ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ

Источники питания сварочной дуги должны отвечать следующим требованиям: 1) обеспечивать необходимые для данного техноло­гического процесса силу тока дуги и напряжение дуги; 2) иметь необходимый вид внешней характеристики, чтобы выполнить условия стабильного горения дуги; 3) иметь такие динамические параметры, чтобы можно было обеспечить нормальное возбужде­ние дуги и минимальный коэффициент разбрызгивания.

Обычно напряжение холостого хода источников питания сва­рочной дуги составляет 70—90 В. Мощность определяется силой необходимого сварочного тока для данного технологического процесса. Для снижения расхода электроэнергии при сварке и обеспечения падающей внешней характеристики необходимо пра­вильное соотношение магнитпых потоков в магнитных цепях источников питания.

('варочные генераторы. Принцип получения падающей внеш­ней характеристики генератора путем изменения потока в воз­душном зазоре под полюсом является основным для современных сварочных генераторов.

Но форме внешних характеристик сварочные генераторы постоянного тока можно подразделить на следующие группы: генераторы с падающими внешними характеристиками; генера­торы с жесткими внешними характеристиками; универсальные генераторы, позволяющие получать падающие и жесткие внеш­ние характеристики путем переключения обмоток.

Генератор имеет две обмотки возбуждения: намагничивающую ПО, включенную параллельно нагрузке между одной из основ­ных щеток и дополнительной, или питаемую от отдельного источ-

6 Д. И. Апулов и др.

ника постоянного тока; последовательную обмотку ПО, включен­ную в цепь якоря генератора.

Потоки Фн — намагничивающий и Фп — поток последова­тельной обмотки, создаваемые намагничивающими силами этих обмоток, направлены встречно в генераторах с падающими или согласно в генераторах с жесткими характеристиками.

Последовательная обмотка в большинстве генератооов, выпол­ненных по таким схемам, имеет несколько секций, что дает возможность ступенчатого изменения числа витков этой об­мотки.

Основной способ регулирования режима данных систем гене­раторов — изменение силы тока в намагничивающей обмотке возбуждения г„ с помощью реостата, включенного последовательно в цепь обмотки. При увеличении тока гн увеличивается напряже­ние холостого хода U0 генератора, а следовательно, повышается и сила тока дуги. Зависимость тока нагрузки от тока в обмотке возбуждения называется регулировочной характеристикой Тп =

= / (і'н).

Для расширения предела обычно применяют дополнительное ступенчатое регулирование с помощью секционирования после­довательной обмотки. В пределах каждой ступени плавное регу­лирование осуществляют с помощью реостата в цепи намагни­чивающей обмотки.

Режим в генераторах с жесткими внешними характеристиками регулируют только путем изменения тока намагничивания іа с по­мощью реостата в цепи этой обмотки. При необходимости регу­лирования или включения сварочного тока автоматически в цепь намагничивающей обмотки возбуждения вводят контактные или бесконтактные (тиристорные) регуляторы.

В настоящее время сварочные генераторы остаются главным образом в агрегатах для сварки в полевых условиях, где привод осуществляется от двигателя внутреннего сгорания. Во всех остальных областях применения сварки на постоянном токе они вытесняются сварочными выпрямителями.

В СССР выпускаются однопостовые генераторы как с падаю­щими, так и с жесткими внешними характеристиками. Некоторые типы являются универсальными (табл. 24). Подавляющее число однопостовых генераторов имеет независимую намагничивающую обмотку возбуждения, и только некоторые генераторы — с само­возбуждением, так как их часто используют в агрегатах для сварки и нолевых условиях с двигателями внутреннего сгорания. Выпу- гкаемые однопостовые генераторы позволяют перекрыть весь диапазон необходимых для дуговой сварки токов (30—800 А). Генераторы типов ПС-1000 и ПСУ-1500-2 применяются для питания сварочных автоматов при сварке под флюсом.

Г рансформаторы для электродуговой сварки. Трансформаторы для дуговой сварки принадлежат к специальным видам однофаз­ных понижающих трансформаторов.

1. Напряжение холостого хода на вторичной обмотке трансфор­матора должно быть таким, чтобы была возможность начального и повторных возбуждений дуги и поддержания ее горения в про­цессе сварки при всех значениях сварочного тока, на который рассчитан трансформатор.

2. Внешняя характеристика трансформаторов, предназначен и 1.1 для ручной, автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом, должна быть падающей.

2. Должна быть обеспечена возможность регулирования ре­жима сварки в широких пределах.

Как и в других источниках питания, при работе сварочного трансформатора постоянно чередуются три режима: холостой ход, работа под нагрузкой и короткое замыкание.

Для современных источников питания дуги переменного тока падающую внешнюю характеристику получают путем искусствен­ною увеличения индуктивного сопротивления.

Конструктивно трансформаторы для питания сварочной дуги можно разделить на следующие основные группы: 1) трансфор­маторы с дросселями, выполненные в виде двух раздельных аппа­ратов или в виде одного аппарата; 2) трансформаторы с развитым магнитным рассеянием; 3) трансформаторы с подмагничиванием постоянным током.

Основные уравнения режима работы источников питания дуги переменного тока:

холостой ход

нагрузка

ип~УЖ-ЇЩ. короткое замыкание

^К. З — р,

где Ul — напряжение на первичной обмотке; Хр — реактивное сопротивление в цепи источник питания — сварочная дуга.

Режим сварки при использовании трансформаторов с дроссе­лем и трансформаторов с подмагничивапием постоянным током регулируют путем изменения индуктивного сопротивления реак­тивной обмотки или участка сердечника, насыщаемого от допол­нительной обмотки, питаемой постоянным током.

Трансформаторы могут быть с увеличенным магнитным рас­сеянием; их выполняют с подвижными обмотками или с магнит­ными шунтами. Режим сварки регулируют с помощью механизма, перемещающего одну обмотку относительно другой или магнит­ный шунт, в результате чего изменяется величина потока рас­сеяния.

Трансформаторы или дроссели с подмагничиванием удобно использовать в установках при автоматическом регулировании силы тока дуги (например, в случаях автоматического вывода кратера с заданной скоростью), а также при дистанционном регу­лировании режима сварки.

Трансформаторы для трехфазной сварки имеют пониженное напряжение холостого хода, так как пет перерывов в горении дуги в межэлектродном пространстве. Поэтому у таких 'трансформа­торов ио/йд = 1,2-^-1,25. Основные параметры выпускаемых источников питания дуги переменного тока приведены в табл. 25

Сварочные выпрямители. По мере совершенствования и уве­личения мощности полупроводниковых вентилей все более уве­личивается выпуск и применение в качестве источников питания сварочной дуги постоянного тока выпрямителей. Перед преобра­зователями сварочные выпрямители имеют следующие преиму­щества: более высокий к. п. д. и меньнше потери на холостом ходу; лучшие динамические свойства; меньшую массу; большую надежность и простоту обслуживания при эксплуатации; бес­шумность при работе; большую экономичность при изготовлении.

Основной недостаток сварочных выпрямителей — их большая чувствительность к колебаниям напряжения сети, чем у свароч­ных преобразователей.

Сварочный выпрямитель состоит из двух основных узлов: понижающего трансформатора с регулирующим устройством и блока вентилей. В общий комплект источника питания часто также включается секционированный дроссель, обеспечивающий необходимые динамические характеристики для нормального переноса электродного металла в шов. Этот дроссель предназна­чен для снижения скорости нарастания тока короткого замыка­ния и соединен последовательно с дугой в цепи выпрямленного тока, индуктивность его обычно составляет несколько миллигенри.

В конструкциях отечественных сварочных выпрямителей на­ходят применение селеновые вентили с пластинами размером 100 X 400 мм, собираемые в блоки необходимых мощности или напряжения. Обычно блоки вентилей принудительно охлажда­ются потоком воздуха от специального вентилятора. В кремние­вых выпрямителях силовые блоки собирают из отдельных вен­тилей на силу тока 50 или 200 А (ВК-50 или ВК-200-3) с допу­стимым обратным напряжением 150 В. Кремниевые вентили также требуют интенсивного принудительного охлаждения, для чего их укрепляют на радиаторах, охлаждаемых потоком воз­духа от вентилятора.

Разрабатывают выпрямители с использованием в выпрямля­ющих силовых обмотках управляемых вентилей-тиристоров. Схема управления тиристорами обеспечивает необходимый вид внешней характеристики, широкий диапазон регулирования силы свароч­ного тока и стабильность его при колебаниях напряжения питаю­щей сети (ВД-304).

В качестве понижающего трансформатора в сварочных выпря­мителях используют чаще всего трехфазные трансформаторы с нормальным или повышенным магнитным рассеянием. Особенно широкое распространение получили трансформаторы с подвиж­ными катушками (ВД-101, ВД-301, ВД-302, ВКС-300 и др.). Они просты по устройству, обладают достаточно высоким к. п. д., имеют небольшой вес. В таких трансформаторах два диапазона сварочных токов, обеспечиваемых соответствующим соединением первичных и вторичных обмоток. Кроме того, часто используют и трансформаторы с дросселями насыщения (ВСУ-500, ВДГ-301

и др.).

В выпрямителях типа И1111 применяются трансформаторы с подвижными магнитными шунтами, перемещаемыми между раздвинутыми первичными и вторичными обмотками.

Аналитическое выражение для рабочего участка внешней характеристики сварочного выпрямителя, собранного по трех­фазной мостовой схеме,

При этом среднее значение напряжения холостого хода выпря­мителя непосредственно зависит от напряжения на трансфор-

маторе:

где Um — амплитудное значение вторичного напряжения тран­сформатора.

Ток короткого замыкания определяется полным реактивным сопротивлением одной фазы источника питания вентилей (тран­сформатора и дросселя):

/к. з = Ахх/КЗХ.

Динамические свойства трехфазных выпрямителей с падаю­щей внешней характеристикой зависят от отношения рабочего напряжения дуги к напряжению холостого хода. Чем выше напряжение дуги перед коротким замыканием, тем больше отно­шение /к. з. пш;//д. С уменьшением отношения UR/UXX максималь- ное значение тока снижается, что благоприятно отражается на процессе переноса расплавленного металла. При Un/Uxx = — 0,4-^-0,5 сварка протекает удовлетворительно.

Сварочные выпрямители для многопостового питания обладают предельно жесткой характеристикой. Трансформатор выпрями­теля — тре> фазный, с нормальным рассеянием. Выпрямитель­ные блоки собирают из кремниевых вентилей с принудительным воздушным охлаждением.

Введение цепи стабилизации выходного напряжения позволяет использовать многопостовке выпрямители для сварки в угле­кислом газе (например ПДГМ-1001 /1601). Пологопадающие харак-

тсристики, необходимые для точного подбора режима, обеспе­чивают специальными регулировочными реостатами; необходимую индуктивность для снижения разбрызгивания вводят специаль­ными дросселями.

Многоностовые сварочные выпрямители применяют в цехах или на участках, имеющих большое число стационарных свароч­ных постов. Так как режим работы каждого поста не зависит от режимов работы других постов, выходное напряжение выпря­мителя не должно изменяться при изменении тока нагрузки во всем диапазоне, т. е. он должен обладать жесткими характе­ристиками.

Режим сварки при централизованном питании от миогопо - стового выпрямителя регулируют на каждом рабочем месте независимо. Для этого каждый сварочный пост подсоединяют it магистрали многопостового выпрямителя с последовательным включением балластного реостата. Благодаря этому характери­стика поста падающая.

При холостом ходе напряжение между электродом и изделием равно напряжению холостого хода источника питания. При сварке напряжение дуги равно напряжению источника минус падение напряжения на участке цепи между ним и электродо - доржателем (t/д = Uо — 1яЯс), причем сопротивление сварочной цепи складывается из сопротивления проводов (і? пр) и сопротив­ления балластного реостата (Ro)-

Rc — Rnp Ч" Ro ■

Сила тока дуги сварочного поста

Дг= /д= (Uo Ur)/R6 (Rnp^Ro)-

В случае короткого замыкания /к 3 = UJRp,. Режим сварки при многопостовом питании регулируют путем изменения сопро­тивления балластного реостата у каждого поста (рис. 73). Число постов т, которые могут быть подключены к многопостовому выпрямителю, определяют с учетом коэффициента одновремен­ности а:

ш — І г_ и/оі/д с;

где /г н — номинальная сила тока выпрямителя; а — коэффициент одновременности, равный 0,(5; /пс ~ средняя сила тока поста.

Централизованное питание многих постов от одного много­постового источника но сравнению с наличием на каждом посту однопостового генератора или выпрямителя имеет следующие преимущества: уменьшается установленная мощность (в расчете на один пост); сокращаются расходы на амортизацию, ремонт, обслуживание; уменьшается производственная площадь. Недо­статки — относительно большие потери мощности в балластных реостатах, снижающих к. п. р. поста. В результате общий к. п. д. при многопостовой сварке ниже, чем при однопостовой.

Вследствие этого на 1 кг наплавленного металла при много­постовом питании расходуется на 40—45% электроэнергии больше, чем при однопостовом. Поэтому окончательный выбор системы питания следует сделать после экономического подсчета, где должны быть учтены все показатели: стоимость оборудования; стоимость энергии; стоимость ремонта; стоимость обслуживания; отчисления на амортизацию.

Параметры основных типов выпускаемых сварочных выпря­мителей приведены в табл. 26.

Импульсные источники питания сварочной дуги. Такие источ­ники используются при сварке как плавящимся, так и ненлавя - щимся электродом.

Процесс сварки происходит нри непрерывно горящей мало­мощной дуге и периодически зажигающейся импульсами мощной дуге. Источник питания представляет собой комплект из двух источников, которые работают одновременно и независимо друг от друга. Такие источники могут быть спроектированы специально (ИІ1ИД-1, ИПИД-300, ИПИД-300М) или составлены из свароч­ного генератора или выпрямителя (например, ГІСГ-500, ИПП-300П, ВС-500 и т. п.) и генератора кратковременных импульсов, амплиту­да и длительность которых регулируются.

На рис. 74, а приведена принципиальная схема источника питания, в котором в качестве генератора импульсов применена схема с накоплением энергии, периодически с частотой 50 или 100 Гц подключаемая к дуговому промежутку. Параллельно с основным источником питания СВ подключен импульсный генератор ИГ, состоящий из выпрямителя В. зар, сопротивления RОГр, ограничи­вающего ток заряда накопительной емкости С. Коммутирующие устройства 1 и 2 периодически подключают конденсатор С к дуге, на которую он и разряжается, кратковременно увеличивая ее ток. Дроссель L предназначен для защиты сварочного выпря­мителя от перенапряжений при подаче импульсов тока на дугу.

На рис. 74, б показана форма тока, протекающего через сварочную дугу. Обычно длительность импульса tn составляет ~0,1 Т, где Т — период цикла.

Устройства для поджигания и стабилизации горения свароч­ной дуги. Во многих технологических процессах, где необходимо

WOE-IMtTU

ШЕЕ-иіП!

І-ОООТ-ИОНЯ

аоое-ігаи

б)

возбуждение дуги без соприкосновения электрода с изделием (аргонодуговая сварка, плазменная сварка и резка и т. п.), для этой цели используют пробой дугового промежутка допол­нительным импульсом высокого напряжения. Это также необ­ходимо бывает для стабилизации возбуждения дуги переменного тока при перемене полярности питающего напряжения.

Первоначальное возбуждение дуги чаще всего осуществляется искровым осциллятором. Однако он малопригоден для стабили­зации дуги из-за отсутствия синхронизации высоковольтных импульсов с напряжением дуги или сварочного трансформатора. Кроме того, осциллятор вызывает сильные радиопомехи при работе. Поэтому в последнее время разрабатывают конструкции импульс­ных возбудителей дуги — генераторов импульсов.

Для первоначального пробоя промежутка электрод—деталь, равного 5 мм, требуются следующие напряжения: в аргоне 3,2 кВ; азоте 7 кВ; воздухе 8 кВ; углекислом газе 9,2 кВ.

Сварочный осциллятор представляет собой искровой генератор затухающих колебаний. Он содержит (рис. 75, а) низкочастотный повышающий трансформатор ПТ, вторичное напряжение которого достигает 2—3 кВ, разрядник Р, колебательный контур, состав­ленный из емкости Ск, индуктивности LH, обмотки связи Lc и бло­кировочного конденсатора Сс - Обмотки LK и Ьс образуют высоко­частотный трансформатор ВТ. Вторичное напряжение IIТ в начале полупериода заряжает конденсатор Ск и при достижении опреде­ленной величины вызывает пробой разрядника Р. В результате колебательный контур LVCK оказывается закороченным и в нем воз­никают затухающие колебания с резонансной частотой

Як

2я ]/ LVCK Щг ' где //к — зиииналептпое активное сопротивление контура.

В большинстве случаев /0 выбирают в пределах 250—1000 кГц. :)ти высокочастотные колебания через обмотку Г, и конденсатор С с, прикладываются к дуговому промежутку. Блокировочный кон­денсатор Сс, предотвращает шунтирование обмоткой Lc дугового промежутка для напряжения источника питания. Изоляцию обмотки сварочного трансформатора от пробоя защищает дрос­сель, включенный в сварочную цепь. Мощность осциллятора обыч­но составляет 250—350 Вт. Длительность импульсов от осцилля­тора должна составлять десятки микросекунд.

Другим способом бесконтактного возбуждения дуги является применение импульсных генераторов, использующих накопитель­ные емкости, которые заряжаются от специального зарядного устройства и в моменты повторного возбуждения дуги разря­жаются на дуговой промежуток. Так как фаза перехода сварочного тока через нуль во время сварки не остается строго постоянной, то для обеспечения надежной работы генератора необходимо уст­ройство, позволяющее синхронизировать разряды емкости с момен­тами перехода тока дуги через ноль.

Схема такого генератора с электромагнитным коммутирующим устройством показана на рис. 75, б. Конденсаторы С1 и С2 заря­жаются от источника постоянного тока. Обмотка управления ОУ мощного поляризованного реле РИ питается непосредственно от сварочного трансформатора СТ. В цепи обмотки ОУ включены индуктивность L1 и сопротивление R4, позволяющие регулиро-

вать моменты замыкания контактов реле P1J. Эти замыкапия долж­ны происходить в момсштл перехода сварочного тока через нуль или несколько І103ЖЄ.

При замыкании одного из контактов напряжение заряда соот­ветствующего конденсатора оказывается приложенным к элект­родам дуги и при достаточной его величине вызывает повторное возбуждение дуги и ее подключение к основному источнику пита­ния. Вместо электромагнитного поляризованного реле разработаны также коммутирующие схемы на тиратронах и тиристорах, позво­ляющих лучше синхронизировать процесс повторного возбуждения.

Надежные повторные возбуждения дуги обеспечиваются при следующих параметрах: 67 = С2 = 10 мкФ; С/зар^200 В.