ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Источники питания сварочной дуги

Устойчивость горения дуги зависит от соответствия формы внешней характеристики ИП статической характеристике дуги.

Внешние характеристики ИП могут быть следующих видов (рис. 2.6): 1 - возрастающая, 2 - жесткая, 3 - полого падающая, 5 - круто падающая.

ИП необходимо подбирать по соответствию его характеристики принятому способу сварки. Для питания дуги на участке II (рис. 2.3) применяют источники с круто падающей характеристикой. Рассмот­рим работу ИП с пологой и круто падающей характеристиками. Ус­тойчивое горение дуги при сварке возможно при условии пересечения статической характеристики 4 дуги с внешней характеристикой ИП в рабочей точке (точки «А» или «Б»). Во время горения дуги и переноса электродного металла на заготовки длина дуги изменяется. Вольт - амперная характеристика так же изменяет свое положение дуги (кри­вые Цд1 и Цд2). Вследствие этого изменяются значения напряжения дуги (Цд) и сварочного тока (,/св). Устойчивое горение дуги будет только тогда, когда при случайных отклонениях рабочего режима (точки А1, А2, Б1, Б2) режим сварки быстро восстановится, и колебания сварочного тока будут относительно малыми. Поэтому, чем более круто падает внешняя характеристика источника тока, тем стабильнее горит дуга и выше качество сварки.

Точка «В» соответствует режиму холостого хода в работе ИП в период, когда дуга не горит и сварочная цепь разомкнута. Для облег­чения зажигания дуги, режим холостого хода должен характеризо­ваться повышенным напряжением (в 2.3 раза выше напряжения ду­ги). Одновременно, это напряжение должно быть безопасным для сварщика (не более 80 В для источников переменного тока и не боле 90 В - для постоянного). Точка Г соответствуют короткому замыка­нию при зажигании дуги и ее замыканию каплями жидкого электрод­ного металла. Для того чтобы не допустить перегрева токопроводя­щих проводов ИП должен иметь характеристику, ограничивающую ток короткого замыкания (1к). Отношение тока короткого зажигания к сварочному току должно находиться в интервале 1,1. 1,5. Время вос­становления напряжения от короткого замыкания до зажигания дуги должно составлять сотые доли секунды.

Для ручной дуговой сварки и сварки под флюсом с автоматиче­ским регулированием напряжения дуги (рис. 2.3, участок II) внешняя характеристика ИП должна быть круто падающей (рис. 2.6, кривая 4). Чем больше крутизна характеристики, тем меньше колебания тока при изменении длины дуги. При автоматической сварке с саморегулиро­ванием дуги внешняя характеристика ИП должна быть полого па­дающей (рис. 2.6, кривая 3), что обеспечивает интенсивность саморе­гулирования. При сварке в среде защитных газов на постоянном токе, в случаях, когда применяют большие плотности тока, характеристика дуги возрастающая (рис. 2.3, участок III), внешняя характеристика ИП должна быть жесткой или возрастающей (рис. 2.6, кривые 2 и 1).

Каждый ИП дуги рассчитан на определенную нагрузку (номи­нальные рабочие ток и напряжения), при которой он работает, не пе­регреваясь выше допустимых норм. Режим работы при дуговой сварке

характеризуется отношением длительности сварки к сумме длитель­ности сварки и длительности холостого хода, выраженном в процен­тах и обозначаемом ПВ (повторное включение):

t

ПВ = 100—

t + t

св п

где: tсв - время сварки; tn - время пауз. Длительность рабочего цикла tсв+tп =5 мин. Для промышленного сварочного оборудования прини­мается ПВ=(60. 80)%, для бытового - (20. 35)%.

Для питания дуги применяют источники переменного тока (сва­рочные трансформаторы) и источники постоянного тока (сварочные выпрямители и генераторы).

Сварочные трансформаторы более распространены, так как они: проще в эксплуатации, долговечнее; имеют высокий КПД. Одна­ко для работы трансформатора необходима линия электропередачи. Кроме того, постоянный ток более технологичен, так как дуга более устойчива (особенно при сварке на малых токах), улучшаются усло­вия сварки в различных пространственных положениях, можно вести сварку на прямой и обратной полярности.

Рассмотрим несколько схем сварочных трансформаторов.

Сварочный трансформатор серии СТЭ (рис. 2.7) состоит из двух частей: понижающего трансформатора Тр. и дросселя Др. соединен­ных в последовательную цепь. На П - образном сердечнике 1 транс­форматора намотаны первичная 2 и вторичная 3 обмотки. На П - об­разном разомкнутом сердечнике 5 дросселя намотана компенсирую­щая обмотка 4. Трансформатор понижает сетевое напряжение до 60.70 В. Дроссель служит для получения крутопадающей характери­стики и регулирования сварочного тока в цепи « Тр.- Др. - электрод 7 - дуга 8 - заготовки 9». При прохождении электрического тока через компенсирующую обмотку дросселя в ней возникает ЭДС самоиндук­ции, направленная противоположно основному потоку. В результате падения напряжения в дросселе трансформатор получает крутопа­дающую характеристику. Перемещение ярма 6 сердечника дросселя приводит к изменению зазора 5. Чем больше зазор, тем больше ЭДС самоиндукции компенсирующей обмотки, тем больше сварочный ток.

Более совершенной является конструкция сварочного транс­форматора серии ТД (рис. 2.8). Первичная 2 и вторичная 3 обмотки каждая намотаны на противоположных ветвях замкнутого П - образ­ного сердечника 1. Вторичная обмотка установлена с возможностью перемещения относительно первичной обмотки за счет винтового ме­ханизма 4. Сварочный ток регулируется за счет изменения расстояния между первичной и вторичной обмотками. При сближении обмоток магнитный поток рассеяния и индуктивное сопротивление уменьша­ются, и сварочный ток увеличивается.

Устойчивость горения дуги переменного тока можно повысить питанием сварочной цепи токами высокой частоты и высокого напря­жения. Такое питание обеспечивается включением в сварочную цепь осциллятора. Осциллятор представляет собой колебательный контур (искровой разрядник и L-C контур). Осциллятор подключается к сети переменного тока через повышающий трансформатор и сетевые фильтры. Со сварочной цепью осциллятор соединен через согласую­щую обмотку высокочастотного трансформатора и защитные конден­саторы. Мощность осциллятора составляет 100.250 Вт, частота тока подводимого к дуге - 150.260 кГц, напряжение 2.3 кВ.

В состав серийных выпрямителей входят понижающий свароч­ный трансформатор с регулируемым магнитным рассеиванием и вы­прямительный блок, собранный по мостовой схеме с использованием кремниевых силовых вентилей. При использовании однофазного тока, применение мостовой схемы не дает существенного эффекта, так как все равно 100 раз в секунду напряжение будет падать ниже напряже­ния зажигания. Применение дополнительного L—C фильтра позволяет сгладить напряжение. Однако лучшие результаты дает применение трехфазного тока, трехфазного трансформатора и трехфазной мосто­вой схемы выпрямления (рис. 2.9). Применение трехфазной схемы по­зволяет обеспечить: малую пульсацию выпрямленного напряжения, так как выпрямленные полуволны каждой фазы складываются со сдвигом фаз; более равномерную загрузку силовой сети переменного тока.

Для дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитных газов применяют трехфазные сварочные выпрямители с жесткой внешней характеристикой с последовательным включением в свароч­ную цепь дросселя.

Дроссель обеспечивает необходимую скорость нарастания тока короткого замыкания, что облегчает зажигание дуги и уменьшает раз­брызгивание металла. Регулирование напряжение производят ступен­чатым переключением числа витков в первичной обмотке каждой фа­зы трансформатора.

Широкое применение нашли универсальные выпрямители, со­стоящие из трансформатора и управляемого тиристорного выпрями­теля и инверторные выпрямители. Введение в выпрямительный блок обратной связи по сварочному току позволяет получать различные вольт - амперные характеристики. Отрицательная обратная связь обеспечивает крутопадающую характеристику, положительная - же­сткую. Особенность инверторных выпрямителей заключена в том, что с помощью управляемого тиристорного инвертора сетевое напряже­ние преобразуется в высокочастотное (до 60 кГ ц). Далее это напряже­ние выпрямляется малогабаритным трансформатором, и подается в сварочную сеть. Эта схема позволяет получать любую вольт - ампер­ную характеристику, а сами трансформаторы в 8.10 раз легче обыч­ных. На основе инверторных выпрямителей разработаны импульсные источники сварочного тока. Применение импульсного сварочного то-

ка (различной формы, длительности и частоты) позволяет существен­но снизить тепловые вложения при сварке, а значит, сваривать без опасности прожогов заготовки малой толщины.

Сварочные выпрямительные установки имеют высокие динами­ческие свойства вследствие меньшей электромагнитной инерции. Ток и напряжение в переходных процессах изменяются практически мгно­венно. Отсутствие вращающихся частей делает их более надежными и долговечными по сравнению с генераторами постоянного тока. Ос­новными их недостатками являются: зависимость от сети переменного тока и необходимость принудительного охлаждения полупроводнико­вых элементов (воздушного или водяного).

Сварочные генераторы постоянного тока подразделяются: по числу питаемых постов (однопостовые - для питания одной свароч­ной дуги) и многопостовые (для питания нескольких сварочных дуг); по способу установки (стационарные и передвижные); по форме внешней вольт - амперной характеристики; по виду привода (с элек­трическим приводом, с приводом от двигателя внутреннего сгорания); по способу исполнения (однокорпусные - генератор и двигатель вы­полнены на одном валу, в одном корпусе; раздельные - генератор и двигатель выполнены на общей раме, а их валы соединены муфтой).

Сварочный генератор с независимым возбуждение и размагни­чивающей последовательной обмоткой показан на рис. 2.10. Генера­тор имеет две обмотки возбуждения. Намагничивающая обмотка Wn (обмотка независимого возбуждения) создает мощный поток Фн воз­буждения. Эта обмотка питается от сети переменного тока через селе­новый выпрямитель СВ приводного электродвигателя ЭД. Сила тока в цепи независимого возбуждения регулируется реостатом R. Вторая обмотка возбуждения WF включена последовательно в сварочную цепь и величина ее магнитного потока Фр зависит от силы сварочного тока. Магнитные потоки Фн и Фр направлены навстречу друг другу.

При холостом ходе, когда сварочная цепь разомкнута, действует толь­ко магнитный поток Фн. ЭДС генератора равна Е=СФн, где С - посто­янная генератора. При сварке, когда сварочный ток проходит через обмотку Wp, ЭДС генератора будет равна Е=С(Фн - Фр), т. е. напряже­ние на зажимах генератора упадет. Ступенчатое регулирование сва­рочного тока осуществляется переключателем П. В положении 1 под­ключено полное число витков обмотки Wp что позволяет, получить силу сварочного тока от 30 до 60 А. В положении 2 обмотка Wp под­ключена частично, и сварочный ток повышается (50. 120 А). В пре­делах каждой ступени, сварочный ток плавно регулируется реостатом R.

Отличие сварочного генератора с самовозбуждением от генера­тора с независимым возбуждением заключается в подключении на­магничивающей обмотки к основной, т. е. намагничивающая обмотка является самовозбуждающейся. Регулирование режимов сварки ком­бинированное, такое же, как и в предыдущей схеме.

Приведенные схемы генераторов используются для ручной ду­говой сварки, для автоматической и полуавтоматической сварки под слоем флюса. В тех случаях, когда отключена последовательная раз­магничивающая обмотка, генераторы имеют жесткую характеристику и используются для механизированной сварки в среде защитных газов с саморегулированием дуги.

Многопостовые сварочные генераторы применяются в серийном производстве с большим количеством компактно расположенных сва­рочных постов. Эти источники питания позволяют: снизить эксплуа­тационные расходы; уменьшить стоимость сварочного оборудования; использовать сварку с большими токами. Схема многопостового сва­рочного генератора и подключение постов показаны на рис. 2.11. В генераторе применяется смешанное возбуждение. При этом магнит­ные потоки параллельной или шунтовой обмотки Wm и последова-

тельной обмотки Wn складываются Ф^=Фш+Фп. При нагрузке напря­жение на клеммах генератора остается практически неизменным, по­скольку магнитный поток последовательной обмотки несколько под - магничивает генератор. Для изменения напряжения в цепь обмотки параллельного возбуждения включены реостат R. Сварочный посты подключаются параллельно через балластные реостаты R6, что позво­ляет получить линейно падающую характеристику.