Требования, предъявляемые к источникам питания для ручной дуговой сварки. Схема внешней характеристики источника питания.

К источникам питания сварочной дуги предъявляются технические требования, связанные со статической характеристикой дуги, процессом плавления и переноса металла при сварке. Эти источники значительно отличаются от электрических аппаратов, применяемых для питания током силовых и осветительных установок, и имеют следующие отличительные особенности:

- сварочные аппараты должны быть оборудованы устройством для регулирования силы сварочного тока, максимальное значение которого ограничивается определенной величиной;

- ток кратковременного короткого замыкания, возникающий в момент касания электродом изделия и при переносе расплавленного металла на изделие, должен быть определенной величины, безопасной для перегрева аппарата и пережога обмоток и достаточной для быстрого разогрева конца электрода, ионизации дугового пространства и возникновения дуги;

- напряжение холостого хода должно обеспечивать быстрое зажигание дуги, но не создавать опасности поражения сварщика электрическим током при соблюдении работающим правил безопасности; обычно оно в 1,8—2,5 раза больше рабочего напряжения дуги и находится в пределах 60—80 В. В правилах устройства электроустановок указаны предельные величины напряжения холостого хода аппаратов ручной дуговой сварки — постоянного тока 100 В (средняя величина), переменного 80 В;

- в процессе ручной сварки в зависимости от применяемой марки электродов и мастерства сварщика длина дуги может меняться в пределах 3—5 мм и соответственно будет меняться напряжение дуги, однако при этом лишь незначительно может меняться установленная сила тока, обеспечивающая требуемый тепловой режим сварки.

Все указанные требования учитываются внешней вольтамперной характеристикой источника питания, которой называется зависимость между величиной сварочного тока и напряжения на выходных клеммах сварочного аппарата. Различают несколько типов внешних характеристик (рис. 8.): крутопадающую I, пологопадающую II, жесткую III и возрастающую IV.

Рис. 8. Внешние вольт-амперные характеристики источников питания

I - крутопадающая, II - пологопадающая, III - жесткая, IV - возрастающая

Для ручной дуговой сварки используют источники питания с крутопадающей характеристикой, которая наиболее отвечает требованиям данного процесса: при изменении длины дуги, неизбежном во время ручной сварки, незначительно изменяется напряжение, а сила тока практически остается постоянной. Напряжение холостого хода достаточно высокое для зажигания дуги в начале работы. Источники с крутопадающей характеристикой используют также для сварки в защитном газе неплавящимся электродом и для сварки под флюсом. Источники с другими типами внешних характеристик используют для сварки под флюсом, сварки тонкой проволокой, электрошлаковой сварки и для многопостовых установок.

Кроме указанных внешних характеристик источники питания дуги должны обладать хорошими динамическими свойствами — должны быстро реагировать на перерывы при копотком замыкании и восстанавливать горение дуги. Для сварочных генераторов Государственным стандартом России установлен динамический показатель времени восстановления напряжения от нуля до рабочего (восстановления дуги) не более 0,3 с.

Источники питания для ручной дуговой сварки работают в режиме ПН (продолжительности нагрузки) или ПР (продолжительности работы), что равнозначно. При этих режимах установленная неизменная нагрузка (сварочный ток) чередуется с холостым ходом источника, когда в сварочной электрической цепи ток практически отсутствует. Продолжительность работы не должна быть настолько длительной, чтобы температура нагрева источника могла достигнуть значения, недопустимого для него. Этот режим определяется отношением времени сварки tсв к сумме времени сварки и времени холостого хода источника tx.x:

ПН-ПР=100tсв/(tсв+tx.x)

Величина ПН источников для ручной дуговой сварки обычно равна 60%, продолжительность цикла (tсв+tx.x) источников переменного тока — трансформаторов - 300 с (5 мин), источников постоянного тока 300 и 600 с (5 и 10 мин). За время tx.x происходит охлаждение источника, нагретого во время tсв.

Если вместо холостого хода в перерывах происходит отключение источника питания (пауза), то такой режим называют повторно-кратковременным (ПВ). Он определяется также в процентах

ПВ=100tсв/(tсв+tu)

где tп — время паузы, при котором отсутствуют потери энергии, имеющиеся при холостом ходе (tx.x).

Повторно-кратковременный режим используют при работе сварочными полуавтоматами. Постоянный рабочий режим (ПВ=100 %) используют для установок автоматизированной сварки или для автоматов.

Сварочный ток, напряжение и мощность, при которых не происходит перегрев источника в максимальном расчетном режиме, называют номинальными.

При использовании многопостовых источников сварочного тока (выпрямителей, преобразователей) необходимо, чтобы они имели жесткую вольтамперную характеристику, а отдельные посты, снабженные балластными реостатами, обеспечивали бы крутопадающие внешние характеристики каждого поста и возможность регулирования реостатом силы сварочного тока. Сварочным постом называют специально оборудованное рабочее место для сварки. Однопостовой источник обслуживает один пост, многопостовой — несколько постов.

Важной характеристикой источников сварочного тока является коэффициент полезного действия η1, который равен отношению полезной мощности источника Р к его полной потребляемой мощности Рп:

η1=Р/Рп

Полезная мощность источника постоянного тока определяется произведением номинального тока на номинальное напряжение

Р=IU

Потребляемая мощность Рп — мощность источника при номинальных I, U и Р с учетом потерь на трение и электрическое сопротивление источника, т.е. потерь в самом источнике.

6. Расчет параметров ручной электродуговой сварки стыкового соединения двух пластин из стали ВСт.5, σв=500МПа, толщина пластин 20мм, длина шва 900мм

1. Из табл. 3 прил. выбираем рисунок поперечного сечения сварного
шва, рисуем и ставим его параметры. Отсутствие параметров а1
б1, в1, е1 означает, что сварочный шов односторонний.

2.Определяем диаметр электрода dэ, мм, ориентировочно по формуле

dэ=S/2+1,

dэ=20/2+1=11мм

где S - толщина свариваемого изделия, мм

Так как для ручной дуговой сварки электроды диаметром больше 6мм не применяются. Тогда, раз по расчету получается диаметр электрода больше 6 мм – диаметр принимается 6 мм.

3. Определяем величину сварочного тока I_CB, А, по формуле

I_СВ =К ∙ dэ,

I_СВ =55 ∙ 6=330А

где К - плотность тока в амперах на 1 мм диаметра металлического стержня электрода, К = 40-60 А/мм - для электродов со стержнем из низкоуглеродистой стали и К=35-40 А/мм — для стержней из высокоуглеродистой стали. Стандартные диаметры электродов следующие: 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0 мм.

4. Подобраем источник питания электрической дуги,
ориентируясь, главным образом, на пределы регулирования сварочного
тока и требований, предъявляемых к металлу сварных швов (для сталей
низкоуглеродистых и углеродистых выбирают источник переменного
тока). Так как ВСт.5 углиродистая сталь, а предел прочности σ_в=500Мпа (по условию) выбираем сварочный трансформатор ТС-500 с номинальным сварочным током – 500 А и пределом регулирования сварочного тока – 165-650 А, КПД=85%.

5. Вычисляем массу наплавленного металла Вм, г, по формуле

В_М = F_ш*L_ш*γ

В_М =1,82 ∙90∙7,8=1263,6г

F_ш=32+6+144=182мм²=1,82см²

F_триуг=1/2l∙h=1/2∙16∙4=32мм²; F_{прямоуг}=г∙д=3∙2=6мм²; F_трап=((д+а)/2)∙h=((2+16)/2)∙16=144мм²

где F_ш - площадь поперечного сечения шва, см², (при определении площади поперечного сечения шва разбивают на простейшие геометрические фигуры);

L_ш - длина шва, см;

γ - удельный вес наплавленного металла, г/см³, (для стали γ = 7,8 г/см³).

6. Вычислить расход электродов В_э, г, по формуле

В_э=В_м∙(1 + К_n),

В_э=1263,6∙(1 + 0,60)=2021,76г

где расход электродов В_э, г, подсчитывается с учетом потерь от массы стержня электрода на огарки, угар, разбрызгивание и шлакообразование. В среднем коэффициент потерь К_n для качественных электродов равен 0,33-0,60, для стабилизирующих-0,17-0,31.

7. Определяем тип и марку электрода.

Стальные электроды изготавливают в соответствии с несколькими государственными стандартами. Электроды подразделяют по назначению для сварки углеродистых конструкционных сталей, легированных конструкционных сталей, легированных теплоустойчивых сталей, высоколегированных сталей с особыми свойствами, для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами. Электроды подразделяются на типы и марки. Каждому может соответствовать одна или несколько марок. Марка электрода характеризует определенный состав покрытия. Тип электрода для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей указывает на минимальный гарантируемый предел прочности металла шва, кгс/мм² (МПа). Тип и марку электрода следует выбирать по пределу прочности стали σ_в и роду тока, учитывая, что σ_{Вэлектр} ≥ σ_Встали

Подбираем тип электрода Э50, марку электрода К-5А.

8. Найдем основное Т_о, ч, и полное Т_п, ч, время сварки по формуле

T₀=(B_M/α∙I_CB)∙A∙m

T₀=(1263,6/10,0∙330)∙1,025∙1,0=0,3925ч;

где В_м — масса наплавленного металла, г;

α - коэффициент наплавки, г/(А∙ч) Колеблется от 6,5 до 10,0. Большое значение относится к качественным электродам;

I_CB - величина сварочного тока, А;

А — коэффициент, учитывающий длину шва (при длине 1000 мм и более А = 1, при длине менее 200 мм А - 1,2);

т - коэффициент, учитывающий положение шва в пространстве (для нижнего шва т =1,0; вертикального т = 1,6).

9. Рассчитать скорость сварки V_св, м/ч, по формуле

V_CB = L_ш/Т₀

V_CB = 90/0,3925 =229,3м/ч

где L_ш - длина шва, м;

Т₀ - основное время, ч.

10. Определить падение напряжения на дуге U_д, В, по формуле

U_д=U_ak+U_C=U_ak+E_C∙l_д

U_д=18+3=21В/мм

где (U_ak - падение напряжения на аноде и катоде (равно 15-20 В);

U_C - падение напряжения в столбе дуги (равна 2-3 В/мм);

l_д — длина дуги, мм (lд = 0,5(d_Э + 2)).

11. Найти расход электроэнергии на сварку W, кВт∙ч, по формуле

W=

W=((21+330+0,3925)/0,85∙1000)+0,3(+0,3925)=0,4134+

где ƞ- КПД источника питания дуги при нагрузках, близких к номинальным;

Р_х - мощность, потребляемая источником сварочного тока, при холостом ходе (для сварочного трансформатора Р_х = 0,2-0,4кВт. Расход электроэнергии составляет в среднем на 1 кг наплавленного металла на переменном токе 3,5-4,5 кВт∙ч, на постоянном токе 7-8 кВт∙ч.

Список используемой литературы

1. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; Под ред. А.М. Дальского. – 5-е изд., исправленное. – М.: Машиностроение, 2004. - 512с., ил.

2. Прейс Г.А. Технология конструкционных материалов: Учебник/ Г.А. Прейс, Н.А. Сологуб, И.А. Рожнецкий и др. – 2-е изд., перераб. и доп. – К.: Выща шк., 1991. – 391с.: ил.

3. Ржевская С.В. Материаловедение: Учеб. Для вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Логос, 2004. – 424с.

---

Дата добавления: 2015-07-25