающийся тем, что указанная сварочная цепь содержит контроллер полярности тока для регулирования полярности по крайней мере части тока, проходящего через указанный электрод.

73. Аппарат по любому из пп.61-72, отличающийся тем, что указанная сварочная цепь создает последовательность импульсов тока малой длительности, составляющих сварочный цикл, имеющий фазу короткого замыкания с переносом металла и плазменную фазу с плавлением, причем каждый указанный импульс тока в указанном цикле имеет заданную электрическую полярность, а указанный контроллер полярности выбирает полярность указанных импульсов в указанном цикле между первой, положительной и второй, отрицательной полярностями.

74. Способ электродуговой сварки для формирования сварного шва на обрабатываемой детали, включающий a) использование металлического электрода; b) использование источника электроэнергии, вырабатывающего ток; c) использование сварочной цепи и d) подачу указанного тока в указанную сварочную цепь для образования дуги между указанным электродом и указанной деталью, отличающийся тем, что в качестве источника электроэнергии используют источник, содержащий несколько собранных в комплект топливных элементов, по меньшей мере один из которых выбран из группы, состоящей из топливного элемента непрямого действия, топливного элемента прямого действия и их сочетаний, причем указанные топливные элементы имеют суммарное напряжение комплекта по меньшей мере около 15,4 В, производят энергию, достаточную для выработки сварочного тока напряжением по меньшей мере около 20 В, силой по меньшей мере около 100 А и мощностью в нагрузке по меньшей мере около 2 кВт, и содержат органический реагент, выбранный из группы, состоящей из метанола, формальдегида, муравьиной кислоты, диметоксиметана, триметоксиметана, триоксана и их сочетаний, при этом в составе сварочной цепи используют контур повышения напряжения указанного источника электроэнергии, производящего напряжение, которое превышает потребности нагрузки при переходном периоде для указанного контура повышения напряжения.

75. Способ п.74, отличающийся тем, что указанный контур повышения напряжения содержит импульсную схему.

76. Способ по п.74 или 75, отличающийся тем, что указанный контур повышения напряжения содержит повышающую импульсную схему.

77. Способ по любому из пп.74-76, отличающийся тем, что указанные топливные элементы имеют оптимальное время переходного процесса около 500-800 мс и оптимальную рабочую точку в пределах плотности тока около 400-700 мА/см².

78. Способ по любому из пп.74-77, отличающийся тем, что газовый продукт, образуемый по меньшей мере одним из указанных топливных элементов, используют по меньшей мере частично в качестве защитного газа.

79. Способ по любому из пп.74-78, отличающийся тем, что указанная сварочная цепь по меньшей мере частично регулирует форму волны указанного тока, подаваемого к указанному электроду.

80. Способ по любому из пп.74-79, отличающийся тем, что в качестве указанного электрода используют расходуемый металлический электрод с флюсовой сердцевиной.

81. Способ по любому из пп.74-80, отличающийся тем, что указанная сварочная цепь формирует волну подаваемого на указанный электрод тока, имеющую фазу переноса при коротком замыкании и фазу управляемого плавления.

82. Способ по п.81, отличающийся тем, что на указанной фазе управляемого плавления к электроду подают заданное количество энергии или заданное количество мощности.

83. Способ по любому из пп.74-82, отличающийся тем, что указанная сварочная цепь формирует имеющий высокую индуктивную составляющую фоновый ток, уровень которого едва выше уровня, необходимого для поддержания дуги между указанным электродом и указанной деталью на всем протяжении каждого сварочного цикла.

84. Способ по любому из пп.79-83, отличающийся тем, что указанная сварочная цепь управляет полярностью электрической волны тока, подаваемого к указанному электроду.

85. Способ по любому из пп.79-84, отличающийся тем, что указанная электрическая волна содержит последовательность импульсов тока малой длительности, каждый из которых имеет заданную полярность.

86. Способ по п.84 или 85, отличающийся тем, что в течение сварочного цикла полярность указанной электрической волны чередуют между первой и второй полярностями.

87. Способ по любому из пп.84-86, отличающийся тем, что полярность указанной электрической волны изменяют как функцию суммарного количества энергии, переданной указанному электроду и указанной детали при одной полярности, и суммарного количества энергии, переданной указанному электроду и указанной детали при другой полярности.

Описание изобретения к патенту

Текст описания в факсимильном виде (см. графическую часть)у