Особенности сварочной дуги переменного тока

Обновлено: 17.05.2024

Сварочная дуга – мощный, стабильный, светящийся электрический разряд в ионизированной атмосфере газов, паров металла и веществ, входящих в состав электродных покрытий. Сварочная дуга загорается и поддерживается энергией, получаемой от источника питания постоянного или переменного тока. Приоритет в практическом использовании сварочной дуги принадлежит российским инженерам (приложение).

Для протекания электрического тока через газ необходимы заряженные частицы: электроны и ионы. Образование таких частиц в газовом промежутке между электродами происходит следующим образом. В начале необходимо зажечь дугу. Процесс зажигания дуги в большинстве случаев включает три этапа.

1. Осуществляют короткое замыкание электрической цепи соприкосновением конца электрода на заготовку. При этомв месте контакта выделяется значительное количество теплоты Q согласно закону Джоуля – Ленца:

Q = I 2 · R ∙τ, Дж, (1.1)

где I – сила тока, А;

R – сопротивление, Ом;

τ – время прохождения тока, с.

Ток короткого замыкания практически мгновенно расплавляет металл в месте контакта.

2. Для горения дуги, после короткого замыкания, электрод и изделие необходимо раздвинуть друг от друга на расстояние 3…6 мм. При этом благодаря тепловой энергии, с поверхности электрода происходит испускание электронов (термическая эмиссия). Под действием электрического поля эти электроны устремляются к изделию и на своём пути сталкиваются с нейтральными частицами воздуха. При столкновении происходит отрыв от нейтрального атома или молекулы одного или нескольких электронов, что и называется ионизацией.

3. Процесс зажигания дуги заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда.

3. Схема опыта, применяемого при изучении стабильности горения дуги, и табл. 1.2. с результатами опытов.

При сварке на постоянном токе электрод, подсоединенный к положительному полюсу источника питания дуги, называют анодом, а к отрицательному ‒ катодом. Если сварка ведется на переменном токе, каждый из электродов является попеременно то анодом, то катодом.

Строение дуги постоянного тока и распределение потенциалов по длине дугового промежутка представлены на рис. 1.1.

В сварочной дуге четко выражены три области:

1) катодная область l_к, прилегающая к катоду К (–) с разогре-тым катодным пятном 1. Основным физическим процессом в этой области является электронная эмиссия и разгон электронов. Температура катодного пятна для стальных электродов достигает 2400 … 2700 °С;

2) столб дуги l_ст – это ионизированный газ, который содержит атомы газов, паров металла и покрытия, нейтральные молекулы, свободные электроны и ионы. Столб дуги занимает наибольшую протяженность дугового промежутка и располагается между катодной и анодной областями. Основным процессом образования заряженных частиц (электронов, положительных ионов и отрицательных ионов) здесь является ионизация газа.

Температура столба дуги зависит от состава газов, величины сварочного тока (с увеличением величины тока температура повышается), типа электродных покрытий и полярности. При обратной полярности температура столба дуги выше и она достигает от 6000 и более 8000 °С;

3) анодная область l_а включает анодное пятно 2 и часть дугового промежутка, примыкающего к аноду А (+).Ток в анодной области определяется потоком электронов, идущих из столба дуги. Анодное пятно является местом входа и нейтрализации свободных электронов в материале анода. Электрон, попавший на анодную поверхность, отдает металлу не только запас кинетической энергии, но и энергию в виде теплового излучения. Вследствие этого температура анода всегда выше и на нем выделяется больше тепла.

Длиновые размеры приэлектродных областей очень малы и составляют: катодной области l_к ≈10 -5 …10 -7 м; анодной области l_а ≈10 -4 …10 -5 м. Промежуток между электродами называют областью дугового разряда или дуговым промежутком. Длину дугового промежутка называют длиной дуги l_д.

Сварочная дуга является частью электрической сварочной цепи, и на ней происходит падение напряжения. Распределение падения напряжения по длине дугового промежутка (напряжения дуги U_д) зависит от физических условий, в которых горит сварочная дуга, и является суммой падения напряжений в приэлектродных областях U_к + U_а и столба дуги U_ст (см. рис. 1. 1):

Для сварочной дуги при плавящемся электроде характерно

Для большинства практически используемых режимов сварки принимают U_к=10…20 В, U_а=2…5 В и они не зависят от длины дуги и тока, а зависят от концентрации заряженных частиц в приэлектродных областях. Падение напряжения столба дуги U_стсущественным образом зависит от величины сварочного тока I_д, защитной среды, материала электродов и может изменяться от 6 до 40 В. Выражение (1.2) падения напряжения в дуговом промежутке можно записать в виде:

U_д= а + в· l_д, (1.3)

где а = U_к + U_а; – градиент напряжения в столбе, рав-ный 1…4 В/мм или в среднем – 2,5 В/мм. Таким образом, падение напряжения в столбе дуги длиной 4 мм составляет:

Основным свойством любой электрической цепи, в том числе и сварочной дуги, является способность проводить ток, которая оценивается с помощью вольт-амперной характеристики (ВАХ). Зависимость напряжения на дуге от её тока в установившемся режиме (при постоянстве длины и проводимости дугового промежутка) называется статической вольт-амперной характерис-тикой дуги, т. е. U_д= f (I_св) при l_д = const.

Статическая ВАХ сварочной дуги содержит три участка: падающий, жёсткий и возрастающий (рис. 1. 2). Для объяснения природы появления этих трех участков ВАХ сварочной дуги (газового проводника) можно воспользоваться с некоторой погрешностью законом Ома [1]:

где ρ – удельное электросопротивление дуги, мкмОм·м;

S_ст – площадь сечения столба дуги, мм 2 ;

j_ст = – плотность тока, А/мм 2 ;

l_ст, l_д – соответственно длина столба дуги и длина дуги, мм. Можно принять l_c_т ≈ l_д, мм,ввиду малых значений l_к и l_а.

Рис. 1.2. Вольтамперные статические характеристики дуги [2]:

1 – падающий участок; 2 – жесткий участок; 3 – возрастающий участок

Падающую вольт-амперную характеристику имеет дуга при сварочном токе до 80…100 А (cм рис. 1.2 – участок 1). На этом участке в сварочной дуге с увеличением сварочного тока более интенсивно протекает ионизация, возрастает проводимость столба дуги γ_ст и увеличивается площадь его поперечного сечения S_ст, которые в уравнении (1.4) находятся в знаменателе и приводят к снижению напряжения дуги. Кроме того, увеличение силы тока в пределах этого участка сопровождается опережающим темпом роста площади катодного пятна с диаметром d_к, что приводит к уменьшению плотности тока j_ст, а, следовательно, и к снижению напряжения на дуге. Сварочная дуга с падающей вольт-амперной характеристикой имеет малую устойчивость.

Жесткую вольт-амперную характеристику имеет сварочная дуга при токах от 80 до 350 А (cм. рис. 1.2– участок 2). На этом участке увеличение тока сопровождается пропорциональным в столбе дуги возрастанием его площади поперечного сечения и поэтому плотность тока j_ст не изменяется. Проводимость дугового промежут-ка γ_ст при этом остается без изменения, поскольку температура дуги достигает своего максимального значения. В результате падение напряжения на дуге тоже не изменяется. Таким образом, в области практических режимов сварки напряжение на дуге не зависит от тока (жесткий участок), а зависит только от длины дуги (см. уравнение 1.5). Такая дуга широко применяется в сварочной технике.

Возрастающую вольт-амперную характеристику имеет сварочная дуга при токах от 300 А и выше (см. рис. 1. 2 – участок 3). На этом участке при увеличении сварочного тока напряжение дуги снова возрастает. Напряжение дуги в этом случае растет не за счет увеличения площади поперечного сечения активного пятна катода, которое занимает весь торец электрода, а вследствие увеличения плотности тока j_ст.

Особенности дуги переменного тока

Устойчивость горения сварочной дуги переменного тока, ниже, чем дуги постоянного тока. Это связано с тем, что переменный ток частотой 50 Гц в дуге 100 раз в секунду (через каждые 0,01 с) проходит через нуль (рис. 1.3). В процессе перехода тока через нуль и изменения полярности в начале и конце каждого полупериода дуга угасает. При этом снижается температура дуги, снижается ионизация газовой смеси в приэлектродных областях и в столбе дуги, уменьшается проводимость дугового промежутка. До тех пор, пока напряжение источника тока U_и меньше напряжения повторного зажигания U_з (пика зажигания), дуга загореться не может. При синусоидальной кривой напряжения источника питания загорание дуги произойдёт через промежуток времени t_в в точке А, когда величина напряжения источника U_и достигнет напряжения зажигания U_з. После зажигания дуги будет происхо-дить изменение напряжения на дуге U_д и в точке В, в которой напряжение источника станет ниже напряжения горения дуги, дуга погаснет. Синусоидальность напряжения приводит к тому, что при смене полярности дуга переменного тока загорается не сразу, а спустя некоторое время, соответствующее времени возбуждения дуги t_в, пока синусоидальное напряжение источника U_и не достигнет значения зажигания дуги U_з в точке А₁ (см. рис. 1.3).

Интервал времени от времени угасания τ_у до времени возбужде-ния τ_в называется временем перерыва t_п в горении сварочной дуги. В этот интервал времени ток I_д, протекающий по сварочному контуру, не равен нулю. Это объясняется тем, что в дуговом промежутке в данный момент времени активное пятно катода еще способно излучать электроны, а также наличием плазменных потоков в столбе дуги. В дуговом промежутке в течение времени t_п наблюдается тлеющий разряд, а не дуговой. В момент времени τ = τ_внапряжение дуги U_ддостигает необходимого значения напряжения повторного возбуждения сварочной дуги U_з и в дуговом промежутке создается напряженность электрического поля такого значения, при котором начинается интенсивное зарождение свободных электронов, приводящее к восстановлению дугового разряда.

Для повышения стабильности горения дуги переменного тока необходимо, чтобы время перерыва (τ_в+τ_у) было по возможности меньше. Значение времени перерыва можно определить из закона синусоидальности переменного тока:

где ω – угловая частота тока, равная (ω=2 πf).

Отсюда тогда время перерыва составит

Из выражения (1.6) следует, что повысить стабильность горения дуги переменного тока, т. е. уменьшить время перерыва τ_в+τ_у в горе-нии сварочной дуги, можно осуществить:

1) увеличением амплитудного значения напряжения источника питания U_т, т. е. напряжения холостого хода U_х сварочного трансформатора. Однако повышение напряжения холостого хода ограничено условиями электробезопасности при проведении сварочных работ и технико-экономическими показателями источников питания (увеличение габаритных размеров источника питания, расход обмоточных материалов и т. д.). Поэтому для источников питания переменного тока принято отношение между напряжением холостого хода источника и напряжением дуги U_х/U_д > 1,8…2,5. Напряжение холостого хода не должно превышать 80…90 В;

2) увеличением частоты переменного тока, что требует дополнительных устройств (см. работу № 2 – инверторные источники);

3) снижением напряжения зажигания дуги за счет введения в состав покрытия электродов веществ с низким потенциалом ионизации.

В зависимости от толщины покрытия электроды разделяются на тонкопокрытые, с толщиной слоя обмазки 0,1…0,3 мм и толстопокрытые, с толщиной слоя обмазки до 2 мм.

Тонкие покрытия предназначаются для увеличения устойчи-вости горения дуги и поэтому часто называются ионизирующими покрытиями. Наиболее распространённым ионизирующим покры-тием является меловое, состоящее по массе из 80…85 % мелко просеянного мела СаСО₃ и 15…20 % жидкого натриевого стекла Na₂O·SiO₂. Сварные швы, выполненные этими электродами, из-за отсутствия защиты расплавленного металла обладают низким пределом прочности и низкой пластичностью. Для получения сварных швов с высокими показателями прочности и пластичности пользуются электродами с толстым покрытием. Поэтому эти покрытия называют качественными.Качественное покрытие выполняет следующие функции: обеспечивает устойчивое горение дуги; защищает расплавленный металл шва от воздействия кислорода и азота воздуха; раскисляет образующиеся в металле шва оксиды и удаляет невосстанавливаемые оксиды в шлак; изменяет состав наплавляемого металла вводом в него легирующих примесей; удаляет серу и фосфор из расплавленного металла шва.

К первой группе можно отнести ионизирующие вещества, которые вводятся для снижения эффективного потенциала ионизации (табл. 1.1). Они обеспечивают стабильное горение дуги.

Значение потенциалов ионизации металлов, применяемых в покрытиях

Элементы	К	Na	Ba	Li	Al	Ca	Cr	Ti	Mn
U, В	4,32	5,12	5,19	5,37	5,96	6,03	6,74	6,81	7,4
Элементы	Fe	Si	С	Н*	О*	N*	Ar*	Не*
U, В	7,83	7,94	11,22	13,53	13,56	14,51	15,7	21,5
*) элементы, содержащиеся в воздухе (в межэлектродном промежутке)

В основном это соли щелочных и щелочноземельных металлов (К, Na, Ca, Ва, Li и др.). Они чаще применяются в виде:

1) углекислых солей: мел (мрамор) СаСО₃, поташ К₂СО₃, углекислый барий ВаСО₃, сода Na₂CO₃;

2) соединений: хромата калия K₂CrO₄, титанового концентрата (FeO∙TiO₂), марганцевой руды (MnO₂∙Mn₂O₃), полевого шпата (К₂О∙Al₂O₃∙6SiO₂), плавикового шпата (CaF₂) и др.

Ионизация газовой среды характеризуется степенью ионии-зации, т. е. отношением числа заряженных частиц в данном объеме к первоначальному числу частиц (до начала ионизации). При полной ионизации степень ионизации будет равна единице. Из рис. 1.4. вид-но, что при температурах 6000…8000 ºС такие вещества как калий, натрий, кальций и другие обладают достаточно высокой степенью ионизации.

Ко второй группе относятся газообразующие, и шлакообра-зующие вещества, которые создают в зоне дуги газовую защитную оболочку, а в зоне шва – шлаковую защиту расплавленного металла шва. К газообразующим можно отнести неорганические (мрамор СаСО₃, магнезит МgСО₃ и др.) и органические (крахмал, древесная мука и т. п.) вещества. Все эти вещества образуют защитный барьер из CO₂ вокруг сварочной ванны.

При помощи шлакообразующих компонентов вокруг сварочной ванны создается защитная шлаковая пленка, препятствующая окисли-тельным процессам. Они представляют собой руды (титановые и марганцевые) и различные минералы (полевой шпат, гранит, кремнезем, плавиковый шпат).

Третью группу представляют легирующие вещества, которые в процессе сварки переходят из покрытия в металл шва и легируют его для придания тех или иных физико-механических свойств. К этой же группе можно отнести раскисляющие вещества, которые благо-даря большому сродству к кислороду очищают металл шва от окис-лов и выводят их в шлак. Легирующие элементы и раскислители – кремний, марганец, титан, алюминий и другие, а также сплавы этих элементов с железом в виде ферромарганца, ферросилиция и ферро-титана. Их применяют для наполнения сварочной ванны легирую-щими элементами, придавая металлу нужный состав. Алюминий как раскислитель вводится в покрытие в виде порошка-пудры;

К четвёртой группе - связующие вещества для придания покрытию монолитности и определенной прочности после его высыхания. В качестве связующего вещества, как уже упоминалось, часто применяют водные растворы силикатов натрия, называемые жидким стеклом Na₂O·SiO₂.

Для повышения производительности (для увеличения количест-ва наплавляемого металла в единицу времени) и облегчения повтор-ного зажигания дуги в электродные покрытия вводят железный поро-шок. Его содержание может достигать до 60 % массы покрытия. Таким образом, во все группы веществ, образующих покрытие, входят элементы (см. табл. 1.1 и рис. 1.4) с низким потенциалом ионизации в виде различных химических соединений.

ОСОБЕННОСТИ ДУГИ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

При сварке на постоянном токе в установившемся режиме все процессы в дуге протекают с определенной скоростью и горение дуги отличается высокой стабильностью.

При питании дуги переменным током полярность электрода и изделия, а также условия существования дугового разряда периодически изменяются. Так, дуга переменного тока промышленной частоты 50 Гц погасает и вновь возбуждается 100 раз в секунду, или дважды за каждый период. Поэтому особо возникает вопрос об устойчивости горения дуги переменного тока. В первую очередь, устойчивость горения такой дуги зависит от того, насколько легко происходит повторное возбуждение дуги в каждом полупериоде. Это определяется ходом физических и электрических процессов в дуговом промежутке и на электродах в отрезки времени между каждым погасанием и новым зажиганием дуги. Снижение тока сопровождается соответствующим уменьшением температуры в столбе дуги и степени ионизации дугового промежутка. При переходе тока через нуль и перемене полярности в начале и конце каждого полупериода дуга гаснет. Одновременно падает и температура активных пятен на аноде и катоде. Падение температуры несколько отстает по фазе при переходе тока через ноль, что связано с тепловой инерционностью процесса. Особенно интенсивно падает температура активного пятна, расположенного на поверхности сварочной ванны, в связи с интенсивным отводом теплоты в массу детали. В следующий за погасанием дуги момент меняется полярность напряжения на дуговом промежутке (рис. 2.4).

Одновременно изменяется и направление движения заряженных частиц в дуговом промежутке. В условиях пониженной температуры активных пятен и степени ионизации в дуговом промежутке повторное зажигание дуги в начале каждого полупериода происходит только при повышен-

Пик зажигания всегда выше напряжения дуги, соответствующего стабильному режиму ее горения. При этом величина пика зажигания несколько выше в тех случаях, когда катодное пятно находится на основном металле. Величина пика зажигания существенно влияет на устойчивость горения дуги переменного тока. Деионизация и охлаждение дугового промежутка возрастают с увеличением длины дуги, что приводит к необходимости дополнительного повышения пика зажигания и влечет снижение устойчивости дуги. Поэтому затухание и обрыв дуги переменного тока при прочих равных условиях всегда происходят при меньшей ее длине, чем для постоянного тока. При наличии в дуговом промежутке паров легкоионизующихся элементов пик зажигания уменьшается и устойчивость горения дуги переменного тока повышается.

ном напряжении между электродами, именуемым пиком зажигания или напряжением повторного зажигания дуги.

Рис. 2.4. Изменение полярности при горении дуги на переменном токе

С увеличением силы тока физические условия горения дуги улучшаются, что также приводит к снижению пика зажигания и повышению устойчивости дугового разряда. Таким образом, величина пика зажигания является важной характеристикой дуги переменного тока и оказывает существенное влияние на ее устойчивость. Чем хуже условия для повторного возбуждения дуги, тем больше разница между пиком зажигания и напряжением дуги. Чем выше пик зажигания, тем выше должно быть напряжение холостого хода источника питания дуги током. При сварке на переменном токе неплавящимся электродом, когда материал его и изделия резко различаются по своим теплофизическим свойствам, проявляется выпрямляющее действие дуги. Это характеризуется протеканием в цепи переменного тока некоторой составляющей постоянного тока, сдвигающей в определенном направлении кривые напряжения и тока от горизонтальной оси (рис. 2.5). Наличие в сварочной це
пи составляющей постоянного тока отрицательно сказывается на качестве сварного соединения и условиях процесса: уменьшается глубина проплавления, увеличивается напряжение дуги, значительно повышается температура электрода и увеличивается его расход. Поэтому приходится применять специальные меры для подавления действия постоянной составляющей.

При сварке плавящимся электродом, близким по составу к основному металлу, на режимах, обеспечивающих устойчивое горение дуги, выпрямляющее действие дуги незначительно и кривые тока и напряжения располагаются практически симметрично относительно оси абсцисс.

Рис. 2.5. Постоянная составляющая тока в сварочной цепи при горении дуги на переменном токе

Особенности дуги переменного тока

Интервал времени от времени угасания τ_у до времени возбужде-ния τ_в называется временем перерыва t_п в горении сварочной дуги. В этот интервал времени ток I_д, протекающий по сварочному контуру, не равен нулю. Это объясняется тем, что в дуговом промежутке в данный момент времени активное пятно катода еще способно излучать электроны, а также наличием плазменных потоков в столбе дуги. В дуговом промежутке в течение времени t_п наблюдается тлеющий разряд, а не дуговой. В момент времени τ = τ_внапряжение дуги U_д достигает необходимого значения напряжения повторного возбуждения сварочной дуги U_з и в дуговом промежутке создается напряженность электрического поля такого значения, при котором начинается интенсивное зарождение свободных электронов, приводящее к восстановлению дугового разряда.

1) увеличением амплитудного значения напряжения источ-ника питания U_т, т. е. напряжения холостого хода U_х сварочного трансформатора. Однако повышение напряжения холостого хода ограничено условиями электробезопасности при проведении свароч-ных работ и технико-экономическими показателями источников пита-ния (увеличение габаритных размеров источника питания, расход обмоточных материалов и т. д.). Поэтому для источников питания переменного тока принято отношение между напряжением холо-стого хода источника и напряжением дуги U_х/U_д > 1,8…2,5. Напря-жение холостого хода не должно превышать 80…90 В;

2) увеличением частоты переменного тока, что требует допол-нительных устройств (см. работу № 2 – инверторные источники);

Наиболее приемлемым способом повышения стабильности горения дуги при ручной электродуговой сварке является использование электродов со специальными покрытиями, содержащими компоненты с низким потенциалом ионизации. При введении химических элементов с низким потенциалом ионизации в сварочную дугу снижается значение напряжения повторного возбуждения, улучшаются условия горения сварочной дуги. Это объясняется сохранением проводимости дугового промежутка в течение длительного времени после угасания дуги за счёт сохранения тлеющего разряда.

В чем заключаются особенности горения сварочной дуги переменного тока?

Какие способы повышения стабильности сварочной дуги переменного тока Вы знаете и, какие из них используются при ручной дуговой сварке?

Повысить стабильность горения дуги переменного тока, т. е. уменьшить время перерыва τ_в+τ_у в горе-нии сварочной дуги, можно осуществить:

Почему электроды с качественным покрытием обеспечивают большую стабильность горения дуги?

Для получения высококачественного сварного соединения необходимо правильно подобрать электроды для ручной дуговой сварки. Только в этом случае стык получится прочным, герметичным и долговечным. Электроды для ручной дуговой сварки изготавливают в виде стержней, выполненных из холоднотянутой калиброванной сварочной проволоки, на которую наносят слой защитного покрытия. В зависимости от толщины покрытия электроды разделяются на тонкопокрытые, с толщиной слоя обмазки 0,1…0,3 мм и толстопокрытые, с толщиной слоя обмазки до 2 мм.

Почему стабильность горения дуги возрастает с увеличением сварочного тока?

При введении химических элементов с низким потенциалом ионизации в сварочную дугу снижается значение напряжения повторного возбуждения, улучшаются условия горения сварочной дуги. Это объясняется сохранением проводимости дугового промежутка в течение длительного времени после угасания дуги за счёт сохранения тлеющего разряда.

Для чего предназначено тонкое покрытие электродов?

Какие функции выполняет качественное покрытие электродов?

Для получения сварных швов с высокими показателями прочности и пластичности пользуются электродами с толстым покрытием. Поэтому эти покрытия называют качественными.Качественное покрытие выполняет следующие функции: обеспечивает устойчивое горение дуги; защищает расплавленный металл шва от воздействия кислорода и азота воздуха; раскисляет образующиеся в металле шва оксиды и удаляет невосстанавливаемые оксиды в шлак; изменяет состав наплавляемого металла вводом в него легирующих примесей; удаляет серу и фосфор из расплавленного металла шва; образует шлаковую корку над металлом шва, замедляет его охлаждение и тем самым способствует выходу газов и неметаллических включений на поверхность металла шва.

Какие компоненты входят в состав тонких и качественных покрытий?

Тонкое покрытие: наиболее распространённым ионизирующим покры-тием является меловое, состоящее по массе из 80…85 % мелко просеянного мела СаСО₃ и 15…20 % жидкого натриевого стекла Na₂O·SiO₂. Качественное покрытие: должно содержать компоненты, которые условно можно разделить на четыре группы.

Третью группу представляют легирующие вещества, которые в процессе сварки переходят из покрытия в металл шва и легируют его для придания тех или иных физико-механических свойств. К этой же группе можно отнести раскисляющие вещества, которые благо-даря большому сродству к кислороду очищают металл шва от окислов и выводят их в шлак. Легирующие элементы и раскислители – кремний, марганец, титан, алюминий и другие, а также сплавы этих элементов с железом в виде ферромарганца, ферросилиция и ферротитана.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ДЛЯ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Цель работы

1.1. Изучить устройство и принцип действия сварочных транс-форматоров и выпрямителей.

1.2. Освоить способы получения внешней вольтамперной харак-теристики и регулирования сварочного тока современных источников питания для ручной дуговой сварки.

1.3. Снять внешнюю характеристику сварочного трансформа-тора с повышенным магнитным рассеянием.

Теоретическая часть

Несмотря на широкое использование механизированных спосо-бов сварки, ручная электродуговая сварка (РДС) электродами с качественным покрытием остаётся наиболее распространённым видом сварки. В промышленности наиболее широко применяются следующие источники питания сварочной дуги: 1) переменного тока – сварочные трансформаторы; 2) постоянного тока – сварочные выпрямители; 3) высокочастотные источники – инверторы.

Современные сварочные трансформаторы

Несмотря на то, что дуга переменного тока менее устойчива, чем дуга постоянного тока, сварочные трансформаторы находят широкое применение. Трансформаторы экономичны: их КПД достигает 85 %, имеют меньшую стоимость.

Особенностью конструкции трансформаторов с повышенным магнитным рассеянием является то, что первичная и вторичная обмотки расположены на общем магнитопроводе на некотором уда-лении друг от друга. Причем одна из обмоток является подвижной.

Принцип действия трансформаторов этих серий иллюс-трирует рис. 2.1. Они имеют стержневой удлинённый магнитопровод 3, цилиндрическую первичную 1 и вторичную 2 обмотки с числами витков W₁ и W₂ соответственно.

Каждая из обмоток разбиты на две катушки, охватывающие стержни магнитопровода.

Основной магнитный поток трансформа-тора Ф_т замыкается по магнитопроводу, а потоки рассеяния Ф_1р и Ф_2р - по воздуху в пространстве между первичной и вторичной обмоткам. Поэтому значительная часть магнитных потоков рассеяния первичной обмотки не достигает витков вторичной и они рассеиваются. Другими словами, на пути движения магнитного потока из первичной обмотки во вторичную имеется значительное индуктивное сопротивление. Индуктивное сопротивление трансфо-рматора х_т сильно зависит от числа витков вторичной обмотки W₂, а также конструктивных параметров трансформатора: ширины магни-топровода b, высоты катушек h_1об, h_2об и расстояния между ними C_ок:

В уравнении (2.1) все геометрические размеры по рис. 2.4 приведены в сантиметрах. Зависимость индуктивного сопротивления трансформатора х_т от расстояния между обмотками l_об линейная. В режиме нагрузки (рис. 2.2) сила тока во вторичной обмотке трансформатора будут соответствовать следующей зависимости:

где х_т - полное индуктивное сопротивление трансформатора (вклю-чающее индуктивное сопротивление рассеяния);

U₂ – напряжение во вторичной обмотке трансформатора. Для сварочных трансформаторов оно по условиям электро-безопасности при проведении сварочных работ не должно превышать 80 В. Чем выше напряжение холостого хода трансформа-тора, тем легче возбуждается дуга; U_{д -} – напряжение сварочной дуги.

Из выражения (2.2) следует, что регулировку тока при сварке можно осуществлять изменением напряжения холостого хода U₂, т. е. изменением соотношения числа витков W₁ /W₂и изменением х_т. Однако параметры U₂ и W₁ /W₂ заложены в конструкцию трансформатора и имеют зависимость . Поэтому регулировку сварочного тока осуществляют изменением индуктивного сопротивления х_т, которое достигается изменением расстояния между обмотками.

Для регулирования режима сварки в обойму крепления катушек вторичной обмотки вмонтирована неподвижная гайка 6, в которую ввинчивается или вывинчивается из неё ходовой винт 4 при вращении рукоятки. При этом изменяется расстояние между подвижной и неподвижной обмотками трансформатора l_об, что приводит к измене-нию магнитных потоков рассеяния Ф_р. Так происходит плавное регулирование силы сварочного тока.

Падающая внешняя характеристика у трансформатора с подвиж-ными обмотками получается благодаря увеличенному магнитному рассеянию.

Сварочные выпрямители [1]

Для ручной сварки предназначены выпрямители с крутопадаю-щими характеристиками, которые формируются различными спосо-бами: 1) увеличением индуктивного сопротивления трансформатора (выпрямитель с трансформатором с подвижными обмотками или с магнитным шунтом); 2) использование обратной связи по току (тиристорный, транзисторный и инверторный выпрямители). Наибо-лее простой способ заключается в том, что сварочный выпрямитель комплектуется силовым трансформатором с падающей характерис-тикой. В любом сварочном выпрямителе можно выделить следующие элемен-ты: силовой понижающий трансформатор, выпрямительный блок и пускозащитную аппаратуру.

Сварочный выпрямитель ВД–306 С1.В него входят силовой трансформатор с подвижными катушками (рис. 2.2). На метал-лической раме 10 размещены выпрямительный блок 1 и трехфазный понижающий трансформатор 2 с усиленными магнитными полями рассеяния.

На лицевой панели трансформатора расположены кнопки 4 «Пуск» и «Стоп», переключатель 5 диапазонов сварочного тока, амперметр 6, два разъема 8 для подключения сварочного кабеля, имеющих соответствующую полярность (+) и (—), и штепсельный разъем 9 для подключения выпрямителя к сети. Металлическая рама 10 установлена на двух колесах 7. Грубая регулировка тока осуществляется одновременным переключением первичной и вторичной обмоток трансформатора переключателем 5.

Рис. 2.2. Выпрямитель ВД – 306 С1: а – вид сбоку со снятым кожухом; б – общий вид

При включении по схеме «звезда-звезда» (Y/Y), обеспечивается ступень малых токов, а по схеме «треугольник-треугольник» (Δ/Δ) - ступень больших токов. В пределах каждой ступени плавное регули-рование тока производится изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками поворотом рукоятки 3. Значение сварочного тока определяется по указателю со шкалой 12, расположенные сбоку кожуха трансформатора. Упрощенная принципиальная схема выпрямителя ВД – 306 С1 приведена на рис. 2.3.

Внешние характеристики выпрямителя приведены на рис. 2.4.

Рис. 2.3. Упрощенная электрическая принципиальная схема выпрямителя ВД – 306 С1: Тр – трансформатор с падающей характеристикой; В – выпрямительный блок на кремниевых диодах

Выпрямители серий ВД – 201 и ВД – 306 просты в изготовлении и эксплуатации. Их недостатки - в отсутствии стабилизации режима при изменении напряжения сети и невозможности дистанционного управления.

Инверторные источники питания [1,3]

Основным отличием инверторных источников питания от традиционных сварочных выпрямителей является наличие в его конструкции специальных устройств – инверторов.

Инверторы – это устройства, которые преобразуют энергию постоянного тока в энергию переменного тока с заданной формой импульсов, частотой, амплитудой и выходным напряжением.

На практике в сварочных источниках питания наиболее часто применяются однофазные инверторы. Частота переменного тока инвертора f = 1/Т (1…60 кГц). С повышением частоты напряжения питания сварочной дуги при уменьшаются размеры и масса трансфо-рматора, а также увеличивается индуктивное сопротивление его обмоток. Такой инвертор называют автономным.

Инверторный сварочный аппарат ИН – 200ИУ2. Аппарат выполнен в металлическом корпусе (рис. 2.5), с воздушной принуди -

а – с лицевой стороны; б – с задней стороны

Функциональная схема инверторного сварочного аппарата Рис. 2. 6.

транзисторах преобразует постоянное напряжение в переменное высокочастотное (~ 50 кГц). Далее напряжение (~ 220 В) понижается высокочастотным трансформатором Тр до сварочного (~ 85 В), выпрямляется выходным выпрямителем В_вых и сглаживается росселем Др (фильтром) L– C.

Кроме снижения массы выпрямителя большая частота транс-формируемого тока приводит к сокращению длительности пере-ходных процессов с 0,02 сек до 0,001 сек, что уменьшает разбрызгивание металла при сварке. Регулировка режима сварки осуществляется путём изменения частоты. Падающая внешняя характеристика обеспечивается сле-дующим образом: с увеличением I_св автоматически снижается часто-та f, что влечет уменьшение выходного напряжения. Для его стабилизации вводится обратная связь по напряжению.

Таким образом, воздействие на параметры инвертора позволяет регулировать режим сварки и формировать внешние характеристики выпрямителя.

Практическая часть

Оборудование и материалы

Сварочный трансформатор ТС – 500, сварочный выпрямитель ВД – 306 С1, балластный реостат РБ–301, инверторный сварочный аппарат ИН – 200ИУ2.

Последовательность выполнения работы:

1. Разобраться с электрическими схемами опытных установок для снятия внешних характеристик трансформатора и выпрямителя

2. Снять внешнюю характеристику сварочного выпрямителя

ВД–306 С1. Для этого убедиться, что вторичная обмотка трансформатора подключена к балластному реостату РБ–301.

Снятие характеристики осуществляется в следующей последо-вательности:

а) включить рубильник Р, смонтированный на стене лабора-тории. «Пуск»-на передней стенке, включить выпрямитель ВД-306 С1. Убедиться в срабатывании вентилятора;

б) переключателем ступеней тока 2 вправо (ступень 2) вклю-чить обмотку трансформатора в область больших токов;

в) вращением рукоятки 3 установить по шкале указателя вы-прямителя определенную силу сварочного тока (например, 250 А);

г) при выключенных ножах балластного реостата включить кнопкой 1 выпрямитель, затем снять по вольтметру напряжение холостого хода. При этом показание амперметра будет равно нулю.

д) последовательно включая (справа налево) контактные ножи балластного реостата РБ–301 снять показания амперметра и вольт-метра. Амперметр располагается на передней стенке выпрямителя, а вольтметр – на балластном реостате. Данные занести в таблицу;

3. Снять внешнюю характеристику сварочного трансформа-тора ТС – 500. Для этого:

а) переключить входные провода балластного сопротивления

РБ -301 на выходные клеммы вторичной обмотки трансформатора;

б) вращением рукоятки 4 (см. рис. 2.1) установить ток короткого замыкания 250 А.

в) при выключенных ножах балластного реостата РБ–301 включить трансформатор, затем снять по вольтметру, расположен-ному на балластном реостате, напряжение холостого хода.

г) переключая контактные ножи РБ–301, снять показания вольтметра и амперметра. Данные занести в таблицу 2.1. При этом используется амперметр, установленный на реостате.

ж) с помощью кнопки «стоп» и рубильника Р выключить источник питания. Отключить контакты реостата.

4. По полученным данным построить внешнюю характерис-тику выпрямителя и трансформатора. Характеристику выпрямителя сравнить с характеристикой, на рис. 2.4.

Читайте также: