Тенденции развития источников питания для дуговой сварки

Дуговая сварка была и остается основным технологическим процессом сварочного производства. В связи с этим исследователи, конструкторы и изобретатели уделяют дуговой сварке больше внимания, чем всем остальным вместе взятым способам соединения материалов.

Первые сварочные источники появились около 100 лет назад. В конце 19-го столетия Николай Бернадос использовал батареи и генератор с приводом от парового двигателя для своих экспериментов с дуговой сваркой угольным электродом.

За последнее десятилетие динамичное развитие источников питания для сварки базировалось на достижениях полупроводниковой техники - цифровой вычислительной и силовой. В 1960-70-е гг. их развитие было целиком связано с разработкой силовых полупроводниковых диодов и созданием на их основе сварочных выпрямителей.

Современные полупроводниковые приборы преоб­разили конструкцию новых сварочных источников. Стало возможным снизить их массу и габариты. Од­нако самые революционные преобразования про­изошли в конструкции систем управления. Совре­менные компьютерные программы позволяют по­требителям не только легко общаться с блоком упра­вления, используя панель управления, но и оптими­зировать сварочные характеристики.

Полупроводники открыли конструкторам возмож­ность создать новые сварочные источники. Сначала в сварочных выпрямителях были примене­ны кремниевые диоды, затем появились тиристоры и, наконец, транзисторы, используемые в современ­ных инверторных источниках.

1910 Сварочный генератор   1920 Сварочный трансформатор   1950 Выпрямитель   1970 Тиристорный выпрямитель   1980 Инверторный выпрямитель

На рис. 1 показаны ступени развития конструкций сварочных источников. По мере развития источников их масса уменьшилась на порядок, уменьшались соот­ветственно и размеры. Важной ступенью развития яви­лось появление инверторных сварочных источников. В 1984 году шведский концерн ЭСАБ разработал свой первый инверторный выпрямитель «Caddy», весящий всего 8 кг. Дальнейшее развитие инверторной техники в сварочном машиностроении связано с появлением мощных транзисторов, рассчитанных на сотни вольт рабочего напряжения, десятки и сотни ампер.

Сварочный выпрямитель традиционного типа (рисунок, 2 а), выполненный на тиристорах, состоит из понижающего трансформатора, силового выпрямительного блока, сглаживающего реактора и системы управления, осуществля­ющей в зависимости от назначения различные функции. Источник питания инверторного типа (рисунок, б) построен по другому принципу. Напряжение сети выпрямляется, «сглаживается» с помощью фильтра, затем преобразуется в переменное повышенной частоты (чаще свыше 15 кГц), трансформируется и снова выпрямляется. Ступеней преобразования энергии в инверторном источнике питания больше, чем в обычном (в обычном источнике таких ступеней всего две, в инверторном - их четыре). Несмотря на это инверторный источник питания того же назначения, что и обычный, имеет значительно более высокий КПД, меньшую массу и габаритные размеры. Отмеченное достигается только за счет того, что в инверторном источнике питания нет рассчитанного на полную мощность трансформатора промышленной частоты. Трансформатор повышенной частоты в инверторном источнике питания имеет массу приблизительно в 50 раз меньшую по сравнению с трансформатором промышленной частоты, благодаря чему потери энергии в нем несравнимо меньше, а КПД существенно выше. Небольшие размеры высокочастотного трансформатора позволяют создавать

компактные источники питания.

Применение современной электроники позволило снизить массу сварочного источника в 10 раз.

Использование дугового разряда для сварки. Одним из видов сварки для осуществления неразъемных соединений металлических изделий является дуговая сварка, при которой для плавления металлов используется энергия электрического дугового разряда, возбуждаемого и поддерживаемого в пространстве между электродом и изделием. Энергию для поддержания дугового разряда доставляет источник питания. Для источника питания дуга является нагрузкой. Пространство между электродом и изделием, где создается дуговой разряд, называется разрядным или межэлектродным промежутком. От источника питания к этому промежутку подводится напряжение. В зависимости от знака потенциала, подведенного от источника, изделие или электрод выполняют функции анода или катода.

При подведении напряжения к разрядному промежутку в нем создается электрическое поле. Электрическая проводимость разрядного промежутка до возникновения электрического разряда равна нулю. Для его возникновения необходимо, чтобы в созданном электрическом поле имелись свободные электроны, которые, двигаясь ускоренно под действием сил поля к аноду, будут ионизировать газовую среду разрядного промежутка. Для получения свободных электронов осуществляют первоначальное возбуждение (зажигание) дуги, что достигается либо контактным способом при сварке плавящимся электродом, либо бесконтактным с помощью осциллятора при сварке неплавящимся электродом.

Качество сварного шва зависит как от количества энергии, поступающего от источника питания в зону сварки, так и от закона изменения этой энергии во времени. Электрическая проводимость разрядного промежутка определяется расстоянием между электродом, свойствами газовой среды, химическим составом свариваемых изделий и электрода, давлением, от которого зависит плотность окружающего газа.

В процессе сварки в энергетической системе источник питания — сварочная дуга— ванна возникают возмущения, причинами которых являются изменения длины дуги, колебания напряжения сети, изме­нения скорости подачи электродной проволоки, а также изменения физических условий в разрядном промежутке. При возмущениях изменяются напряжение на дуге и сварочный ток, что приводит к нарушению установившегося процесса сварки. Это отражается на глубине проплавления, геометрических размерах шва и структуре металла сварного соединения.

Изменение проводимости разрядного промежутка вызывает в. системе источник питания —дуга — ванна переходные процессы. Во время переходных процессов происходит преобразование энергии электрического поля в энергию магнитного поля, а также обратное преобразование, сопровождающееся выделением тепла в резистивных сопротивлениях цепей. Характер переходных процессов и ско­рость их протекания зависят от свойств источника энергии, парамет­ров сварочного контура, физических условий в разрядном проме­жутке и гидродинамических явлений в ванне.

В сварочной технике применяется как дуга непрерывного горе­ния (стационарная), так и импульсная дуга. Длительность сущест­вования дуги непрерывного горения намного больше времени проте­кания переходных процессов, вызываемых возмущениями, поэтому изменения проводимости разрядного промежутка незначительны и напряжение на дуге, а следовательно, и сварочный ток изменяются мало. Практически их можно считать в процессе сварки постоян­ными.

Если изменение проводимости разрядного промежутка произво­дится во времени по определенной программе, которая осуществля­ется путем наложения на стационарно горящую дугу импульсов напряжения, создаваемых источником питания, то такая дуга на­зывается импульсной. При сварке импульсной дугой осуществляется

программное тепловложение в место соединения изделий за счет циклического изменения величины сварочного тока; при этом созда­ются благоприятные условия для капельного переноса металла.

Физические явления, протекающие в сварочной дуге.

Сварочную дугу принято изобра­жать графически в виде цилиндра – так называемая каналовая мо­дель (рис. 1.1) В осевом направлении различают: столб дуги— ее центральную часть, имеющую длину lст порядка десятых долей сантиметра и температуру порядка шести и более тысяч градусов; приэлектродные области — катодную и анодную. В приэлектродных областях происходит снижение температуры столба дуги до тем­ператур плавления и кипения металла изделия и электрода или до необходимой температуры нагрева конца электрода при сварке неплавящимся электродом. Приэлектродные области (lк и lа) имеют длины порядка (10-5—10-3) см. Ввиду их малой протяженности за длину дуги при­нимают длину столба дуги, т. е. считают, что lд» lст.

Столб дуги — это ионизированный газ, содержащий нейтральные атомы и молекулы газов и паров, свободные электроны и положи­тельные ионы, возникающие при ионизации газа. Столб дуги является анизотропной средой, свойства которой (температура, напряженность электрического поля, электрическая проводимость, давление и др.) в осевом и в радиальном направлениях различны.

В столбе дуги наблюдаются две формы движения заряженных частиц: хаотическое тепловое и упорядоченное движение под действием сил электрического поля. Упорядоченное движение свободных электронов обусловливает электронную составляющую тока дуги, a положительных ионов — ионную составляющую тока. Электронная составляющая тока дуги в сотни раз больше ионной. Обе составляющие тока создают свои магнитные поля. Сварочным током считают ток проводимости, обусловленный упорядоченным движением свободных электронов, а магнитным полем дуги — поле, создаваемое этим током.

Под действием сил электрического поля свободные электроны, ускоряясь, движутся к аноду, а положительны ионы, скорость которых значительно меньше вследствие их большей массы, — к катоду. Ионизация газа столба дуги происходит за счет неупругих столкновений свободных электронов с нейтральными частицами газа. Степень ионизации газа в столбе дуги составляет несколько процентов. Такой ионизированный газ называется низкотемпературной плазмой. Степень ионизации газа определяется температурой нейтрального газа, потенциалами ионизации Vi и возбуждения Vв компонентов смеси газов и паров межэлектродного промежутка. Компоненты смеси газов и паров веществ, имеющие более низкий потенциал ионизации, такие, например, как калий, кальций, ионизируются в большей степени.

Ток проводимости I является скалярной величиной, и определяется по формуле:

где d — вектор плотности тока проводимости (рис. 1.2); ds — вектор элемента ds поверхности S (перпендикулярный ей), через которую проходят частицы, несущие заряд q.

Между векторами плотности тока d и напряженности электрического поля Е в данной точке межэлектродного промежутка существует зависимость, которая представляет собой закон Ома, записанный в дифференциальной форме: (1.2)

где g — удельная проводимость среды. Для линейных изотропных сред g постоянна во всех точках электрического поля, и векторы d и Е совпадают по направлению. Если между изделием и электродом среда анизотропная и g ¹ const, to d, g и Е — тензорные величины.

Рис. 1.1.- Цилиндрическая каналовая модель сварочной дуги

Рис. 1.2. Взаимное расположение вектора ds и вектора плотности тока проводимости d

Распределение потенциалов по длине дуги.

Напряженность электрического поля в столбе дуги Ест невысока — порядка 10—35 В/см. Это объясняется высокой проводимостью столба дуги. Напряженности электрического поля Ек и Еа в приэлектродных областях вследствие появления там при горении дуги пространственных (объемных) зарядов значительно больше, чем в столбе дуги, и могут достигать значений порядка (1—2) -106 В/см.

На рис. 1.3 приведен график, отражающий качественную картину распределения потенциалов по длине дуги, горящей в воздухе при воздухе при ручной дуговой сварке. Величины потенциалов для построения графика определяются экспериментальным путем. Характерным для графика является то, что в приэлектродных областях наблюдаются резкие изменения потенциалов по сравнению с изменением потенциалов в столбе дуги. Это объясняется различием физических процессов, протекающих в этих областях и в столбе дуги, Напряжение на дуге uд есть сумма разностей потенциалов в анодной области иа, в столбе дуги uст и в катодной области uk:

uд = иа + uст + uk (1.3)

Рис. 1.3. График распределения потенциалов по длине дуги

Схема замещения сварочной дуги

Для расчетов и анализа процессов, происходящих в источнике питания, изобразим схему замещения реальной дуги и заменим вольт-амперную характеристику дуги аналитическим выражением Uд=f(I). При составлении схемы замещения учитывается вид характеристики дуги — падающая, жесткая и возрастающая. По второму правилу Кирхгофа для схемы рис. 1.6, а:

UД =EД +RДИФ I

где EД — э. д. с. схемы замещения сварочной дуги; RДИФ = mR tgb — дифференциальное сопротивление нелинейного участка сварочного контура, которым является разрядный промежуток. Угол b образован касательной к данной точке вольт-амперной характеристики дуги и осью тока, a mR = B/A — масштабы напряжения и тока на рис. 1.6, б.

Рис. 1.6. Схема замещения сварочной дуги: а – цепь дуги и схема; б — к определению дифференциального сопротивления дуги для падающей, жесткой и возрастающей вольт-амперных характеристик

Зависимость напряжения на дуге от тока дуги. Вольт-амперная характеристика нелинейного участка сварочного контура, которая строится по данным эксперимента, представляет собой зависимость напряжения на дуге UД от тока дуги при данных длине дуги lд, проводимости G разрядного промежутка и постоянстве остальных физических факторов, влияющих на условия существования. и горения сварочной дуги.

Расчеты электрических нелинейных цепей производятся, как правило, графоаналитическими методами. Для расчета вводится понятие дифференциального сопротивления [14] нелинейного участка цепи (в нашем случае разрядного промежутка, где горит дуга). Дифференциальное сопротивление равно отношению бесконечно малого приращения напряжения на дуге к бесконечно малому приращению сварочного тока:

Форма вольт-амперной характеристики сварочной дуги отражает свойства дуги данной длины lД, существующей в определенных физических условиях, которые обусловливают проводимость G разрядного промежутка.

Статическая вольт-амперная характеристика дает представление о том, как изменяется в определенных условиях проводимость Gд дугового промежутка длиной lд при изменении величины напряжения, подводимого к дуге.

Поскольку напряжение uд на дуговом промежутке есть сумма разностей потенциалов в приэлектродных областях и в столбе дуги (1.3), то от характера изменения каждой каждой составляющей в зависимости от тока при неизменных физических условиях в разрядном промежутке зависит вид статической вольт-амперной характеристики.

Известны статические вольт-амперные характеристики сварочных дуг трех видов:

падающая — с ростом сварочного тока I UД уменыпается (рис. 1.5, а);

жесткая — с ростом I UД остается практически неизменным (рис.1.5,б);

возрастающая — рост I вызывает увеличение UД (рис. 1.5, в).

Падающие вольт-амперные характеристики имеют свободные малоамперные дуги, горящие в атмосфере воздуха и в среде аргона при токах от нескольких ампер до 70—80 А. Причиной снижения напряжения на дуге является уменьшение напряжения столба дуги UСТ. C ростом тока более интенсивно протекает ионизация газа столба дуги, проводимость столба дуги увеличивается, а площадь поперечного сечения столба возрастает. Разности потенциалов в анодной иа и в катодной ик областях практически не зависят от величины тока, а только от физических условий, в которых существует дуга. При неизменной длине дуги с ростом тока уменьшается UСТ и напряжение на дуге; при этом дифференциальное сопротивление Rдиф<0, так как угол bд тупой (рис. 1.5, а).

Рис. 1.5. Вольт-амперные характеристики дуги: а — падающие; б — жесткие; в – возрастающая

Жесткую вольт-амперную характеристику имеют сварочные дуги с токами от 80 А и выше при ручной дуговой и механизированной сварке под флюсом (рис. 1.5, б). С ростом сварочного тока увеличивается площадь столба дуги, в результате чего проводимость разрядного промежутка практически не изменяется. Увеличение тока с одновременным увеличением площади столба дуги приводит к тому, что плотность тока в столбе дуги и напряженность электрического поля Ест остаются постоянными. Этим объясняется то, что при постоянстве иа и ик напряжение ист практически не зависит от величины тока. При lд=const напряжение uд с ростом тока не изменяется, при этом Rдиф = 0.

При механизированной сварке под флюсом, когда диаметр электродной проволоки невелик, плотность тока в электроде несколько больше таковой при свободной малоамперной дуге, горящей в воздухе или в аргоне. Начиная примерно с 300—400 А и выше вольт-амперная характеристика дуги, горящей под флюсом, становится пологовозрастающей. На рис. 1.5, б такая характеристика показана пунктиром.

При сварке плавящимся злектродом в среде углекислого газа и сжатой дугой в среде аргона неплавящимся злектродом вольт-амперная характеристика сварочной дуги крутовозрастающая. С ростом сварочного тока напряжение на дуге возрастает, при этом Rдиф >0 и угол bд<л/2. Плотность тока dэ в электроде для указанных способов сварки больше, чем плотность тока при сварке свободной малоамперной дугой в атмосфере воздуха и в среде аргона, а также при ручной дуговой сварке и при сварке под флюсом.

Устойчивость горения сварочной дуги при малых отклонениях напряжения на дуге.

Для стабильного горения дуги требуется равенство тока и напряжения дуги току и напряжению источника питания: IД = IИ; UД = UИ

Кроме того, необходимо соответствие внешней вольт-амперной характеристики источника и статической вольт-амперной характеристики дуги (рис.1.7). В точках их пересечения наблюдается равенство значений тока и напряжения источника и ду­ги. Для решения вопроса об устойчивости горения дуги в точках пересечения необходимо рассмотреть условия горения при небольших отклонениях тока от равновесия.

Если при горении дуги в точке А произошло уменьшение тока (IA min < IA), то для поддержания дугового разряда, согласно статической вольт-ам­перной характеристике дуги, требуется более высокое напря­жение. Его величина становится больше, чем может дать источ­ник при этом же токе (- DUи). В связи с этим произойдет дальнейшее самопроизвольное снижение тока (IA ® 0), и дуга погаснет. Следовательно, в точке А дуга стабильно гореть не может. В точке В при снижении тока напряжение источника оказывается большим (DUи), чем это необходимо для го­рения дуги по статической вольт-амперной характеристике. Бла­годаря этому произойдет самопроизвольное увеличение тока (IВ min ® IВ), и процесс горения вернется в точку В. Увеличение тока в точке В приведет к возрастанию напряже­ния, необходимого для горения дуги. Источник питания при этих же значениях тока дуги дает меньшее напряжение (- DUи). Это вызовет самопроизвольное снижение силы тока (IВ max ® IВ), и горение дуги снова переместится в точку В. Следова­тельно, точки В пересечения вольт-амперных характеристик являются точками устойчивого горения дуги. Для этих точек.может быть записано неравенство в дифференциальной форме: дUд/дIр> дUИ/дIр

Обычно условия устойчивого горения дуги записывают в следующем виде: IД = IИ = IР; UД = UИ = UР

Ку = RДИФ.С = RДИФ.Д – RДИФ =(дUд/дI - дUИ/дI)р > 0, где RДИФ.Д и RДИФ — дифференциальные сопротивления соответственно нелинейного участка электрической цепи с дугой и источника питания при I = IР (индекс «р» означает в данном случае равновесное состояние при отсутствии возмущения),

Uд, UИ — напряжение дуги и источника в установившемся режиме; IД, IИ — ток дуги и источника в установившемся режиме; Ку — общее динамическое сопротивление дуги и источника. В литературе KУ называют еще дифференциальным сопротивление энергетической системы источник питания — дуга RДИФ.С или коэффициентом (критерием) устойчивости.

Анализ зависимостей, приведенных на рис. 1.7, позволяет сделать ряд принципиальных выводов.

1. Если статическая вольт-амперная характеристика дуги падающая (дUд/дI < 0), то для устойчивого горения дуги тре­буются источники питания только с падающими внешними вольт-амперными характеристиками (дUИ / дI < 0), причем крутизна падения внешней характеристики источника в рабочей точке должна быть больше (рис. 1.7, а, точка В")

|дUИ/дI|р >|дUд/дI|р

2. При наличии жесткой статической вольт-амперной харак­теристики дуги дUд/дI=0) источник питания и в этом случае должен иметь падающую внешнюю характеристику (дUИ / дI < 0). Однако крутизна ее падения может быть любой (рис. 1.7, а, точка В').

3. Для устойчивого горения дуги с возрастающей статической вольт-амперной характеристкой (дUд/дI>0) принципиально мо­гут быть использованы источники питания с любой внешней характеристикой (рис. 1.7, а, точка В). Исключение составляют источники с возрастающей вольт-амперной характеристикой, крутизна подъема должна быть меньшей по сравнению с крутиз­ной подъема статической характеристики дуги (рис. 1.7, в):

|дUИ/дI|р <|дUд/дI|р

4. Источники питания с падающими вольт-амперными харак­теристиками принципиально пригодны для многих способов дуговой сварки.

5. Источники питания дуги с жесткими и возрастающими вольт-амперными характеристиками имеют ограниченное при­менение и могут быть использованы только для сварочных дуг с возрастающей статической вольт-амперной характеристикой.

Уменьшения времени перерыва в горении дуги. Для уменьшения времени перерыва tn в горении дуги и увеличения производной тока di2/dt при смене полярности можно идти двумя путями: уменьшать UП.В, изменяя физико-химические свойства среды между электродом и изделием, или изменять свойства источника питания. UП.В можно уменьшить, вводя в парогазовую среду между электродом и изделием химические элементы с низкими потенциалами ионизации. Это можно осуществить путем покрытия стержневых электродов слоем, содержащим требуемые элементы, а при механизированной сварке вводить их в состав флюса или в состав фитиля, находящегося внутри полой электродной проволоки. Снижение UП.В можно осуществить также, снижая давление среды.

При том же значении UП.В время перерыва tn в горении дуги можно уменьшить за счет увеличения амплитудного значения напряжения u2 трансформатора. На рис. 1.9, а видно, что при увеличении U2m трансформатора дуга повторно возбуждается в момент t'в, благодаря чему уменьшается tn.

Однако увеличение U2m, а следовательно, и действующего значения напряжения холостого хода ограничено не только технико-экономическими показателями (увеличивается сечение сердечника, растет расход обмоточных материалов трансформатора), но в первую очередь условиями безопасности при выполнении сварочных работ (возрастает опасность поражения током обслуживающего персонала). Исходя из этого, желательно не увеличение, а уменьшение U2х.х.

Напряжение холостого хода источника во многом зависит от напряжения UП.В. Даже небольшие перерывы в горении дуги приводят к резкому возрастанию пика зажигания. Пиковые значения напряжения возрастают при увеличении длины дуги, снижении сварочного тока, наличии в столбе дуги фторидных соединений. В обычных трансформаторах для дуговой сварки принимают

Из рис. 1.9, б видно, что уменьшить tn можно увеличением частоты напряжения u2. При f' > f (f=50 Гц) дуга повторно возбуждается при t'в < tв. Наиболее устойчиво горит дуга при частоте f' = (5—9)f. Cварочная дуга повышенной частоты издает резкий звенящий звук и неблагоприятно воздействует сварщика.

Облегчить повторное возбуждение дуги переменного тока можно также применением специальных устройств — осцилляторов и импульсных возбудителей.

Рис. 1.9. уменьшения времени перерыва tn в горении дуги: а – при увеличении амплитуды вторичного напряжения трансформатора, б – при увеличении частоты вторичного напряжения.

Горение сварочной дуги при включении в сварочный контур линейной индуктивности. На практике питание дуги переменным током при ручной дуговой сварке в атмосфере воздуха плавящимся электродом и при сварке под флюсом осуществляют, включая в цепь дуги не резистор, а катушку с ферромагнитным сердечником, обладающую значительной индуктивностью, или осуществляют питание дуги от трансформатора, oбмотки которого обладают большой индуктивностью. Принципиальная электрическая схема источника питания дуги переменным током с катушкой индуктивности в сварочном контуре приведена на рис. 1.10. Катушка обладает индуктивностью L и резистивным сопротивлением R. Для облегчения анализа процессов, происходящих в схеме, примем, что цепь линейная. Дуга замещена линейным резистивным сопротивлением RД. На схеме е2— вторичная э. д. с. трансформатора; еs2 – э. д. с. рассеяния вторичной обмотки; R2— резистивное сопротивление этой обмотки.

При прохождении сварочного тока i2 no обмотке катушки индуктивности магнитодвижущая сила wk i2 возбуждает в ceрдечнике катушки изменяющееся во времени магнитное поле, которое индуктирует в обмотке э.д.с. самоиндукции eL. По второму правилу Кирхгофа можно составить уравнение для сварочного контура, обходя его по направлению тока i2

e2 + es2 + eL= uД + R2i2 + Ri2, (1)

где uД — мгновенное значение напряжения на дуге.

Рис. 1.10. Принципиальная электрическая схема источника питания дуги переменным током с катушкой индуктивности в сварочном контуре.

Если дуга горит устойчиво, то напряжение uД можно считать постоянным и равным uД. Примем, что сварочный ток i2=I2msin w t, т. е. начальная фаза тока yi = 0. Тогда u2=U2m sin (w t + j 2), где j 2 – угол сдвига фаз между u2 и i2.

(2)

Величинами резистивного R2 и индуктивного x2 сопротивлений вторичной обмотки трансформатора по сравнению с xL можно пренебречь и тогда из (1) получим

u2 = uД + uL, (3)

где uL= - eL = Ld i2/d t = xLI2m sin (w t + p /2).

Подставив вместо u2 и uL их выражения, записанные выше в (3), получим.

U2m sin (w t + j 2) = uД + xLI2m sin (w t + p /2) (4)

Ha рис. 1.11 приведены графики изменений во времени мгновенных значений u2, i2, uД и uL.

Рис. 1.11. Графики изменений во времени мгновенных значений u2, i2, uД и uL.

В окрестности значения тока i2 = 0 остаточная проводимость плазмы в дуговом промежутке чрезвычайно мала. Можно считать, что разрядный промежуток после угасания дуги практически разомкнут. Из (4) при t=0 имеем

U2m sin j 2 = xLI2m ≥ UП.B (5)

Кривая тока практически синусоидальна. Ток i2 отстает по фазе от и2 на угол j2, определяемый соотношением индуктивного и резистивного сопротивления сварочного контура. Чтобы дуга горела устойчиво и время перерыва tп → 0, значение u2 = U2m sin j2 в момент перехода тока через нуль должно быть не меньше величины напряжения повторного возбуждения дуги UП.B.

Наличие индуктивного сопротивления в цепи дуги обязательно для всех источников переменного тока. Для большинства сварочных цепей характерно j 2 = 53 - 57° и отношение xL / RД ≥ 5.

Постоянная составляющая сварочного тока и меры борьбы с ней. Различие в теплофизических свойствах электрода и сварива­емого изделия приводит к тому, что напряжение, необходимое для горения дуги в одном полупериоде, значительно отличается от напряжения горения в другом полупериоде. Резче обозначается отличие формы тока от формы напряжения дуги. Нарушается сим­метрия полупериодов относительно нулевого значения. Возникает неравенство токов прямой IПР и обратной IОБР полярности. Это об­условливает появление в цепи дуги постоянной соста­вляющей тока Iд (рис. 1.12). Ток iд становится периодической несинусоидальной функцией времени, которая может быть разложена в ряд Фурье:

iд = Iд + I1max sin (w t+j1)+ I2max sin (w t+j2)+…+ In max sin (w t+jn),

где I1max, I2max, …, In max – амплитуда, а j1, j2,…,jn – начальная фаза тока.

Большая величина Iд образуется при сварке алюминия и его сплавов вольфрамовым электродом. В полупериодах, когда катодное пятно располагается на вольфрамовом электроде (прямая полярность), благодаря мощной термоэлектронной эмиссии ка­тода создаются благоприятные условия для возбуждения и го­рения дуги при низком напряжении. В полупериодах, когда катодное пятно находится на сваривае­мом изделии из алюминия (обратная полярность), термоэлектрон­ная эмиссия затруднена (холодный катод). Для возбуждения дуги требуются высокие пиковые значения напряжения, и горение дуги происходит при более высоком напряжении, чем в предыду­щих полупериодах. При сварке на небольших токах возбуждение дуги в полупериоды обратной полярности вообще может не про­изойти. В этом случае дуга становится выпрямительным вентилем. Стабильность ее горения резко ухудшается.

Рис. 1.12. Образование постоянной соста­вляющей тока Iд при горении дуги между вольфрамовым электродом и изделием из алюминия.

При наличии постоянной составляющей Iд увеличивается сопротивление магнитопровода трансформатора, значительно повышается намагничивающий ток. В результате этого понижается мощность, отдаваемая дуге, и коэффициент мощности источника.

При уменьшении тока в полупериоды обратной полярности затрудняется катодная очистка свариваемых кромок и поверх­ности ванны от оксидных пленок. Это приводит к ухудшению формирования шва и снижению его свойств.

Источники питания дуги переменным током для сварки алюминия, его сплавов и некоторых других металлов вольфрамовым электродом должны иметь устройства, облегчающие возбуждение дуги в полупериоды обратной полярности, и устройства для частичного или полного подавления постоянной составляющей тока Iд.

В источниках для дуговой сварки применяют несколько способов полного или частичного подавления постоянной составляющей тока (включением в цепь дуги батареи конденсаторов, полупроводникового выпрямителя и других уст­ройств).

При сварке алюминия и его сплавов полное уничтожение постоянной составляющей при токе дуги до 500 А можно осуществлять включением в сварочную цепь емкости, препятствующей протеканию постоянного тока [рис. 1.13].

	IД

Рис.1.13 – Схемы уничтожения постоянной составляющей сварочного тока.

Используя полупроводниковые вентили, можно собрать устройство, позволяющее плавно и в широких пределах регулировать величину тока Iд и если необходимо, изменять знак. Включением в сварочную цепь активного сопротивления с подсоединением параллельно ему полупроводникового вентиля можно уничтожить. Величина сопротивления и полярность выбираются такими, чтобы полностью уничтожить Iд или ограничить до величины, требуемой по технологическим соображениям. В те полупериоды, когда катод – изделие, ток пропускается без ограничений. В следующий полупериод вентиль заперт, и величина Iд ограничивается сопротивлением R, шунтирующим вентиль. Это сопротивление должно быть переменным, чтобы при различных режимах сварки можно было устранить Iд

Динамическая характеристика сварочной дуги переменного тока. При исследовании свойств сварочных дуг переменного тока, горящих в разных физико-химических условиях при различных способах сварки, пользуются их динамической характеристикой, которая представляет собой зависимость между мгновенными значениями напряжения uД и сварочного тока iД.

На рис. 1.13 приведена динамическая характеристика дуги переменного тока, горящей в атмосфере воздуха при ручной дуговой сварке. Характеристика имеет две расходящиеся ветви: восходящую bс и нисходящую cd, полученные при возрастании и убывании тока (показано стрелками). Заметное расхождение этих ветвей наблюдается у дуги, горящей в среде, содержащей примеси паров легко ионизирующихся элементов (калия, кальция, натрия), а также у дуг, горящих в средах с высокими потенциалами ионизации, с ростом частоты напряжения, питающего дугу. Расхождение ветвей больше при сварке меньшими токами. Часть ветвей динамической характеристики для двух полупериодов на рис. 1.13 показана пунктиром (оа и do). Эти части ветвей соответствуют преддуговому состоянию межэлектродного пространства и не улавливаются светолучевым осциллографом. Нарушение устойчивости в горении дуги при малых значениях di/dt при смене полярности приводит к нестабильному процессу сварки, что отрицательно отражается на качестве сварного шва.

Требования к источникам питания

Источник питания должен обеспечивать легкое и надежное возбуждение дуги, устойчивое ее горение в установившемся режиме, регулирование мощности (тока). Источник питания должен быть рассчитан на конкретные режимы работы, т. е. на определенную нагрузку и определенные условия эксплуатации (температуру, влажность, давление, пространственное положение сварного шва), при которых все его свойства проявляются оптимально.

Источник питания должен при определенных режимах работы должен удовлетворять двум группам требований: технологическим и технико-экономическим.

Технологические требования. Эти требования определяются техническими возможностями достижения технологических свойств, которые определяются, в свою очередь, статическими и динамическими свойствами источника питания и свойствами нелинейных участков — разрядного промежутка и ванны.

Прежде всего источник должен легко настраиваться на требуемый режим сварки. Для этой цели в источниках необходимы регулирующие устройства, позволяющие получать семейство внешних вольт-амперных характеристик. Для некоторых способов сварки большое значение имеет возможность дистанционной настройки режима работы источника.

Совершенствование способов и технологии дуговой сварки предъявляет к источникам разнообразные и многочисленные требования. Например, источники питания для сварки вольфрамовым электродом целесообразно снабжать осцилляторами для зажигания дуги без применения короткого замыкания, устройствами для плавного регулируемого во времени нарастания тока при зажигании дуги и гашения ее при окончании автоматической сварки.

Статические свойства источника отражены в его внешней статической характеристике и ее соответствии вольт-амперной характеристике дуги, так как способность энергетической системы источник — дуга — ванна поддерживать устойчивое горение дуги и заданный режим зависит от видов и взаимного расположения этих характеристик.

О динамических свойствах источника можно судить по характеру и скорости протекания переходных процессов в системе источник—дуга — ванна, сопровождающихся резкими изменениями сварочного тока при ступенчатых изменениях проводимости разрядного промежутка, которые вызываются резкими переходами из одного установившегося режима в другой (например, при переходе от холостого хода к короткому замыканию при первоначальном возбуждении дуги). Кроме того, при сварке могут наблюдаться относительно небольшие колебания напряжения на дуге и тока дуги, вызываемые процессами в разрядном промежутке (изменением длины дуги, переносом капель расплавленного металла, перемещением активных пятен на поверхностях электрода и изделия, возникновением в столбе дуги потоков ионизированного газа, колебаниями напряжения сети, неравномерностью скорости подачи сварочной проволоки и т. д.).

Технико-экономические показатели. К этим показателям относятся коэффициент полезного действия (к.п.д.), коэффициент мощности (соs j), габаритные размеры, массы, показатели надежности, эргономические (размещение) и технологические показатели конструкции источников, соответствие правилам безопасности и т. п.

Коэффициент полезного действия характеризует потери энергии в самом источнике

hИ = NД 100/ NC, где NД – мощность дуги, NC – мощность, потребляемая из сети.

Для различных источников питания дуги hИ находится в широких пределах и составляет 45 – 98%.

Режимы работы источников питания. Источник питания для дуговой сварки рассчитывается на определенную нагрузку, при которой он работает, не перегреваясь выше установленных норм, т. е. рассчитывается по нагреву на определенный режим работы, определяемый характером изменения нагрузки во времени P = f(t). Источник питания рассчитывается также на заданную величину напряжения, которая определяет класс применяемых изоляционных материалов.

Ток, напряжение, мощность и режим работы источника питания, на которые он рассчитан, называются номинальными(IН, UH, PH).

При эксплуатации источника питания происходит нагрев его обмоток, ферромагнитных сердечников и ряда конструктивных элементов (кожуха, стяжных болтов и т. д.). Под перегревом понимают превышение температуры Т источника питания над температурой окружающей среды: Q = T - T0

где Q—температура перегрева; Т — температура источника питания; Т0 — температура окружающей среды. После включения источника питания температура Т повышается и температура перегрева Q нарастает, пока не достигнет установившегося значения Qу, при котором повышение температуры Т прекращается. При изменениях нагрузки происходит изменение Т и Q.

Различают три режима работы источников питания для дуговой сварки: продолжительный, перемежающийся и повторно-кратковременный. Продолжительным режимом называется такой режим, при котором источник успевает за время работы нагреться до температуры Qу.

Рис. 1.14. Характеристики продолжительного режима работы: а график изменения нагрузки источника питания во времени P = f(t); б —кривая нарастания температуры во времени T = f(t) для продолжительного режима работы.

Уравнение кривой нагрева T=f(t) для продолжительного режима работы

Величина подкасательной tНАГР называется постоянной времени нагрева. Она характеризует скорость возрастания во времени температур Q и Т данного источника. За время t, равное tНАГР, температура перегрева достигает 63% от QУ.

Перемежающийся режим характерен тем, что время tp работы (сварки) чередуется со временем перерывов работе tn (пауз). На рис. 1.15, а дан график изменения нагрузки во времени при перемежающемся режиме работы.

Рис. 1.15. Характеристики перемежающегося и повторно-кратковременного режима работы: а — график изменения нагрузки во времени при перемежающем­ся режиме; б—кривая нарастания температуры при переме­жающемся режиме; в — график изменения нагрузки во време­ни при повторно-кратковременном режиме

При этом режиме за время работы tp температура источника не успевает достигнуть значения установившейся температуры Ту, а за время перерывов в работе tn источник не успевает охладиться до температуры окружающей среды Т0 (рис. 1.15, б). Время tп соответствует режиму холостого хода источника. Процесс охлаждения, так же как и процесс нагрева, описывается экспоненциальной кривой. По истечении некоторого промежутка времени температура источника колеблется между некоторым максимальным значением Т2 и минимальным Т1. Среднее значение этих двух температур Тдоп обычно выбирается как расчетное. У реальных источников питания постоянная времени охлаждения несколько больше постоянной времени нагрева.

Перемежающийся режим для нагрузки циклического типа характеризуется относительной продолжительностью нагрузки за время цикла tц= tР + tП.

Повторно-кратковременный режим отличается от перемежающегося тем, что источник питания, получающий энергию от силовой сети, во время пауз в работе отключается от сети (рис. 1.15, в) Повторно-кратковременный режим характеризуется продолжительностью включения:

Если величина ПН% (или ПВ%) отличается от номинальной приведенной в паспорте установки, то величину сварочного тока соответствующую другому значению ПН% (или ПВ%), можно найти, пользуясь формулой

При этом максимальная величина тока ограничивается расчетными данными установки.

Единая система обозначений. Начиная с 1974 г. для электро­сварочного оборудования, выпускаемого промышленностью, приня­та система обозначений типов, описываемая структурой, приведенной на рис. 1.16. В структуре на месте буквы А проставляется сокра­щённое название изделия (А—агрегат, В—выпрямитель, И—источник питания, П—преобразователь, Т—трансформатор); на мес­те буквы Б проставляется буква, обозначающая вид сварки (в на­шем случае Д—дуговая); на месте буквы В проставляется буква (буквы), обозначающая способ сварки (Д—ручная штучным элек­тродом, ДО— открытой дугой, ДФ—под флюсом, ДГ—в защит­ном газе). Так как буква Д повторяется под индексами Б и В, то в названиях она проставляется один раз (только для дуговой сварки). Дополнительно в буквенной части обозначения могут по­являться буквы М—для многопостовых источников, а также буквы Б или Д, обозначающие соответственно вид двигателя—бензиновый или дизельный—для агрегатов с приводным двигателем внутреннего сгорания.

Рис. 1.16. Структура обозначений типов электросварочного оборудования

Цифровая часть обозначения, как правило, должна состоять из одного трех- или четырехзначного числа, первые одна или две цифры которого есть значение сварочного тока, округленное до целых десятков или сотен ампер, а две последние цифры (01, 02, и т. д.) —регистрационный номер разработки.

После цифровой части без разделяющих знаков вводятся буквы (на месте буквы Г) и цифры, обозначающие климатическое исполнение и категорию размещения по ГОСТ 15150—69.

Примеры обозначений:

1) выпрямитель многопостовой, для ручной дуговой сварки с номинальным током 1000 А, регистрационный номер разработки 01, климатическое исполнение У, категория размещения 3 — ВДМ-1001УЗ;

2) трансформатор сварочный однопостовой для ручной дуговой сварки с номинальным током 315 А, регистрационный номер разработки 01, климатическое исполнение У, категория размещения 2 — ТД-301У2.

Классификация источников питания

Источники питания можно классифицировать:

no роду тока—на источники постоянного и переменного тока;

no виду внешних характеристик — на имеющие падающие, пологопадающие жесткие и пологовозрастающие характеристики;

no способу получения энергии — на зависимые и независимые (или зависимые и автономные), т. е. получающие энергию от стационарной электрической сети или имеющие источником энергии двигатель внутреннего сгорания, агрегатированный с источником питания дуги;

no количеству обслуживаемых постов — на однопостовые и многопостовые;

no применению — на общепромышленные и специализированные.

К общепромышленным относятся источники питания для ручной дуговой сварки, а также для механизированной сварки под флюсом. Эти источники предназначены для сварки низкоуглеродистых сталей толщиной более 1 мм и имеют достаточно простую конструкцию и электрическую схему.

К специализированным относятся источники, предназначенные для сварки легких металлов и их сплавов, тонкой и особо тонкой стали всех марок, для особо качественных соединений, работающие сжатыми и импульсными сварочными дугами, удовлетворяющие не только требованиям технологии, но и требованиям высокого уровня автоматизации процесса, что обеспечивается более широким рименением обратных связей по выходным параметрам, применением источников параметрического типа, применением сложных современных схем управления выпрямителями, дополнительных специальных узлов и т.п. Эти источники по электрическим схемам конструкции значительно сложнее общепромышленных.

Дата добавления: 2015-07-19