Источники тока для дуговой сварки
Обновлено: 17.05.2024
Для начала немного общей информации о сварочной дуге. Дуга представляет собой мощный электрический разряд, который формируется между основным металлом и концом электрода. Сварочная дуга генерирует высокотемпературное тепло, которого достаточно для сварки большинства металлов.
Чтобы поджечь дугу, необходим внешний источник тока. В общих чертах основные источники питания для сварки — это трансформаторы, выпрямители, генераторы и инверторы. Проще говоря, сварочные аппараты типы трансформатор, выпрямитель или генератор. А также инверторный сварочный аппарат. Но в рамках этой статьи мы дадим больше информации, поскольку источники для питания сварочной дуги имеют множество особенностей.
Далее мы расскажем, какие существуют сварочные источники питания, каковы их характеристики и какие требования к ним предъявляются.
Основные требования
Источник питания для сварочных работ любого вида и класса должен удовлетворять следующим ключевым характеристикам:
- обеспечивать легкость зажигание дуги;
- поддерживать стабильное горение;
- контролировать верхний порог тока короткого замыкания;
- обладать хорошей динамикой;
- соответствовать требованиям по электробезопасности.
Под динамикой в данном случае понимается скорость восстановления напряжения от момента контакта электрода с массой (возникновения короткого замыкания) до вспыхивания дуги, то есть образования электрического пробоя воздуха.
Дуга вспыхивает при напряжении около 20 В. Время от момента короткого замыкания до вспышки дуги у хорошего источника питания должно составлять не более 0,05 секунды. Чем оно меньше, тем динамика выше.
Эти требования предъявляются ко всем без исключения устройствам. Им должен соответствовать даже самодельный сварочный аппарат, собранный для ручной дуговой сварки из блока питания компьютера.
Кстати, из последнего собрать устройство для домашнего применения не так уж сложно. Импульсный блок питания как раз и предназначен для понижения сетевого напряжения. Но варить можно будет только тонкий металл.
Выбор источника питания для дуговой сварки
Разумеется, помимо силовых характеристик сварочное оборудование выбирают по мобильности, габариту, весу. Говоря о достоинствах и недостатках источников питания, стоит начать с самого первого вида сварочников.
Трансформатор
Оборудование с вторичной обмоткой преобразует напряжение, за счет индуктивных полей с 80 вольт можно опустить напряжение до 20-ти. Это самый простой и громоздкий тип сварочного аппарата. Зато очень надежный, мало зависит от условий внешней среды, не боится влажности, запыленности. Трансформатор можно соорудить самостоятельно, нужный вольтаж получают за счет определенного числа витков вторичной обмотки. Коэффициент полезного действия оборудования довольно высокий, стоимость небольшая. Когда объем работы небольшой, сварщики с опытом работы предпочитают для гаража, дома приобретать трансформаторы.
Выпрямитель
Уже из названия ясно, что речь пойдет об источнике постоянного тока. Для преобразования используются полупроводники, они пропускают электричество только в верхнем диапазоне синусоиды. Благодаря использованию полупроводников, наличию электросхемы, возможности у выпрямителей шире, чем у трансформаторов. При смене полярности можно регулировать температуру на контактах: при прямой полярности сильнее греется электрод, при обратной – металл. КПД у выпрямителей выше, чем у трансформаторов, малые потери на холостом ходу.
Большой минус – сварочные аппараты очень греются, им периодически требуется передышка, чтобы прийти в норму или дополнительная система охлаждения.
Генератор
Электричество вырабатывается вращением вала в постоянном магнитном поле. Работают устройства на бензине, дизтопливе, есть стационарные установки на угле, брикетированном топливе. Главные достоинства:
- электричество со стабильными характеристиками;
- большой ампераж, до 1000 А.
Минусы – изрядные габариты, низкий КПД, плюс выхлопные газы, шум, вибрация.
Инвертор
Инверторный тип источников – самый технологичный. Небольшие размеры, высокая мощность, дополнительные функции: быстрый розжиг, стабильная дуга и другие. Бытовые устройства работают от сети 220 В, мощные установки подключают к трехфазным 380 В. Инверсия улучшает частотные характеристики до 50 кГц. Недостатки тоже есть: оборудование боится высокой влажности, низких температур, запыленности. Корпус профессиональных источников дополнительно оснащают защитой.
Классификация источников питания сварочной дуги
По типу сварочного тока
Итак, мы уже разобрали, что источником питания может быть трансформатор, выпрямитель и генератор. Но в более широком смысле все эти источники можно поделить еще на несколько подгрупп. Одна из них — тип тока, который генерирует источник.
Источник может генерировать постоянный или переменный ток. Классический трансформатор и генератор повышенной частоты зачастую генерирует переменный ток. Сварочный выпрямитель генерирует постоянный ток.
Чем отличается источник питания на постоянном токе и на переменном?
Сварочный аппарат переменного тока и постоянного в чем разница? Давайте разбираться.
Аппарат на переменном токе очень прост: он собирается из понижающего трансформатора и специального механизма, который регулирует силу сварочного тока. При применении сварочной дуги переменного тока сварка ведется на переменном токе соответственно.
Аппарат на постоянном токе более технологичен. Его основные компоненты — это понижающий трансформатор, устройство, выпрямляющее ток (выпрямитель), которое преобразовывает поступающий переменный ток в постоянный, и устройство, регулирующее силу тока. Соответственно, здесь сварка ведется на постоянном токе.
Это основные конструктивные различия. Есть еще различия эксплуатационные. Сварка постоянным током предпочтительнее, поскольку у этого источника тока больше преимуществ. Аппараты на постоянном токе намного компактнее и проще в применении, они технологичнее, и в целом считаются более современными. Сварка переменным током сложнее и характеризуется нестабильностью горения дуги.
Также упомянем инверторные источники питания, которые на данный момент считаются самыми технологичными и распространенными. Это сложные аппараты, которые многократно преобразовывают ток, сглаживая его с помощью специальных фильтров, и впоследствии выпрямляют. В результате сварщик получает постоянный ток, а значит крайне стабильную дугу, которая легко поджигается. Также инверторные аппараты снабжаются электронным блоком управления, который прост в применении.
Инверторный источник сварочного тока — самый распространенный тип на данный момент. Такие аппараты самые компактные и легкие (в продаже есть модели весом не более 3-5 кг), при этом они оснащаются дополнительным функционалом, упрощающим сварку.
По количество постов и способу установки
Здесь все намного проще. Вне зависимости от типа источника питания, будь он переменный или постоянный, трансформатор или инвертор, в любом из них может быть либо один разъем для сварки, либо 3 и более.
Аппараты с одним разъемом называются однопостовыми и предназначены для генерирования одной сварочной дуги. Т.е., для применения одним сварщиком. Аппараты с большим количеством разъемов называются многопостовыми, и сразу несколько сварщиков могут производить сварку от одного аппарата.
Источники питания по способу установки могут быть мобильными (переносными) или стационарными.
Принципы классификация
Источники питания сварочной дуги классифицируются по многим градациям. В их числе:
- по предназначению — для ручной сварки, сварки под флюсом или в среде защитного газа (например, аргонодуговой);
- по числу сварочных постов, которые можно подключить единовременно;
- по способности передвигаться — мобильные и стационарные;
- по способу производства энергии — преобразователи или производители;
- по роду выходного тока;
- по ВАХ (вольт-амперная характеритика).
Основными параметрами сварочного аппарата для сварщика являются назначение данного конкретного агрегата и сварочный ток, который он выдает. Во многих случаях ключевым требованиям является подбор нужной вольт-амперной характеристики (ВАХ).
Так, например, для сварки в среде защитных газов требуются устройства с жесткой характеристикой, варящие постоянным током. Для ручной и полуавтоматической сварки под флюсом применяются аппараты переменного и постоянного тока с падающей характеристикой.
Некоторые современные источники питания сварочной дуги универсальны: имеют много режимов работы, в том числе позволяют менять род сварочного тока и изменять его ВАХ.
Четыре вида преобразователей
Основное различие между источниками питания сварочной дуги, определяющее их технические характеристики, массу, габариты и сферу применения — это различия по принципу преобразования электротока.
Существуют следующие виды источников:
- трансформаторы;
- выпрямители;
- преобразователи;
- инверторы.
Особняком стоят генераторы, так называемые агрегаты. Эти машины — не вторичные, а первичные источники энергии, они не преобразуют тем или иным способом питание от городской или промышленной сети, а вырабатывают его сами.
Как правило, агрегаты строятся на базе двигателя внутреннего сгорания — бензинового или дизельного. Первые — дешевле, вторые имеют большую мощность и моторесурс.
Внешние характеристики источников питания сварочной дуги
Внешняя характеристика может быть крутопадающей, пологопадающей, жесткой и полого-возрастающей. Чтобы сварочная дуга горела стабильно, ее внешние характеристики должны совпадать с вольт-амперными характеристиками.
Тип внешней характеристики зависит от типа сварочной технологии. Например, для сварки в защитных газах характеристика должна быть либо полого-возрастающей, либо жесткой. А для РДС сварки или автоматической сварки под слоем флюса характеристика должна быть падающей. Только при соблюдении этих условий дуга будет гореть стабильно.
Требования к источникам питания сварочной дуги
Любой источник питания при дуговой сварке выбирается, исходя из эксплуатационных свойств:
- Электрод должен разжигаться при соприкосновении с металлической заготовкой, контакты замыкают электрическую цепь.
- Когда присадка плавится, по капле возможно короткое замыкание. Сварочный аппарат в такой ситуации не должен выходить из строя, сварочная дуга должна поддерживаться стабильно.
- До вспышки дуги между деталью и электродом возникает краткосрочное короткое замыкание длиной в доли секунды. От скорости восстановления первоначального напряжения зависит динамическая характеристика источника питания.
- От режима холостого хода сварочное оборудование должно быстро переходить в рабочий ход, то есть напряжение с 60–80 вольт должно упасть до требуемых 18–20 В.
Требования ко всем источникам, применяемым для питания сварочной дуги, одинаковые. Напрашивается вывод, что эффективность работы сварочного оборудования зависит от способности поддерживать стабильное горение дуги, начиная с момента розжига. Последний момент – регуляторы, сварочные аппараты предназначены для большого диапазона рабочего тока, устанавливать нужные параметры тока должно быть удобно.
Основные требования
На сегодняшний день все источники питания должны соответствовать следующим основным требованиям:
- иметь в наличии плавную регулировку режимов сварки во всём диапазоне;
- иметь в наличии приборы для контроля режимов сварки;
- обеспечивать стабильное горение дуги;
- иметь высокие динамические характеристики;
- соответствовать основным требованиям по электробезопасности.
Наличие плавной регулировки и приборов контроля, обеспечивает точную настройку необходимых режимов сварки.
Динамические свойства сварочного аппарата определяются временем восстановления напряжения холостого хода после короткого замыкания в процессе сварки. Чем быстрее восстанавливается напряжение, тем лучше его динамические характеристики. Восстановление не должно превышать 0,05с.
Для повышения стабильности горения дуги дополнительно могут применяться осцилляторы. Они преобразующие низкое напряжение промышленной частоты в импульсы высокого напряжения и высокой частоты. Наложение этих импульсов на дуговой промежуток повышает устойчивость горения дуги.
Классификация
Общепринята градация блоков питания по нескольким признакам, обусловленным электромеханическими свойствами источников электротока. Начинающим сварщикам достаточно знать основные критерии классификации:
Для питания сварочной дуги возможно два способа получения рабочего тока:
- преобразованием энергии из силовой электросети (выделяют однофазные и трехфазные сварочники);
- генерацией электричества рабочих параметров из другого вида энергии.
Группировка по виду вырабатываемого тока:
- переменного;
- комбинированные, которые можно переключать с постоянного на переменный и наоборот;
- постоянного.
Способ преобразования электричества: изменением вольтажа и ампеража, выпрямлением – переменный ток преобразуется в постоянный.
Мобильность источников, питание дуги бывает стационарным (подключение к магистральным электросетям) и автономным (использование переносных генераторов или аккумуляторов).
Способ регулировки рабочих параметров дуги (напряжения, ампеража). В трансформаторах меняется число задействованных витков: положением шунта, подвижностью катушки, секционированием вторичной обмотки.
Градация источников питания по внешним характеристикам тока сварочной дуги – это оценка зависимости среднего напряжения на контактах (держателе электрода и клемме, закрепляемой на металле) от ампеража. Параметры вольт-амперной характеристики оборудования бывают двух видов:
- Падающая ВАХ характеризуется высоким напряжением холостого хода, превышающим рабочее до 2,5 раз.
- Жесткая отличается стабильностью напряжения на клеммах в процессе сварки. Ампераж короткого замыкания превышает номинальный сварочный в 2 или 3 раза.
Вольт-амперная характеристика источника определяется экспериментально. Когда подключают питание, измеряют напряжение на клеммах.
Что влияет на выбор сварочного тока
При выполнении сварочных работ, качество получаемого соединения зависит в первую очередь от того, насколько правильно выбран режим сварки. Основным регулируемым параметром процесса или главной режимной характеристикой является электрический ток, который называют сварочным током.
Сила тока при сварке зависит главным образом от параметров заготовки, которую предстоит варить и от некоторых других факторов.
Основные понятия
Сварочный ток, кроме своего абсолютного значения, выражаемого в амперах, характеризуется постоянством или периодическим изменением во времени величины и направления.
В первом случае ток называется постоянным. Его источниками являются сварочные выпрямители, автономные сварочные генераторы, а также современные аппараты для сварки, использующие инверторные технологии.
Если направление и (или) величина тока меняются во времени, то его называют переменным. Источниками переменного сварочного тока служат понижающие трансформаторы, первичная обмотка которых включается в сеть переменного тока 220 или 380 вольт.
На выбор параметров сварки, то есть ее режима, влияют следующие факторы, тесно между собой связанные:
- толщина свариваемой заготовки;
- вид металла или сплава, который предстоит варить;
- диаметр применяемого электрода;
- расположение и характер шва.
Выбираемый токовый режим работы сварочного аппарата определяет величину энергии электрической дуги. Чем больше значение этого параметра, тем больше тепла выделяется при горении дуги, а значит, более интенсивно и глубоко плавится заготовка и применяемый электрод.
Отсюда становится понятным, что чем толще и массивней свариваемый металл, тем большее значение тока должно быть установлено при его сварке. Кроме этого, существует прямая зависимость между толщиной заготовки, токовым режимом и диаметром электрода при ручной дуговой сварке.
Зависимость от толщины электрода
Нормативная литература по сварочному делу содержит много таблиц, позволяющих выбрать требуемый диаметр электрода и значение сварочного тока для сваривания заготовок определённой толщины.
При увеличении тока сварки, увеличивается скорость плавления, как заготовки, так и материала электрода, это определяет прямую зависимость между сварочным током и диаметром электрода.
Например, если электродом, имеющим диаметр 2мм, рекомендуется сваривать металл толщиной 2 – 3 мм, выбирая при этом сварочный ток в диапазоне 40 – 80 ампер, то для электродов диаметром 5 – 6 мм указывается токовая величина 220 – 320 ампер при сварке металла 10 – 24 мм.
Стоит упомянуть ещё об одной характеристике сварочного процесса, связанной с диаметром используемого электрода. Речь идет о плотности тока сварки, определяемой отношением сварочного тока к площади поперечного сечения электрической дуги и измеряемой в амперах на миллиметр квадратный (А/мм2).
Этот параметр играет важную роль в формировании сварного шва. С увеличением диаметра электрода, плотность падает при неизменных токовых настройках аппарата.
Это обусловлено тем, что электрод с диаметром большего размера создает более толстую дугу, имеющую большее значение площади. Показатель плотности зависит также от длины электрической дуги.
При увеличении разрядного промежутка между электродом и заготовкой, дуга вытягивается, становясь тоньше, уменьшая площадь поперечного сечения разряда. При этом уменьшается температура, создаваемая дугой, замедляется процесс переноса вещества электрическим разрядом.
При дальнейшем увеличении зазора, процесс начинает терять стабильность, поверхность сварочной ванны становится неровной, и в итоге дуговой разряд гаснет. Таким образом, в относительно небольших пределах, энергию сварочного процесса можно регулировать путем изменения длины дуги.
Что касается сварки полуавтоматом, роль электрода здесь играет специальная проволока для сварки, диаметр которой также выбирается по таблицам, в зависимости от характеристик свариваемого металла и его толщины.
Практическое определение
Опытному сварщику не составит труда правильно выбрать режим сварки, если известны размеры заготовок и характеристики металла, из которого они изготовлены. При необходимости можно обратиться к одной из технологических таблиц.
Необходимо обращать внимание на рекомендации, прилагаемые к самим электродам и сварочному аппарату в инструкции. Существуют также эмпирические формулы, по которым можно произвести расчёт сварочного тока.
Для электродов, имеющих диаметр менее 4 мм или более 6 мм, иногда применяют следующую формулу:
В этой формуле I – сварочный ток, выраженный в Амперах, d – диаметр электрода в миллиметрах.
Для выбора сварочного тока при использовании электродов, имеющих диаметр менее 3 мм, и работе в самом простом нижнем положении, можно применить соотношение:
при диаметре 3-4 мм формула меняется на:
Расчетное значение на практике корректируют. Обычно происходит изменение в меньшую сторону на 10-15%.
Расположение и характер шва
Оптимальная величина тока сварки зависит от пространственной ориентации свариваемого соединения и положения, из которого производится сварка, а также от того, скошены ли кромки свариваемых деталей и под каким углом. Понятнее станет, если рассмотреть примеры.
При сваривании горизонтального шва в положении сверху, значение тока можно установить более высокое, чем при сварке вертикальных или горизонтальных потолочных швов в положении снизу.
Это объясняется тем, что сварочная ванна горизонтального, свариваемого сверху шва более устойчива и не склонна к растеканию. Повышенное значение тока в этом случае обеспечивает более глубокий провар заготовок, следовательно, более прочное сплавление по всей толщине детали.
Наименьший ток должен быть выбран при сварке потолочных швов снизу. В этом случае жидкий металл под воздействием силы тяжести стремится оторваться от шва и упасть, чему до определённого момента препятствуют лишь силы поверхностного натяжения расплавленного металла.
Это обстоятельство предъявляет более высокие требования к квалификации сварщика, которому в процессе выполнения работы необходимо тщательно следить за жидкой массой сварочной ванны, предотвращая вытекание из неё металла.
Следует заметить, что опытный сварщик может регулировать этот процесс, не уменьшая значение тока, а увеличивая скорость перемещения электрода вдоль шва, что кстати, уменьшает затраты времени на выполнение работы.
Подготовленные к сварке торцевые поверхности деталей путём их скашивания, требуют несколько уменьшить величину тока сварки, так как неподготовленные кромки необходимо проваривать гораздо глубже, чем предварительно снятые. Однако и в этом случае, при наличии опыта, выбор требуемого режима может быть осуществлен изменением скорости сварочного процесса.
Некоторые нюансы при выборе сварочного тока вносит тип покрытия применяемых электродов, но влияние этого фактора существенно ниже перечисленных ранее.
Какое влияние имеет полярность
При сварке инвертором, или классическим аппаратом постоянного тока, выбор режима сварки связан с полярностью. Прямой полярностью принято называть схему, при которой сварочный электрод подключен к минусовой клемме аппарата, свариваемая деталь соединяется при этом с плюсом.
Особенностью сварочного процесса при прямой полярности является то, что плавление материала электрода происходит более интенсивно, чем плавление заготовки. Объясняется это следующим образом.
Несмотря на то, что условное направление протекания электрического тока принято от плюса к минусу, реальный физический процесс представляет собой движение отрицательно заряженных частиц – электронов, от минуса к плюсу.
Благодаря этому, при такой полярности происходит быстрый расход материала электрода. Использование прямой полярности целесообразно в случае относительно тонких заготовок, либо если к массивному элементу приваривается тонкая деталь.
При подключении электрода к плюсу, а заготовки соответственно, к минусу, получаем полярность, которую называют обратной. При таком включении интенсивней плавится заготовка, что определяет преимущество его применения при сваривании более толстых деталей.
Поскольку каждая металлическая заготовка и сварочный аппарат имеет свои особенности, выбор оптимального значение тока зависит от опытности сварщика. Тем же, кто только учится варить, необходимо ориентироваться на расчетные и табличные значения.
Источники питания
Основная особенность источников питания при ручной сварке W-электродом в защитных газах - наличие крутопадающей внешней статической характеристики. Она обеспечивает стабильность сварочного тока при изменениях длины дуги и устойчивость процесса сварки. Используют источники питания с высоким напряжением холостого хода, в 4-6 раз превышающим напряжение на дуге.
В качестве источников переменного тока могут применяться трансформаторы для ручной дуговой сварки.
1 - Внешняя вольтамперная характеристика источника питания; 2 - Вольтамперная характеристика дуги.
Технические характеристики сварочных трансформаторов
Марка
Габариты, мм
Масса, кг
Напряжение питающей сети 220 В
Напряжение питающей сети 380 В
Глубина проплавления весьма чувствительна к колебаниям тока при изменениях напряжения питающей сети. Степень стабилизации тока должна быть не менее 5 %. Источники питания должны обладать широким диапазоном регулирования сварочного тока, так как при заварке кратера необходимо плавное снижение тока в 2,5-3 раза. Поэтому источники со ступенчатым или механическим регулированием тока малоэффективны. Все источники для этого вида сварки содержат специальное устройство для заварки кратера. В специальных установках (типа УПС), кроме того, обеспечивается плавное нарастание сварочного тока в начале сварки, что исключает разрушение и перенос в шов частиц электрода из-за бросков тока при зажигании дуги касанием об изделие.
В качестве источников постоянного тока можно использовать универсальные сварочные выпрямители ВДУ. Они работают с принудительным воздушным охлаждением, имеют крутопадающие внешние статистические характеристики, обеспечивают плавное дистанционное регулирование режима сварки, стабилизацию сварочного тока при колебаниях напряжения в питающей сети. Источники сварочного тока современных установок поддерживают режимы сварки импульсной дугой. Время импульса и паузы изменяется от 0,01 до 1-3 с, а глубина модуля - в 10-12 раз
Технические характеристики сварочных выпрямителей
Сварочный ток, А
Напряжение, В
КПД
Габариты,
мм
Масса,
кг
номинальный ПН=60%
пределы регулирования
номинальное
холостого хода
Источники серии ВСВУ служат для ручной и автоматической сварки. Они обеспечивают работу в непрерывном и импульсном режимах; автоматическое, плавное и регулируемое нарастание тока в начале процесса сварки - от минимального значения до заданного; плавное регулирование тока дежурной дуги в импульсном режиме от 2 до 3% номинального сварочного тока; модулирование формы импульса от прямоугольной до треугольной; плавное снижение тока при заварке кратера; стабилизацию режима сварки в пределах 2,5% при изменениях напряжения сети до 10%. Напряжение холостого хода имеет два значения: 100 В для сварки в аргоне и 200 В в гелии. Для бесконтактного возбуждения дуги в приборах ВСВУ установлен осциллятор последовательного включения.
Специализированный источник ТИР-300Д предназначен для сварки в среде аргона постоянным или переменным током прямоугольной формы. Аппарат пригоден для сварки любых металлов. Регулирование сварочного тока - ступенчато-плавное. Сварочная дуга обладает высокой стабильностью горения как в установившемся, так и в переходных режимах. При возбуждении дуги касанием об изделие или при помощи осциллятора ток дуги плавно увеличивается с 5 А до указанной величины за 0,4 с. При гашении дуги ток снижается по линейному закону, обеспечивая заварку кратера
Эффективны ИНВЕРТОРНЫН ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ДУГИ отечественного производства.
Источник ДС 200 А.3 предназначен для сварки в непрерывном и импульсном режимах сталей, цветных металлов и их сплавов. Он обеспечивает режим контактного и бесконтактною зажигания дуги на малом токе; регулируемое время нарастания и спада тока после окончания сварки, а также регулировку тока зажигания. Предусмотрен продув газа перед началом сварки и обдув сварочной ванны после окончания. Плавные нарастания и спад сварочного тока позволяют получить качественный шов. Пульсирующий режим предназначен для управления процессами тепловложения и кристаллизации сварочной ванны.
ЦИКЛОГРАММА ПРОЦЕССА ИМПУЛЬСНО-ДУГОВОЙ СВАРКИ
Источник ДС 200 АУ.3 служит для сварки не только сталей и цветных металлов, но и алюминия и его сплавов. Для этого предусмотрен режим работы на переменном токе с регулировкой амплитуды, частоты и доли сварочного тока положительного и отрицательного импульсов. Это позволяет повысить очищающую способность сварочной дуги, необходимую для разрушения о киской пленки. Источник также обеспечивает режим контактного и бесконтактного зажигания дуги, плавное нарастание и уменьшение тока в начале и при окончании сварки, продувку газом перед началом сварки и обдув сварочной ванны после сварки.
Влияние соотношений длительности импульсов тока на качество шва
При преобладании положительного импульса достигается лучшая очистка алюминиевых деталей от окисной пленки
При преобладании отрицательного импульса достигается максимальная глубина проплавления
Источники питания для дуговой сварки
Краткая историческая справка о развитии источников питания для дуговой сварки.
| Тип сварочного источника питания | С какого года используется (ориентировочно) |
 |
Сварочный преобразователь
(электродвигатель + генератор)
Сварочный тиристорный выпрямитель
Источники питания для дуговой сварки обеспечивают процесс сварки электрической энергией. В тоже время, они оказывают существенное влияние на характер протекания процесса сварки (в первую очередь, на качество и производительность). Поэтому более глубокое понимание свойств источников питания и принципов их работы является обязательным для тех, кто собирается работать в области сварки (хотя, конечно, нижеприведенная краткая классификация источников питания и несколько упрощенное рассмотрение их свойств не предполагают предоставления полной информации по этому вопросу).
Краткая классификация источников питания для дуговой сварки
Как это показано на схеме ниже, источники питания для дуговой сварки могут быть классифицированы по различным признакам.
По первому признаку источники питания классифицируются в соответствии со способом производства энергии: преобразуется ли она из силовой сети питания (что имеет место в трансформаторах, выпрямителях и электронных источниках питания) или вырабатывается самими источниками питания (как это имеет место в случае использования генераторов).
По второму признаку источники питания классифицируются в соответствии со способом преобразования электрической энергии:
- путем использования трансформаторов, которые преобразуют относительно высокое напряжение силовой сети в более низкое напряжение для сварки переменным током;
- путем использования сварочных выпрямителей, состоящих из трансформатора (для понижения напряжения силовой сети) и блока выпрямления для преобразования переменного тока в постоянный;
- путем использования электронных источников питания (например, сварочных инверторов);
- путем использования сварочных преобразователей, состоящих из сварочного генератора, вращение ротора которого обеспечивается электрическим двигателем;
- путем использования сварочных агрегатов, состоящих из сварочного генератора, вращение ротора которого обеспечивается двигателем внутреннего сгорания (строго говоря, в агрегате происходит преобразование не электрической энергии, а механической в электрическую).
Третьим классификационным признаком является способ получения энергии: источники питания могут быть зависимыми (все кроме агрегатов, т.к. получают энергию от стационарной электрической сети) и автономными (агрегаты, т.к. их генератор подсоединен к двигателю внутреннего сгорания).
По четвертому признаку источники питания классифицируются в соответствии со способом регулирования параметров сварки. В трансформаторах, выпрямителях это может быть выполнено с помощью подвижных катушек, подвижных магнитных шунтов, секционированием витков вторичной обмотки и другими способами.
Пятым классификационным признаком является род тока сварки, который обеспечивают источники питания: переменный (AC), постоянный (DC) или оба, как AC, так и DC (комбинированные источники питания).
По шестому классификационному признаку источники питания классифицируются в соответствии с формой внешней (статической) вольт-амперной характеристики (ВВАХ). Внешней вольтамперной характеристикой источника питания является зависимость среднего значения напряжения на клеммах источника от силы тока в сварочной цепи. Она может быть либо падающей (CC - constant current), либо жесткой (CV - constant voltage). И в том и другом случаях эти определения не совсем точны и являются условными, принятыми в сварочной практике. Более подробно о вольт-амперной характеристике см. Вольт-амперная характеристика дуги
Uхх – напряжение холостого хода
Источники питания с падающей ВВАХ характеризуется следующими основными свойствами:
- имеют высокое напряжение холостого хода (≈ 2 … 2,5 раза выше рабочего напряжения дуги);
- напряжение на клеммах источника питания падает существенно при повышении тока сварки;
- имеют ограниченный ток короткого замыкания (не выше, чем 1.1 … 1.3 от номинального тока сварки).
Для источников питания с жесткой ВВАХ характерны следующими основными свойствами:
- напряжение холостого хода лишь незначительно превышает рабочее напряжения дуги;
- напряжение на клеммах источника питания падает незначительно при повышении тока сварки;
- ток короткого замыкания может достигать очень высоких значений (в 2 … 3 раза превышающих номинальный ток сварки).
Форма внешней вольтамперной характеристики источника питания определяется экспериментально путем измерения напряжения на внешних зажимах источника питания (Uн) и тока в цепи (I) при плавном или ступенчатом изменении сопротивления нагрузки (Rн) и при неизменных значениях напряжения холостого хода, активной и индуктивной составляющих внутреннего сопротивления источника питания. По мере снижения сопротивления нагрузки повышается ток в цепи, увеличивается падение напряжения внутри источника питания и, соответственно, снижается напряжение на внешних зажимах источника питания (Uн). Темп снижения напряжения Uн (другими словами, наклон внешней вольтамперной характеристики) определяется значением внутреннего сопротивления источника питания. Чем выше внутреннее сопротивление источника питания, тем более крутой становится внешняя вольтамперная характеристика источника питания.
Статическую ВВАХ не следует путать с динамической характеристикой источника питания, которая характеризует скорость изменения мгновенных значений силы тока в сварочной цепи.
Ниже в таблице представлены данные для выбора рода тока и формы ВВАХ источника питания в зависимости от способа дуговой сварки.
| Способ сварки | Постоянный ток | Переменный ток | |
| Падающая | Жесткая | Падающая | |
| Ручная дуговая сварка покрытым электродом (MMA) | да | нет | да |
| Дуговая сварка вольфрамовым электродом в инертном газе (ТИГ) | да | нет | да |
| Механизированная дуговая сварка плавящимся электродом в защитном газе (МИГ/МАГ) | нет | да | нет |
Сварочные источники питания также рассчитываются на разный режим работы, который оценивается относительной продолжительностью работы (ПР; иногда обозначается ПН – Период Нагрузки):
ПР = (время работы (сварки) / время всего цикла (сварки и паузы) = 10 мин) * 100%
Длительность всего цикла работы (сварки и паузы) для источников принята равной 10 минутам. Например, если ПР = 20%, то это означает, что после 2-х минут сварки на номинальном токе необходимо, чтобы источник остывал не менее чем 8 минут. В противном случае он может перегреться и выйти из строя.
Конструктивные особенности сварочных трансформаторов
Регулирование тока сварочного трансформатора осуществляется различными способами. В настоящее время наиболее используемыми из них являются:
При введении магнитного шунта в магнитопровод трансформатора, часть магнитного потока создаваемого первичной обмоткой отводится магнитным шунтом и поэтому эта часть магнитного потока минует вторичную обмотку. При этом эффективность передачи энергии от первичной обмотки на вторичную снижается и, в результате, ток сварки уменьшается. При втором способе, когда обмотки разводятся, ухудшается их магнитная связь и снижается эффективность передачи энергии от первичной обмотки на вторичную. В результате чего ток сварки снижается. Оба эти способа обеспечивают плавное регулирование тока сварки. Причем, благодаря постоянству количества витков обмоток, напряжение холостого хода трансформатора остается неизменным. Сварочные трансформаторы этого типа обеспечивают ВВАХ падающего типа, и, таким образом, подходят для ручной дуговой сварки покрытыми электродами.
Конструктивные особенности сварочных выпрямителей
Выпрямителем называется электротехническое устройство, преобразующее переменный ток промышленной частоты в постоянный ток. Ниже представлены наиболее распространенные типы сварочных выпрямителей.
Однофазный сварочный выпрямитель с регулировкой тока сварки с помощью магнитного шунта трансформатора
Выпрямители этого типа обычно небольших размеров, недорогие и предназначаются для дуговой сварки покрытыми электродами.
Трехфазный сварочный выпрямитель с регулировкой тока сварки с помощью подвижных обмоток трансформатора
Обычно промышленные сварочные выпрямители выполняются по трехфазной схеме. Главными достоинствами такой схемы являются:
- равномерное распределение нагрузки по трем фазам силовой сети;
- более высокое качество выпрямления (кривая выпрямленного напряжения имеет меньшие пульсации и по форме близка к прямой).
Ниже представлена упрощенная схема и форма ВВАХ трехфазного сварочного выпрямителя с подвижными обмотками (первичными) для регулирования силы тока. Такой источник питания обеспечивает падающую ВВАХ, подходящую для сварки покрытыми электродами.
Трехфазный сварочный выпрямитель с регулировкой напряжения холостого хода секционированием витков обмоток трансформатора
Секционированием витков первичной обмотки трансформатора можно изменять его коэффициент трансформации и, соответственно, выходные параметры. Это простой, надежный и дешевый способ регулирования, но изменять параметры с его помощью можно только ступенчато. Причем, если не предусмотрено двухдиапазонного регулирования или если число ступеней регулирования мало, настройка напряжения будет довольно грубой. При этом способе регулирования также невозможно использовать дистанционное управление. Однако он часто используется в дешевых источниках питания для сварки МИГ/МАГ.
Тиристорный сварочный выпрямитель
Упрощенная схема универсального тиристорного сварочного выпрямителя приведена ниже.
Тиристор представляют собой управляемый диод. Внешне тиристор выглядит также как и диод, но имеет дополнительный управляющий электрод, по которому он получает сигналы управления, и которые его отпирают (открывают) в заданный момент полупериода напряжения. Этот момент называется углом отпирания тиристора. Запирается тиристор автоматически (самостоятельно) при окончании полупериода напряжения, т.е. когда напряжение на нем снизится до нуля. Регулирование напряжения и тока на выходе источника питания осуществляется изменением угла отпирания тиристора. Чем меньше угол отпирания тиристора, т.е. чем большую часть полупериода напряжения он оказывается открытым, тем выше сила тока на выходе выпрямителя. При использовании больших углов отпирания тиристора значение выходных параметров снижается при одновременном повышении их пульсаций. Для снижения пульсации напряжения и тока на выходе тиристорных источников питания устанавливают большие катушки индуктивности. Индуктивность является эффективным средством по сглаживанию электрических сигналов, но, в то же время, она ухудшает динамические свойства источника питания.
Тиристорные выпрямители являются, как правило, универсальными, т.е. такими которые обеспечивают как падающие, так и пологопадающие внешние вольтамперные характеристики и таким образом, могут быть использованы как для ручной дуговой сварки покрытыми электродами, так и для полуавтоматической и автоматической сварки в защитных газах и под флюсом.
Основные свойства сварочных инверторов
В последнее время (начиная примерно с начала 80-х годов двадцатого века) все большее распространение получают сварочные инверторные источники питания. Основным блоком такого выпрямителя является инвертор – устройство, преобразующее постоянное напряжение в высокочастотное переменное.
Сварочный инвертор работает следующим образом. Сетевой выпрямительный блок преобразует переменное напряжение сети в постоянное. Затем это выпрямленное напряжение преобразуется с помощью инвертора в однофазное переменное высокой частоты (до 50 кГц и выше). Далее напряжение понижается трансформатором, вновь выпрямляется, сглаживается и подается на дугу. Благодаря тому, что на выходе инвертора напряжение имеет высокую частоту, размеры и вес трансформатора может быть резко снижен, так как эффективность трансформации повышается с частотой переменного тока. При этом также снижается длина провода первичной и вторичной обмоток. На рисунке ниже это показано на примере трансформатора мощностью 20 кВт: в одном случае трансформатор рассчитан на работу при частоте 50 Гц, а в другом - 50 кГц
Благодаря малому весу и размерам понижающего трансформатора инверторные источники питания также оказываются небольшими по габаритам и легкими, что, собственно говоря, и являются основным достоинством этих источников. Их рекомендуют использовать в тех случаях, где имеют значение малые масса и габариты – при сварке на монтаже, в быту, на ремонтных работах.
Другим достоинством является их универсальность, так как их внешние вольт-амперные характеристики могут быть любой формы, поскольку формируются искусственно с помощью системы управления с использованием обратных связей по току и напряжению (т.е. в реальном масштабе времени).
Благодаря своим высоким динамическим свойствам (т.е. высокому быстродействию) и возможности управления параметрами сварки в реальном масштабе времени эти источники питания обладают лучшими сварочными свойствами по сравнению с другими типами источников питания, а также часто наделяются дополнительными функциями, которые способствуют улучшению процесса сварки, такими как дистанционное управление, мягкий старт и др.
Табличка с техническими данными для сварочных аппаратов
В соответствии со стандартом ДСТУ IEC 60974-1 "Оборудование для дуговой сварки" Часть 1 "Источники питания для сварки" (“Arc welding equipment” Part 1: “Welding power sources”) вводятся следующие условные обозначения типов сварочных источников питания.
| Однофазный трансформатор | |
| Однофазный или трехфазный выпрямитель | |
| Однофазный или трехфазный инверторный выпрямитель |
В соответствии с этим стандартом также вводятся следующие условные обозначения основных способов сварки и рода тока сварки.
| Ручная дуговая сварка покрытыми электродами | |
| Ручная дуговая сварка неплавящимся электродом в инертном газе | |
| Дуговая сварка в среде инертного и активного газа плавящимся электродом, включая порошковую проволоку (МИГ/МАГ) | |
| Дуговая сварка самозащитной порошковой проволокой | |
| Дуговая сварка под флюсом | |
| Плазменная резка | |
| Плазменная строжка | |
| Постоянный ток | |
| Переменный ток |
В соответствии со стандартом ДСТУ IEC 60974-1 на табличке с техническими данными должны указываться: номинальный ток сварки напряжение дуги, ПР (ПН), а также напряжение холостого хода, требования к сети питания, форма ВВАХ, класс изоляции и другие технические сведения об источнике питания.
Читайте также: