СВАРКА, РЕЗКА И ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

ОДНОПОСТОВЫЕ АГРЕГАТЫ ИЛИ УСТАНОВКИ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Однопостовой сварочный генератор, т. е. сконструированный для питания одного сварочного поста или одной сварочной дуги, дол­жен иметь круто падающую характеристику (фиг. 29). Таким обра­зом, однопостовой сварочный л и генератор не поддерживает

постоянного напряжения на своих зажимах, которое бы­стро меняется вместе с изме­нением нагрузки, падая почти до нуля при коротком замы­кании цепи, когда электрод касается изделия. Поэтому однопостовые генераторы ча­сто называются генератора­ми переменного напряжения. Сила тока такого генератора остаётся более или менее постоянной за время горения дуги.

о (00 200 300 400 ~а1 Рассмотрим, каким обра­

зом можно получить нужную Фиг. 29. .Характеристики однопостового форму круто падающей ха-

генератора. рактеристики генератора. На­

пряжение на зажимах гене­ратора равно его электродвижущей силе за вычетом падения напряжения во внутренней цепи. Для уменьшения потерь и повыше­ния к. п. д. внутреннее сопротивление генератора, обмоток его яко­ря, щёток и щёточных контактов делается возможно малым и по­тому вызывает незначительную потерю напряжения порядка не­

скольких вольт при полной нагрузке. Поэтому для значительного - изменения напряжения генератора с изменением нагрузки необхо­димо соответственно менять его электродвижущую силу. Электро--
движущая сила Е генератора постоянного тока может быть выра­жена следующим образом:

Е — кпФ,

где к — постоянная, характеризующая данный генератор, опре­деляемая его конструкцией и размерами.

В этой формуле переменными величинами являются п — число оборотов якоря генератора и Ф — магнитный поток, пронизываю­щий якорь генератора. Таким образом, для изменения электро­движущей силы генератора нужно менять число оборотов якоря п или магнитный поток Ф, пронизывающий обмотку якоря генератора.

В настоящее время сварочные агрегаты с переменным числом оборотов не применяются. Существующие агрегаты работают прак­тически при постоянном числе обо­ротов. Таким образом, остаётся единственная возможность изме­нения электродвижущей силы: со­ответственно изменять магнитный поток, пронизывающий обмотку якоря генератора. Изменение ма­гнитного потока, пронизывающего якорь, может достигаться измене­нием величины общего потока ге­нератора или его направления.

Существует два основных спо­соба воздействия на магнитный поток генератора: 1) применение размагничивающих обмоток на по­люсах генератора; 2) использова­ние реакции якоря генератора.

Рассмотрим сначала примене­ние размагничивающей обмотки.

В этом случае получается генера­тор с так называемым дифференциальным возбуждением. Схема про­стейшего генератора с дифференциальным возбуждением показана на фиг. 30.

На каждом полюсе генератора имеется две обмотки: одна из них основная, питается от-постороннего источника постоянного тока и называется обмоткой независимого возбуждения. Вторая обмотка включена последовательно с обмоткой якоря и сварочной дугой и называется последовательной или сериесной обмоткой самовозбуж­дения. Последовательная обмотка создаёт магнитодвижущую силу, противоположную магнитодвижущей силе обмотки независимого возбуждения, т. е. последовательная обмотка ослабляет общий маг­нитный поток, размагничивает генератор с увеличением нагрузки и может быть названа противокомпаундной. Разберём действие гене­ратора с дифференциальным возбуждением, показанного на схеме фиг. 30. При холостом ходе последовательная обмотка бездействует, в системе имеется максимальная магнитодвижущая сила, отвечаю­
щая ампер-виткам AWH обмотки независимого возбуждения. При нагрузке начинает действовать последовательная обмотка, её ампер - витки AWс вычитаются из ампер-витков независимой обмотки, и ре­зультирующие ампер-витки системы возбуждения генератора могут быть выражены следующим уравнением:

A W, = Л WH - AW с .

С увеличением нагрузки вычитаемые ампер-витки последова­тельной обмотки растут, а результирующие ампер-витки генератора уменьшаются. При замыкании сварочной цепи прикосновением электрода к изделию ампер-витки последовательной обмотки на­столько возрастают, что в генераторе остаются лишь незначитель­ные ампер-витки, необходимые для поддержания тока короткого замыкания в системе. Приближённо можно принять, не учитывая реакции якоря, что при коротком замыкании ампер-витки обмотки независимого возбуждения и последовательной обмотки равны по абсолютной величине и противоположны по знаку:

TOC o "1-5" h z A WH — A Wc ss 0; так как AWH — iHWH и AWC~IWC,

где г„ — ток независимого возбуждения;

I — сварочный тек;

WH и Wc — числа витков в независимой и сериесной обмотках,

то при коротком замыкании i„ WK ss IK We,

WH і к, WH.

откуда =------ , 1к = • Ін,

Wc in Wc

где IK— ток короткого замыкания сварочной цепи.

Следовательно, ток короткого замыкания приблизительно про­порционален току независимого возбуждения и для изменения тока короткого замыкания, а следовательно, и сварочного тока, необхо­димо соответственно изменять ток независимого возбуждения, что осуществляется соответствующим реостатом, или так называемым магнитным регулятором в цепи возбуждения.

Генераторы с дифференциальным возбуждением подвергались различным изменениям и усовершенствованиям. В Советском Союзе сварочные генераторы с дифференциальным возбуждением под на­званием СМ производились до конца 1932 г., когда наша промыш­ленность перешла на более совершенные системы. Генераторы СМ имели усложнённую 3-обмоточную систему возбуждения. Помимо независимой и последовательной обмоток генераторы имели ещё шунтовую обмотку, присоединённую к щёткам генератора парал­лельно с якорем (фиг. 31). Дополнительная шунтовая обмотка вве­дена в схему для изменения формы внешней характеристики гене­ратора. Характеристики 3-обмоточного генератора располагаются выше характеристик 2-обмоточного и имеют более выпуклую фор­му. Чем меньше сопротивление регулятора в цепи шунтовой обмот­ки, тем больше разница в характеристиках.

Недостатками генераторов с дифференциальным возбуждением являются: 1) необходимость отдельного источника постоянного

тока для питания обмотки неза­висимого возбуждения; 2) мед­ленность установления нового режима работы генератора при внезапных изменениях свароч­ной дуги, например при пере­ходе от короткого замыкания к зажиганию дуги, т. е. недоста­точно удовлетворительные ди­намические свойства генера­тора.

Рассмотрим сварочные гене­раторы, использующие преиму­щественно действие реакции якоря. Таким, например, явля­ется современный советский ге­нератор СМГ с расщеплённы­ми полюсами, который изготов­ляется в больших количествах и является основным типом сварочного генератора, кото­рым пользуется наша промышленность. Для понимания действия генератора СМГ полезно рассмотреть в отдельности его магнитную

и электрическую схему (фиг. 32). Генератор имеет четыре основных полюсных сердечника и два допол­нительных. Основные сердечники имеют необычное чередование поляр­ности, рядом расположены два север­ных, а затем два южных сердечни­ка, поэтому несмотря на наличие че­тырёх сердечников генератор СМГ является двухполюсным. Два север­ных сердечника можно рассматри­вать как один большой северный полюс, у которого вырезана внутрен­няя часть, а два южных сердечника — как один южный полюс с удалённой средней частью. Отсюда и происходит название генератора с расщеплённы­ми полюсами.

а и б — главные щётки; в — вспомо - ЭлеКТрИЧеСКЗЯ СХЄМЗ ГенерЭТОрЗ

гательная щётка. МОЖЄТ бьіТЬ раЗЛИЧНОЙ, ДЛЯ ОПреДе-

лённости примем схему, показанную на фиг. 33, обычно выполняемую в настоящее время нашей промыш­ленностью. Генератор имеет две главные щётки, расположенные на нейтрали, и одну вспомогательную, расположенную по оси полюсов.

Одна пара сердечников — северный и южный —• снабжена вы­резами так, что железо их находится всегда в сильно насыщенном состоянии за перегибом кривой намагничивания. Поэтому измене­ние магнитодвижущей силы в цепи этих сердечников лишь незна­чительно изменяет их магнитный поток. Эти сердечники носят на-

ЗВЙНИР ппппг nt-vUUTY мтті-т гпяинкту

Другая пара сердечников, называемых поперечными, работает при низких насыщениях, и магнитный поток в них может изме­няться в широких пределах не только по величине, но и по направ­лению, от плюс 100% через нуль, до минус 100%. Направление вращения якоря, расположение щёток и магнитодвижущая сила обмоток выбраны таким образом, что магнитодвижущая сила реак­ции якоря подмагничивает главные сердечники и размагничивает поперечные. Примерное расположение векторов магнитодвижущих сил главных и поперечных полюсов показано на фиг. 34, а. Магни­тодвижущая сила полюсов мало зависит от нагрузки. Распределе­ние составляющих магнитодвижущей силы реакции якоря при на­грузке показано на фиг. 34, б. Магнитодвижущая сила реакции якоря изменяется приблизительно пропорционально сварочному току. Переходя от магнитодвижущих сил к магнитному потоку и учитывая насыщенность главных полюсов, легко видеть, что с изме­нением нагрузки результирующий магнитный поток генератора мало изменяется по абсолютной величине, но ось его поворачивается в пространстве на значительный угол, почти на 90° при изменении нагрузки от 0 до максимальной. При этом изменяется и электро­движущая сила генератора пропорционально косинусу угла откло­нения оси магнитного потока от оси полюсов (фиг. 35). В резуль­
тате получается падающая внешняя характеристика генератора, показанная на фиг. 36.

Генератор весьма чувствителен к положению щёток на коллек­торе, при смещении которых в ту или другую сторону от нейтрали на две-три коллекторных пластины можно изменить мощность гене­ратора от минимальной до максимальной. Поэтому для регулиро­вания мощности генераторы СМГ снабжаются устройством для

удобного перемещения щёток генератора по окружности коллек­тора. Изменение мощности генератора с перемещением щёток происходит вследствие изменения направления магнитодвижущей силы реакции якоря, направленной всегда по оси щёток. Смещение щёток по направлению вращения уменьшает сварочный ток, а про­тив направления вращения увеличивает его.

Наша промышленность выпускает в настоящее время главным образом генератор типа СМГ-2 на силу тока до 250 а при ПВ 100% и до 320 а при ПВ 50% при 1450 об/мин. Электрическая схема генератора СМГ-2 подвергалась многочисленным видоизменениям, отмеченным добавкой букв в обозначении типа генератора СМГ-2а, СМГ-26, СМГ-2в н т. д. Все эти генераторы имеют одну и ту же мощность и дают ток до 250 а непрерывно и до 320 а для ПВ 50%.

Наиболее современная и удачная схема генератора СМГ-26 (фиг. 37) имеет обмотки возбуждения генератора, включённые между вспомогательной и одной из главных щеток *. При работе напряжение между главными щётками колеблется от нуля при ко­ротком замыкании, до максимума — приблизительно 75 в — при холостом ходе. Напряжение между вспомогательной и главной щётками остаётся постоянным, практически не зависит от нагруз­ки и составляет приблизительно 24 в.

Постоянство напряжения между вспомогательной и главной щётками становится понятным при рассмотрении схем генератора (фиг. 32 и 33). Эти щётки снимают напряжение с проводников обмотки якоря, находящихся в данный момент под продольными

* На фиг. 37 показано действительное положение щёток иа коллекторе, пла­стины которого сдвинуты на 90° относительно проводников якоря.

или главными полюсами. Главные полюсы всегда находятся в со­стоянии высокого магнитного насыщения, и магнитный поток в них почти не меняется, несмотря на значительные изменения маг­нитодвижущей силы. Таким образом, вспомогательная щётка гене­ратора СМГ заменяет отдельный возбудитель генератора СМ. Цепь возбуждения генератора разделяется на две параллельные ветви: в одну включены обмотки главных полюсов и часть обмотки попе­речных полюсов (эта цепь не регулируется), в другую ветвь вклю­чена вторая часть (регулируемая) обмотки поперечных полюсов;

Вид со стороны коллектора

У ключён реостат — магнитный регулятор. С увеличе­

нием тока возбуждения поперечных полюсов возрастает сварочный ток, а с уменьшением — уменьшается.

Регулирование магнитным регулятором в цепи возбуждения гене­ратора очень удобно и достаточно точно, но диапазон этого регули­рования недостаточен. Для расширения пределов регулирования в ге­нераторе СМГ-2 использован сдвиг щёток по коллектору. Щётки мо­гут быть поставлены в трёх определённых положениях на коллекторе, соответствующих малым, средним и большим сварочным токам.

Вращение якоря сварочного генератора осуществляется привод­ным двигателем. Сварочный генератор, соединённый с приводным двигателем, образует сварочный агрегат. Соединение с двигателем может быть непосредственное — вал с валом, если числа оборотов генератора и двигателя совпадают. При различных числах оборотов генератора и двигателя между их валами приходится ставить про­

межуточную передачу: ременную, зубчатую и т. п. Агрегаты с непо­средственным соединением генератора и двигателя удобнее и обла­дают лучшим к. п. д. Сварочные генераторы обычно имеют нор­мальное число оборотов — ок<ую 1450 в минуту, что соответствует числу оборотов 4-полюсного асинхронного электродвигателя 3-фаз­ного переменного тока, являющегося чаще всего приводным двига­телем для сварочных агрегатов. Двигатель должен хорошо выносить перегрузки и поддерживать постоянное число оборотов с точностью ± 5% при изменениях нагрузки от 0 до максимума. Указанным требованиям достаточно хорошо удовлетворяют стандартные асин­хронные электродвигатели переменного 3-фазного тока.

Двигатели внутреннего сгорания удовлетворяют указанным тре­бованиям гораздо хуже, так как они плохо выносят перегрузки, по­этому приходится применять двигатели повышенной номинальной мощности, что увеличивает расход горючего агрегатами. Двигатели внутреннего сгорания имеют сильно колеблющееся число оборотов при изменениях нагрузки. Обычные регуляторы числа оборотов двигателей не удовлетворяют требованиям сварки, поэтому требу­ются двигатели внутреннего сгорания со специальными регулято­рами повышенной точности, отвечающими требованиям свароч­ных агрегатов. На заводах наиболее распространены свароч­ные агрегаты с приводными моторами 3-фазного тока. Агрегат СМГ-2 с электродвигателем 3-фазного тока, мощностью 15 /сет, 1450 об/мин., на сварочный ток до 320 а показан на фиг. 38.

В этом случае генератор и электродвигатель имеют обычно - скользящие подшипники с кольцевой смазкой, что требует точной горизонтальной установки вала генератора по уровню. Поэтому агрегаты эти рассчитаны на стационарную установку. Генератор и электродвигатель устанавливаются на общей сварной фундаментной раме, концы валов соединяются эластичной муфтой; вес агрегата 750 кг. Для уменьшения веса и размеров сварочного агрегата, а также для некоторого повышения его к.. п. д. нашей промышлен­ностью выпускается агрегат СУГ-26 в однокорпусном исполнении, с генератором СМГ-26. Общий вид агрегата показан на фиг. 39.

Генератор и электродвигатель имеют общий корпус и общий вал, установленный на двух шариковых упорных подшипниках, не требующих строгой горизонтальной установки вала агрегата. Агре­гат СУГ-26 является передвижным и снабжён тремя колёсами и дышлом для перевозки, он может быть также снят с колёс и по­ставлен стационарно. Размеры агрегата уменьшены, и его вес сни­жен до 550 кг за счёт применения общего корпуса и общего вала и понижения мощности электромотора. Портативность агрегата СУГ-26 делает его особо удобным для промышленного использова­ния, и в настоящее время он является наиболее распространённым типом на наших заводах. Недочётом агрегата СУГ-26 является не­достаточная мощность приводного электромотора, равная 11,6 кет, особенно заметная при существующем стремлении к повышению про-. изводительности сварки и мощности сварочной дуги. В настоящее время выпускаются однокорпусные агрегаты повышенной мощности.

Для работ в полевых условиях при отсутствии электрической силовой сети используются сварочные генераторы СМГ-2 с привод­ным двигателем внутреннего сгорания — бензиновым или керосино­вым. Типы подобных агрегатов достаточно разнообразны; приме­няются ремённый привод генератора со шкива трактора, привод от двигателя автомашины, на которую установлен генератор, и т. д.

Наиболее распространённым сварочным агрегатом с двигате­лем внутреннего сгорания мощностью около 30 л. с. является агре­гат САК (фиг. 40). Валы двигателя и генератора соединены эла­стичной муфтой — маховиком и установлены на общей сварной фун­даментной раме. Агрегат имеет общий вес около 1100 кг и может удобно перевозиться на грузовом автомобиле. Расход горючего ра­вен 5—6 кг/час при нормальной работе на сварке.

Иногда встречается необходимость в больших силах сварочного тока, например для питания сварочных автоматов, горячей сварки чугуна, дуговой резки металла, подводных работ и т. д. Для по­добных работ наша промышленность выпускает специальные одно­постовые агрегаты повышенной мощности. При отсутствии на месте более мощного сварочного агрегата можно прибегнуть к параллель­ному соединению на одну дугу двух или трёх агрегатов СМГ-2. Общий к. п. д. сварочного агрегата СМГ-2 с электродвигателем 3-фазного тока доходит до 0,6 при полной нагрузке. Длительный к. п. д. ввиду значительной мощности, расходуемой при холостом ходе, обычно не превышает 0,40—0,45.

Средний расход электроэнергии при ручной сварке составляет 7—8 квт-час на 1 кг наплавленного металла.

В настоящее время достигнуты значительные успехи в констру­ировании и производстве статических выпрямителей, преобразую­щих переменный ток в постоянный, и возникает вопрос о возмож­ности замены сварочных мотор-генераторных агрегатов сварочными выпрямителями. Имеются уже опытные выпрямительные сварочные установки, дающие удовлетворительные результаты. Наиболее ве­роятно применение для целей сварки селеновых и газотронных вы­прямителей.

В табл. 2 приведём средние сравнительные данные для ручной сварки по расходу электроэнергии при питании поста дуговой элек­тросварки от силовой сети 3-фазного тока.

Таблица 2