Внешняя характеристика источника питания для ручной дуговой сварки

Обновлено: 12.05.2024

Внешняя характеристика источников питания сварочной дуги

Внешняя характеристика источников питания (сварочного трансформатора, выпрямителя и генератора) — это зависимость напряжения на выходных зажимах от величины тока нагрузки. Зависимость между напряжением и током дуги в установившемся (статическом) режиме называется вольт-амперной характеристикой дуги.

Внешние характеристики сварочных генераторов, показанные на рис. 1 (кривые 1 и 2), являются падающими. Длина дуги связана с ее напряжением: чем длиннее сварочная дуга, тем выше напряжение. При одинаковом падении напряжения (изменении длины дуги) изменение сварочного тока неодинаково при неодинаковых внешних характеристиках источника. Чем круче характеристика, тем меньше влияет длина сварочной дуги на сварочный ток. При изменении напряжения на величину δ при крутопадающей характеристике изменение тока равно а1, при пологопадающей — а2.

Рис. 1. Внешняя характеристика источников питания: 1 — крутопадающая внешняя характеристика; 2 — пологопадающая; 3 — жёсткая; 4 — пологовозрастающая

Рис. 2. Внешняя характеристика источников питания и сварочной дуги: а — сплошная линия — генератора, штрихованная — дуги в момент возбуждения; штрихпунктирная — дуги при горении; б — характеристика источников питания сварочной дуги.

Для обеспечения стабильного горения дуги необходимо, чтобы характеристика сварочной дуги пересекалась с характеристикой источника питания (рис. 2).

В момент зажигания дуги (рис. 2, а) напряжение падает по кривой от точки 1 до точки 2 — до пересечения с характеристикой генератора, т. е. до положения, когда электрод отводится от поверхности основного металла. При удлинении дуги до 3 — 5 мм напряжение возрастает по кривой 2—3 (в точке 3 осуществляется устойчивое горение дуги). Обычно ток короткого замыкания превышает рабочий ток, но не более чем в 1,5 раза. Время восстановления напряжения после короткого замыкания до напряжения дуги не должно превышать 0,05 с, этой величиной оцениваются динамические свойства источника.

На рис. 2,6 показаны падающие характеристики 1 и 2 источника питания при жесткой характеристике дуги 3, наиболее приемлемой при ручной дуговой сварке.

Напряжение холостого хода (без нагрузки в сварочной цепи) при падающих внешних характеристиках всегда больше рабочего напряжения дуги, что способствует значительному облегчению первоначального и повторного зажигания дуги. Напряжение холостого хода не должно превышать 75 В при номинальном рабочем напряжении 30 В (повышение напряжения облегчает зажигание дуги, но одновременно увеличивается опасность поражения сварщика током). Для постоянного тока напряжение зажигания должно быть не менее 30 — 35 В, а для переменного тока 50 — 55 В. Согласно ГОСТ 7012 —77Е для трансформаторов, рассчитанных на сварочный ток 2000 А, напряжение холостого хода не должно превышать 80 В.

Повышение напряжения холостого хода источника переменного тока приводит к снижению косинуса «фи». Иначе говоря, увеличение напряжения холостого хода снижает коэффициент полезного действия источника питания.

Источник питания для ручной дуговой сварки плавящимся электродом и автоматической сварки под флюсом должен иметь падающую внешнюю характеристику. Жесткая характеристика источников питания (рис. 1, кривая 3) необходима при выполнении сварки в защитных газах (аргоне, углекислом газе, гелии) и некоторыми видами порошковых проволок, например СП-2. Для сварки в защитных газах применяются также источники питания с пологовозрастающими внешними характеристиками (рис. 1, кривая 4).

Относительная продолжительность работы (ПР) и относительная продолжительность включения (ПВ) в прерывистом режиме сварочной дуги

Относительная продолжительность работы (ПР) и относительная продолжительность включения (ПВ) в прерывистом режиме характеризуют повторно-кратковременный режим работы источника питания.

Величина ПР определяется как отношение продолжительности рабочего периода источника питания к длительности полного цикла работы и выражается в процентах

где tp — непрерывная работа под нагрузкой; tц — длительность полного цикла. Условно принято, что в среднем tp = 3 мин, а tц = 5 мин, следовательно, оптимальная величина ПР % принята 60%.

Различие между ПР% и ПВ% состоит в том, что в первом случае источник питания во время паузы не отключается от сети и при разомкнутой сварочной цепи работает на холостом ходу, а во втором случае источник питания полностью отключается от сети.

СВАРОЧНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Сварочные трансформаторы по фазности электрического тока подразделяются на однофазные и трехфазные, а по количеству постов — на однопостовые и многопостовые. Однопостовой трансформатор служит для питания сварочным током одного рабочего места и имеет соответствующую внешнюю характеристику.

Многопостовой трансформатор служит для одновременного питания нескольких сварочных дуг (сварочных постов) и имеет жесткую характеристику. Для создания устойчивого горения сварочной дуги и обеспечения падающей внешней характеристики в сварочную цепь дуги включает дроссель. Для дуговой сварки сварочные трансформаторы подразделяются по конструктивным особенностям на две основные группы:

трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием, конструктивно выполненные в виде двух раздельных аппаратов (трансформатор и дроссель) или в едином общем корпусе;

трансформаторы с развитым магнитным рассеянием, конструктивно различающиеся по способу регулирования (с подвижными катушками, с магнитными шунтами, со ступенчатым регулированием).

ОБСЛУЖИВАНИЕ СВАРОЧНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

При эксплуатации сварочных трансформаторов следует следить за надежностью контактов, не допускать перегрева обмоток, сердечника и его деталей. Необходимо раз в месяц смазывать регулировочный механизм и не допускать загрязнений рабочих частей трансформаторов.

Необходимо следить за надежностью заземления и оберегать трансформатор от механических повреждений.

При работе трансформатора нельзя допускать превышения величины сварочного тока против указанной в паспорте. Запрещается перетаскивание трансформатора или регулятора с помощью сварочных проводов.

Раз в месяц трансформатор необходимо обдуть (очистить) струей сухого сжатого воздуха и проверить состояние изоляции.

Попадание влаги на обмотки трансформатора резко снижает электрическое сопротивление, в результате чего возникает опасность пробоя изоляции. Если сварочные трансформаторы установлены на открытом воздухе, их необходимо укрывать от атмосферных осадков. В таких случаях следует делать навесы или специальные передвижные будки.

Вольтамперные характеристики источников питания дуговой сварки

Внешняя характеристика источников питания (сварочного трансформатора, выпрямителя и генератора) – это зависимость напряжения на выходных зажимах от величины тока нагрузки. Зависимость между напряжением и током дуги в установившемся (статическом) режиме называется дуги.

Внешние характеристики источников питания сварочной дуги показаны на рис. 90.

Рис. 90. Внешние характеристики источников питания:

1 – крутопадающая, 2 – пологопадающая, 3 – жесткая, 4 – пологовозрастающая

Длина дуги связана с ее напряжением: чем длиннее сварочная дуга, тем выше напряжение. Чем круче характеристика, тем меньше влияет длина сварочной дуги на сварочный ток. При изменении напряжения на величину δ при крутопадающей характеристике изменение тока равно а 1 , при пологопадающей – а 2 .

Для обеспечения стабильного горения дуги необходимо, чтобы характеристика сварочной дуги пересекалась с характеристикой источника питания (рис. 91).

Рис. 91. Внешние характеристики источников питания (а) и сварочной дуги (б) (сплошная линия – генератора, штриховая – дуги в момент возбуждения, штрихпунктирная – дуги при горении)

В момент зажигания дуги (рис. 91, а) напряжение падает по кривой от точки 1 до точки 2 – до пересечения с характеристикой генератора, т. е. до положения, когда электрод отводится от поверхности основного металла. При удлинении дуги до 3-5 мм напряжение возрастает по кривой 2-3 (в точке 3 осуществляется устойчивое горение дуги). Обычно ток короткого замыкания превышает рабочий ток, но не более чем в 1,5 раза. Время восстановления напряжения после короткого замыкания до напряжения дуги не должно превышать 0,05 с.

На рис. 91, б показаны падающие характеристики 1 и 2 источника питания при жесткой характеристике дуги 3, наиболее приемлемой при ручной дуговой сварке.

Напряжение холостого хода (без нагрузки в сварочной цепи) при падающих внешних характеристиках всегда больше рабочего напряжения дуги, что способствует значительному облегчению первоначального и повторного зажигания дуги. Напряжение холостого хода не должно превышать 75 В при номинальном рабочем напряжении 30 В. Для постоянного тока напряжение зажигания должно быть не менее 30-35 В, а для переменного тока 50-55 В. Согласно ГOCT 7012-77E для трансформаторов, рассчитанных на сварочный ток 2000 А, напряжение холостого хода не должно превышать 80 В.

Источник питания для ручной дуговой сварки плавящимся электродом и автоматической сварки под флюсом должен иметь падающую внешнюю характеристику. Жесткая характеристика источников питания (см. рис. 90, кривая 3) необходима при выполнении сварки в защитных газах (аргоне, углекислом газе, гелии) и некоторыми видами порошковых проволок, например СП-2. Для сварки в защитных газах применяются также источники питания с полого-возрастающими внешними характеристиками (см. рис. 90, кривая 4).

Статическая вольт-амперная характеристика дуги показывает зависимость между установившимися значениями тока и напряжения дуги при постоянной ее длине.

Характеристика имеет три области

Первая область I характеризуется резким падением напряжения Uд на дуге с увеличением тока сварки Iсв. Такая характеристика называется падающей и вызвана тем, что при увеличении тока сварки происходит увеличение площади, а следовательно, и электропроводности столба дуги.

Во второй области II характеристики увеличения тока сварки не вызывают изменения напряжения дуги. Характеристика дуги на этом участке называется жесткой. Такое положение характеристики на этом участке происходит за счет увеличения сечения столба дуги, анодного и катодного пятен пропорционально величине сварочного тока. При этом плотность тока и падение напряжения на протяжении всего участка не зависят от изменения тока и остаются почти постоянными.

В третьей области III с увеличением сварочного тока возрастает напряжение на дуге Uд. Такая характеристика называется возрастающей. При работе на этой характеристике плотность тока на электроде увеличивается без увеличения катодного пятна, при этом возрастает сопротивление столба дуги и напряжение на дуге увеличивается.

Род тока при сварке – постоянный или переменный, полярность на постоянном токе может быть прямой (минус от источника на электроде), или обратной (минус от источника присоединяется к детали).

Ток обратной полярности применяют при сварке тонкого металла легкоплавких сплавов, легированных, специальных и высокоуглеродистых сталей, чувствительных к перегреву, при полуавтоматической сварке арматуры и металлоконструкций легированной проволокой сплошного сечения, при сварке электродами с фтористо-кальциевым покрытием.

При сварке на переменном токе полярность электродов и условия существования дуги периодически изменяются в соответствии с частотой тока.

В каждом полупериоде ток и напряжение меняют полярности при переходе синусоиды через нулевое значение. Дуга при этом угасает, температура активных пятен и дугового промежутка снижается. Повторное зажигание дуги в новом полупериоде происходит при повышенном напряжении – пике зажигания, которое выше напряжения на дуге.

Для повышения устойчивости дуги переменного тока добавляют в покрытия электродов и сварочные флюсы такие материалы, как мел, мрамор, полевой шпат и др., содержащие калий, натрий, кальций и другие элементы.

Газы, вводимые в зону горения дуги для защиты расплавленного металла, оказывают влияние на зажигание дуги переменного тока. При сварке с инертными газами (гелий, аргон) зажигание дуги затруднено, но возбужденная дуга горит устойчиво.

При сварке вольфрамовым электродом в среде аргона происходит испарение частиц металла с поверхности сварочной ванны и ближайших холодных зон, вместе с которыми удаляются и окисные пленки, что улучшает условия сварки и качество шва.

Углекислый газ при сварке на переменном токе действует отрицательно, поэтому сварка в углекислом газе применяется преимущественно на постоянном токе обратной полярности.

Источники питания сварочной дуги имеют также свои вольт-амперные характеристики, которые могут быть падающими, жесткими и возрастающими.

Для стабильного горения дуги необходимо, чтобы было равенство между напряжениями и токами дуги (Uд, Iд) и источника питания (Uп, Iп).

Источники питания с падающей и жесткой характеристиками применяют при ручной дуговой сварке, с возрастающей характеристикой – при полуавтоматической сварке, с жесткой и возрастающей – при автоматической сварке под флюсом и для наплавки.

Устойчивое горение сварочной дуги возможно только в том случае, когда источник питания сварочной дуги поддерживает постоянным необходимое напряжение при протекании тока по сварочной цепи.

Работу сварочной цепи и дуги нужно рассматривать при наложении статической вольт-амперной характеристики (ВАХ) сварочной дуги на статическую вольт-амперную характеристику источника питания (называемую также внешней характеристикой источника питания) .

Ручная электросварка обычно сопровождается значительными колебаниями длины дуги. При этом дуга должна гореть устойчиво, а ток дуги не должен сильно изменяться. Также часто требуется увеличить длину дуги, поэтому дуга должна иметь достаточный запас эластичности при удлинении, т. е. не обрываться.

Статическая характеристика сварочной дуги при ручной сварке обычно является жесткой, и отклонение тока при изменении длины дуги зависит только от типа внешней характеристики источника питания. При прочих равных условиях эластичность дуги тем выше, а отклонение тока дуги тем меньше, чем больше наклон внешней характеристики источника питания. Поэтому для ручной электросварки применяются источники питания с падающими внешними характеристиками. Это дает возможность сварщику удлинять дугу, не опасаясь ее обрыва, или уменьшать длину дуги без чрезмерного увеличения тока. Также обеспечиваются высокая устойчивость горения дуги и ее эластичность, стабильный режим сварки, надежное первоначальное и повторное зажигание дуги благодаря повышенному напряжению холостого хода, ограниченный ток короткого замыкания.

Ограничение этого тока имеет большое значение, так как при ручной дуговой сварке происходит переход капли расплавленного металла электрода на изделие, и при этом возможно короткое замыкание.

При больших значениях тока короткого замыкания происходят прожоги металла, прилипание электрода, осыпание покрытия электрода и разбрызгивание расплавленного металла. Обычно значение тока короткого замыкания больше тока дуги в 1,2-1,5 раз.

Основными данными технических характеристик источников питания сварочной дуги являются напряжение холостого хода, номинальный сварочный ток, пределы регулирования сварочного тока.

Напряжение холостого хода источника сварочного тока – напряжение на его зажимах при отсутствии дуги, номинальный сварочный ток – допустимый по условиям нагрева источника питания ток при номинальном напряжении на дуге.

В процессе сварки непрерывно меняются значения тока и напряжения на дуге в зависимости от способа первоначального возбуждения дуги и при горении дуги – характера переноса электродного металла в сварочную ванну.

При сварке капли расплавленного металла замыкают дуговой промежуток, периодически изменяя силу тока и длину дуги, происходит переход от холостого хода к короткому замыканию, затем к горению дуги с образованием капли расплавленного металла, которая вновь замыкает дуговой промежуток. При этом ток возрастает до величины тока короткого замыкания, что приводит к сжатию и перегоранию мостика между каплей и электродом. Напряжение возрастает, дуга вновь возбуждается, и процесс периодически повторяется.

Изменения тока и напряжения на дуге происходят в доли секунды, поэтому источник питания сварочной дуги должен обладать высокими динамическими свойствами, т. е. быстро реагировать на все изменения в дуге.

Источники тока для питания сварочной дуги должны иметь специальную сварочную внешнюю характеристику.

Внешней характеристикой источника питания (ВАХ) называется зависимость между напряжением на его выходных клеммах и током в сварочной цепи.

Внешние характеристики (рис.2.) могут быть следующих основных видов: крутопадающая1, пологопадающая 2, жесткая 3, возрастающая4.

Рис.2. Основные типы внешних характеристик источников питания для дуговой сварки: 1 – крутопадающая, 2 – пологопадающая, 3 – жесткая, 4 – возрастающая

Источник тока с соответствующей внешней характеристикой выбирают в зависимости от вольтамперной характеристики дуги (рис. 1).

Участки1и 2 ВАХ (рис. 1) соответствуют режимам сварки, применяемым при ручной сварке плавящимся покрытым электродом, а также неплавящимся электродом в среде защитных газов.

Механизированная сварка под флюсом соответствует2 области (рис. 1) и частично захватывает 3область (рис. 1) при использовании тонких электродных проволоки повышенной плотности тока, сварка плавящимся электродом в защитных газах соответствует3 области ВАХ (рис.1). Для питания дуги с падающей или жесткой ВАХ применяют источники питания с падающей или пологопадающей внешней характеристикой.

Для питания дуги с возрастающей ВАХ применяют источники тока с жесткой или возрастающей внешней характеристикой.

Для питания сварочной дуги применяют источники переменного тока (сварочные трансформаторы) и источник постоянного тока – сварочные генераторы с приводом от электродвигателя (сварочные преобразователи), сварочные генераторы с приводом от двигателя внутренне го сгорания (сварочные агрегаты) и полупроводниковые сварочные выпрямители.

Сварочные трансформаторы благодаря своим технико-экономическим показателям имеют преимущества по сравнению с источниками постоянного тока. Они проще в эксплуатации, долговечнее, обладают более высоким к.п.д.

Источники постоянного тока предпочтительнее в технологическом отношении: при их применении повышается устойчивость горения дуги, улучшаются условия сварки в различных пространственных положениях и др.

Основные технические показатели источников питания сварочной дуги: внешняя характеристика, напряжение холостого хода, относительная продолжительность работы (ПР) и относительная продолжительность включения (ПВ) в прерывистом режиме.

Величина ПРопределяется как отношение продолжительности рабочего периода источника питания к длительности полного цикла работы и выражается в процентах:

t_р– непрерывная работа под нагрузкой (сварка);

t_ц– длительность полного цикла (сварка + пауза).

Оптимальная величина ПРпринята 60 %.

Различие между ПР и ПВсостоит в том, что в первом случае источники питания во время паузы не отключаются от сети и при разомкнутой сварочной цепи работают на холостом ходу, а во втором случае источники полностью отключаются от сети, что имеет место при механизированной сварке.

Устойчивое горение дуги возможно при условии пересечения ее статической характеристики с внешней характеристикой источника, т.е. когда U_дуги = U_ист _.

На (рис. 3) показана крутопадающая внешняя характеристика источника питания и пересекающие ее статические характеристики сварочной дуги различной длины. Точки пересечения характеризуют устойчивое горение дуги, т.к. U_дуги = U_ист . так для сварочной дуги длиной l_д = 5 мм устойчивое горение будет обеспечено при сварочном токе I_св = 145 А и U_ист = 25 В .В случае увеличения сварочного тока до

I_св =160 А напряжение источника, как видно из графика, станет U_ист = 18 В меньше напряжения дуги, условие U_дуги = U_ист не выполняется, однако при таком токе устойчивой будет дуга длиной lд = 3 мм.

Из (рис.3) видно, что диапазон регулирования устойчивого режима сварки (тока

и напряжения) для изменения длины дуги от 7 до 1 мм составляет для I_св = 130…170А, для напряжения U = 33…8 В.

Другим показателем работы источника сварочного тока является продолжительность работы (ПР) или продолжительность включения (ПВ). Эти величины характеризуют повторно-кратковременный режим работы, на который рассчитаны источники

Рис.3 Вольтамперные характеристики сварочной дуги

Электрическая сварочная дуга при сварке покрытыми электродами является видом нагрузки, который отличается от других потребителей электроэнергии:

Ø для зажигания дуги нужно напряжение, значительно выше, чем для поддержания ее горения;

Ø дуга горит с перерывами, во время которых электрическая цепь или разрывается, или происходит короткое замыкание;

Ø во время горения дуги с изменением ее длины l_д(в пределах 0. 20 мм ) изменяется сопротивление, что приводит к изменению напряжения U_д (в пределах 20. 40 В) и силы сварочного тока I_св;

Ø при коротком замыкании (в моменты зажигания дуги и перехода капли расплавленного металла на изделие) напряжение между электродом и изделием падает до нуля.

Эти особенности дуги обусловливают такие требования к источникам питания (для ручной дуговой сварки):

1. Напряжение холостого хода должно быть в два-три раза выше напряжения дуги. Это необходимо для легкого зажигания дуги, в то же время оно должно быть безопасным для сварщика при условии выполнения им необходимых правил. Госстандарт устанавливает максимальное напряжение холостого хода U_х.хне более 80В – для источников питания переменного тока и 90 В – для и.п. постоянного тока.

2. Необходимо, чтобы сила тока при коротком замыкании I_кз была ограничена. Нормальный процесс дуговой сварки обеспечивается, если

I_кз / I_св = 1,1. 1,5 (в некоторых случаях – 2)

3. Изменения напряжения дуги, происходящих в результате изменения ее длины, не должны вызывать существенного изменения силы сварочного тока, а следовательно, изменения теплового режима сварки (необходимо, чтобы источник питания имел специальную форму внешней характеристики).

4. Время восстановления напряжения от 0 до 25 Впосле короткого замыкания не должно превышать 0,05 с, что обеспечивает устойчивость дуги.

5. Необходимо, чтобы источник питания имел устройство для регулирования силы сварочного тока. Пределы регулирования тока должны быть 30 . 130% от номинального сварочного тока. Это необходимо для того, чтобы от одного источника питания можно было сваривать электродами различных диаметров. Всем указанным требованиям отвечают источники питания с крутопадающей внешней вольтамперной характеристикой (ВВАХ).

Внешняя характеристика источника питания

Источник тока с соответствующей внешней характеристикой выбирают в зависимости от вольтамперной характеристики дуги (рис. 1).

ПР = (t_р / t_ц) 100, где

Оптимальная величина ПРпринята 60 %.

Рис.3 Вольтамперные характеристики сварочной дуги

1. Напряжение холостого хода должно быть в два-три раза выше напряжения дуги. Это необходимо для легкого зажигания дуги, в то же время оно должно быть безопасным для сварщика при условии выполнения им необходимых правил. Госстандарт устанавливает максимальное напряжение холостого хода U_х.хне более 80В - для источников питания переменного тока и 90 В – для и.п. постоянного тока.

I_кз / I_св = 1,1. 1,5 (в некоторых случаях - 2)

Характеристики сварочной дуги

– независимые, т.е. источник их энергии - двигатель внутреннего сгорания.

г) по количеству обслуживаемых постов:

д) по применению:

В промышленности наиболее широко применяются источники переменного тока, к которым относятся сварочные трансформаторы и преобразователи повышенной частоты. Остальную часть источников сварочного тока составляют генераторы постоянного тока и выпрямители.

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

К специализированным относятся источники, предназначенные для сварки лёгких металлов и их сплавов, тонкой и особо тонкой стали всех марок, а также для особо качественных соединений.

1.2. Основные требования к источникам питания
ручной дуговой сварки

Электрическая сварочная дуга представляет собой такой вид нагрузки, который отличается от других потребителей электроэнергии тем, что для зажигания дуги требуется напряжение значительно выше, чем для поддерживания её горения; дуга горит с перерывами, во время которых электрическая цепь либо разрывается, либо происходит короткое замыкание. Во время горения дуги напряжение её меняется с изменением длины дуги, следовательно, меняется и сила сварочного тока. При коротком замыкании (в момент зажигания дуги и перехода капли расплавленного металла на изделие) напряжение между электродом и изделием падает до нуля.

Эти особенности дуги обусловливают следующие требования, предъявляемые к источникам питания для ручной дуговой сварки.

1. Напряжение холостого хода должно быть в 2-3 раза выше напряжения дуги. Это необходимо для лёгкого зажигания дуги, в то же время оно должно быть безопасным для сварщика при условии выполнения им необходимых правил. Напряжение холостого хода обычно равно 50-70 В. ГОСТ 12.3.003-86 устанавливает максимальное напряжение холостого хода не более 80 В для источников питания переменного тока и 90 В– для постоянного тока.

2. Сила тока при коротком замыкании должна быть ограничена. Нормальный процесс дуговой сварки обеспечивается, если:

где I_кз– сила тока короткого замыкания; I_св – сила сварочного тока.

В некоторых случаях это отношение может достигать 2.

3. Изменение напряжения дуги, происходящее вследствие изменения её длины, не должно вызывать существенного изменения силы вторичного тока, а следовательно, изменения теплового режима сварки.

4. Время восстановления напряжения от 0 до 25 В после короткого замыкания не должно превышать 0,05 с, что обеспечивает устойчивость дуги.

5. Источник питания должен иметь устройство для регулирования силы сварочного тока. Пределы регулирования силы сварочного тока должны быть (приблизительно) от 30 до 130 % к номинальному сварочному току. Это необходимо для того, чтобы от одного источника питания производить сварку электродами разных диаметров.

Требования к источникам, предназначенным для питания других видов дуговой сварки, отличаются от приведённых. Например, в источниках питания для полуавтоматической сварки в защитном газе напряжение холостого хода должно практически равняться напряжению дуги.

Характеристики сварочной дуги

Зависимость между напряжением и силой тока при постоянной длине горящей дуги принято называть статической вольт-амперной характеристикой.

Известны статические вольт-амперные характеристики (ВАХ) сварочных дуг трёх типов:

1. Падающая– с ростом сварочного тока I Ugуменьшается (рис.15, а).

2. Жёсткая– с ростом I Ugпрактически не изменяется (рис.15, б).

3. Возрастающая – рост I вызывает увеличение Ug (рис.15, в).

Рис.15. Вольт-амперные характеристики дуги:
а –падающая; б – жёсткая; в – возрастающая

Падающие ВАХ имеют свободные малоамперные дуги, горящие в атмосфере воздуха и в среде аргона при токах от нескольких до 70-80 А. Причиной снижения напряжения на дуге является уменьшение длины столба дуги U_ст. С ростом тока более интенсивно протекает ионизация газа столба дуги, проводимость столба дуги увеличивается, а площадь поперечного сечения столба дуги возрастает. Разности потенциалов в катодных и анодных областях практически не зависят от величины тока, а зависят только от физических условий, в которых существует дуга.

Жёсткую ВАХ имеют сварочные дуги с токами 80 А и выше при ручной дуговой и механизированной сварке под флюсом. С ростом сварочного тока увеличивается площадь столба дуги, в результате чего проводимость разрядного промежутка практически не изменяется. Увеличение тока с одновременным увеличением площади сечения столба дуги приводит к тому, что площадь плотности тока в столбе дуги и напряжённость электрического поля остаются постоянными.

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 ВАХ дуги, горящей под флюсом, становится пологовозрастающей. На рис.15, б такая характеристика показана пунктиром.

И, наконец, когда требуемое для повышения силы тока количество заряженных частиц не может быть получено за счёт расширения столба (активное пятно занимает всю площадь электродной проволоки) и для увеличения их количества требуется повышенное напряжение, получается возрастающая ВАХ дуги.

Обычно падающая характеристика дуги наблюдается при сварке, если применяется плотность тока на электроде менее
10 А/мм 2 , жёсткая – 10-50 А/мм 2 , возрастающая – 50-200 А/мм 2 .

Внешней ВАХ источника питания дуги называется зависимость напряжения на зажимах источника от величины сварочного тока.

Источники питания дуги могут иметь следующие виды внешних характеристик (рис. 16):

Крутопадающая характеристика применяется для ручной дуговой сварки покрытыми электродами, пологопадающая – полуавтоматической и автоматической сварки плавящимися электродами с постоянной скоростью подачи сварочной проволоки в зону дуги.

Рис. 16. Виды внешних ВАХ источников питания дуги

Устойчивое горение дуги при сварке возможно при условии пересечения статической характеристики дуги с внешней характеристикой источника (U_дуги= U_ист) в рабочей точке.

На рис. 17 показаны крутопадающая внешняя характеристика источника питания и пересекающиеся с ней три вольт-амперные характеристики дуги различных длин L₁, L₂, L₃. Рабочая точка А соответствует месту пересечения внешней характеристики источника с характеристикой дуги.

Рис. 17. Пересечение крутопадающей внешней характеристики с характеристиками дуг длиной L₁, L₂, L₃ (L₁  L₂ L₃)

Во время горения дуги и переноса электродного металла на изделие длина дуги изменяется, вольт-амперная характеристика дуги меняет своё положение в интервале от В до С, вследствие чего будет изменяться значение напряжения и сварочного тока. Устойчивое горение дуги будет тогда, когда при случайном отключении от установившегося состояния (точка А) режим сварки быстро восстанавливается. Например, при случайном уменьшении длины дуги (точка С) ток возрастает до I₃, электрод быстро оплавляется и восстанавливается прежняя длина дуги. Обратный процесс произойдёт при увеличении длины дуги (точка В).

Внешние характеристики источника тока называются статическими. Это означает, что они определяют конечное значение тока, измеренное при определённом напряжении, и не отражают закон изменения тока и напряжения в переходный период.

Почему двоичная система счисления так распространена?: Каждая цифра должна быть как-то представлена на физическом носителе.

Как вы ведете себя при стрессе?: Вы можете самостоятельно управлять стрессом! Каждый из нас имеет право и возможность уменьшить его воздействие на нас.

Модели организации как закрытой, открытой, частично открытой системы: Закрытая система имеет жесткие фиксированные границы, ее действия относительно независимы.

Как выбрать специалиста по управлению гостиницей: Понятно, что управление гостиницей невозможно без специальных знаний. Соответственно, важна квалификация.

Оборудование для дуговой сварки

Ручная дуговая сварка, источником теплоты которой служит электрическая дуга, занимает одно из ведущих мест среди различных видов сварки плавлением. Электрическая дуга, возникающая за счет дугового разряда между электродом и свариваемым металлом, возникает и поддерживается источником постоянного или переменного тока. Под действием теплоты, полученной при помощи электрической дуги, происходит плавление основного и присадочного материалов, в результате чего образуется сварочная ванна. Остывая, металл кристаллизуется, образуя прочное сварное соединение. Все операции по зажиганию дуги, поддержанию ее длины и перемещению вдоль линии шва выполняются сварщиком вручную без применения механизмов. Дуговая сварка выполняется как плавящимся, так и неплавящимся электродом.

Оборудование для дуговой сварки:

В качестве оборудования, создающего устойчивую сварочную дугу, применяют различные трансформаторы, выпрямители и генераторы. В зависимости от характера и интенсивности сварочных работ и размеров свариваемых деталей промышленность выпускает большой ассортимент оборудования с различными техническими характеристиками. Однако все они должны удовлетворять следующим требованиям:

иметь на зажимах источника тока напряжение холостого тока при разомкнутой сварочной цепи, достаточное для возбуждения и устойчивого горения сварочной дуги. При этом напряжение холостого тока должно быть безопасным, то есть не более 80 — 90В;
обеспечить ток короткого замыкания, не превышающий установленных значений, выдерживая продолжительные короткие замыкания без перегрева и повреждения возбуждающей обмотки;
иметь устройства для плавного регулирования силы сварочного тока;
обладать хорошими динамическими свойствами, обеспечивая быстрое восстановление напряжения после коротких замыканий;
обладать хорошей внешней характеристикой.

Для бытового потребления современная промышленность выпускает сварочные аппараты, отличающиеся двумя характеристиками. Первая из них — это максимальный сварочный ток, а вторая — время работы, на протяжении которого в 10 минутном рабочем цикле вырабатывается этот максимальный ток. К примеру, аппарат, рассчитанный на 140 амперный ток при 60% рабочем цикле должен обеспечить 140 ампер в течение не более 6 минут из каждых 10 минут работы. Остальные 4 минуты цикла отведены на режим холостого тока, при котором аппарат остывает.

Характеристики сварочного оборудования

Внешняя характеристика сварочного тока выражает зависимость между напряжением на зажимах выходных клемм и током в сварочной цепи (рис.1). Различают четыре вида внешних характеристик (крутопадающая I, пологопадающая 2, жесткая 3 и возрастающая 4) выбор которых зависит от вольт-амперной характеристики сварочной дуги. Под вольт-амперной характеристикой (ВАХ) (рис.2) понимают зависимость напряжения дуги от силы сварочного тока.

Рис. 1. Внешние характеристики источников питания для дуговой сварки

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика дуги — А; зависимость напряжения дуги ( Uд ) от длины (Ld ) — Б

Вольт-амперная характеристика сварочного аппарата отличается от вольт-амперной характеристики любого другого источника питания своей нелинейной зависимостью. Это объясняется тем, что количество заряженных частиц в дуговом разряде не является величиной постоянной и зависит от степени ионизации, то есгь от силы тока, и говорит о том, что электрическая дуга в газах не подчиняется закону Ома. Из приведенного рисунка видно, что при малых токах (до 100 А) количество заряженных частиц в дуге интенсивно растет, а ее сопротивление при этом падает (падающая зона ВАХ I). Это объясняется ростом эмиссии катода при его разогреве. При возрастании силы тока дуга начинает сжиматься, рост заряженных частиц прекращается, а объем газа, участвующий в переносе заряженных частиц, сжимается (жесткая зона ВАХ II). Дальнейший рост вольт-амперной характеристики возможен только при увеличении расходуемой внутри дуги энергии (возрастающая зона ВАХ III).

Сварочные аппараты ручной дуговой сварки плавящимися электродами с защитным покрытием обычно эксплуатируются на ниспадающем и жестком участках ВАХ (зоны I и II). Для питания такой дуги применяют источники питания с крутопадающей и пологопадающей внешней характеристикой, так как отклонения тока при изменении дуги у этих аппаратов обычно незначительны. Это особенно важно при сварке в труднодоступных местах, когда сварщику приходится подбирать длину дуги.

Механизация процессов при сварке под флюсом или плавящимся электродом в защитных газах позволяет выполнять саморегулирование дуги при ее случайных отклонениях. Это достигается изменением скорости плавления электрода, то есть при уменьшении дуги автоматически повышается ток, и скорость плавления электрода увеличивается. Для такой сварки предпочтительнее источники питания с возрастающей ВАХ и возрастающей или жесткой внешней характеристикой.

Сварочные трансформаторы предназначены для создания устойчивой электрической дуги, поэтому они должны иметь требуемую внешнюю характеристику. Как правило, это падающая характеристика, так как сварочные трансформаторы используются для ручной дуговой сварки и сварки под флюсом.

Промышленный переменный ток на территории России имеет частоту 50 периодов в секунду (50 Гц). Сварочные трансформаторы служат для преобразования высокого напряжения электрической сети (220 или 380 В) в низкое напряжение вторичной электрической цепи до требуемого для сварки уровня, определяемого условиями для возбуждения и стабильного горения сварочной дуги. Вторичное напряжение сварочного трансформатора при холостом ходе (без нагрузки в сварочной цепи) составляет 60—75 В. При сварке на малых токах (60—100 А) для устойчивого горения дуги желательно иметь напряжение холостого хода 70 — 80 В.

Трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием. На рис. 1 приводится принципиальная схема трансформатора с отдельным дросселем. Комплект источников питания состоит из понижающего трансформатора и дросселя (регулятора реактивной катушки).

Рис. 1. Принципиальная схема трансформатора с отдельным дросселем (сварочный ток регулируется изменением воздушного зазора)

Понижающий трансформатор, основой которого является магнитопровод 3 (сердечник), изготовлен из большого количества тонких пластин (толщиной 0,5 мм) трансформаторной стали, стянутых между собой шпильками. На магнитопроводе 3 имеются первичная 1 и вторичная 2 (понижающая) обмотки из медного или алюминиевого провода.

Дроссель состоит из магнитопровода 4, набранного из листов трансформаторной стали, на котором расположены витки медного или алюминиевого провода 5, рассчитанного на прохождение сварочного тока максимальной величины. На магнитопроводе 4 имеется подвижная часть б, которую можно перемещать с помощью винта, вращаемого рукояткой 7.

Первичная обмотка 1 трансформатора подключается в сеть переменного тока напряжением 220 или 380 В. Переменный ток высокого напряжения, проходя по обмотке 1, создаст действующее вдоль магнитопровода переменное магнитное поле, под действием которого во вторичной обмотке 2 индуктируется переменный ток низкого напряжения. Обмотку дросселя 5 включают в сварочную цепь последовательно со вторичной обмоткой трансформатора.

Величину сварочного тока регулируют путем изменения воздушного зазора а между подвижной и неподвижной частями магнитопровода 4 (рис. 1). При увеличении воздушного зазора а магнитное сопротивление магнитопровода увеличивается, магнитный поток соответственно уменьшается, а следовательно, уменьшается индуктивное сопротивление катушки и увеличивается сварочный ток. При полном отсутствии воздушного зазора а дроссель можно рассматривать как катушку на железном сердечнике; в этом случае величина тока будет минимальной. Следовательно, для получения большей величины тока воздушный зазор нужно увеличить (рукоятку на дросселе вращать по часовой стрелке), а для получения меньшей величины тока — зазор уменьшить (рукоятку вращать против часовой стрелки). Регулирование сварочного тока рассмотренным способом позволяет настраивать режим сварки плавно и с достаточной точностью.

Современные сварочные трансформаторы типа ТД, ТС, ТСК, СТШ и другие выпускаются в однокорпусном исполнении.

Рис. 2. Принципиальная электрическая и конструктивная схема трансформатора типа СТН в однокорпусном исполнении (а) и его магнитная схема (б). 1 — первичная обмотка; 2 — вторичная обмотка; 3 — реактивная обмотка; 4 — подвижной пакет магнитопровода; 5 — винтовой механизм с рукояткой; 6 — магнитопровод регулятора; 7 — магнитопровод трансформатора; 8 — электродержатель; 9 — свариваемое изделие

В 1924 г. академиком В. П. Никитиным была предложена система сварочных трансформаторов типа СТН, состоящих из трансформатора и встроенного дросселя. Принципиальная электрическая и конструктивная схема трансформаторов типа СТН в однокорпусном исполнении, а также магнитная система показаны на рис. 2. Сердечник такого трансформатора, изготовленный из тонколистовой трансформаторной стали, состоит из двух, связанных общим ярмом сердечников,— основного и вспомогательного. Обмотки трансформатора изготовлены в виде двух катушек, каждая из которых состоит из двух слоев первичной обмотки 1, выполненных из изолированного провода, и двух наружных слоев вторичной обмотки 2, выполненных из неизолированной шинной меди. Катушки дросселя пропитаны теплостойким лаком и имеют асбестовые прокладки.

Обмотки трансформаторов типа СТН изготовляют из медного или алюминиевого проводов с выводами, армированными медью. Величину сварочного тока регулируют с помощью подвижного пакета магнитопровода 4, путем изменения воздушного зазора а винтовым механизмом с рукояткой 5. Увеличение воздушного зазора при вращении рукоятки 5 по часовой стрелке вызывает, как и в трансформаторах типа СТЭ с отдельным дросселем, уменьшение магнитного потока в магнитопроводе 6 и увеличение сварочного тока. При уменьшении воздушного зазора повышается индуктивное сопротивление реактивной обмотки дросселя, а величина сварочного тока уменьшается.

ВНИИЭСО разработаны трансформаторы этой системы СТН-500-П и СТН-700-И с алюминиевыми обмотками. Кроме того, на базе этих трансформаторов разработаны трансформаторы ТСОК-500 и ТСОК-700 со встроенными конденсаторами, подключенными к первичной обмотке трансформатора. Конденсаторы компенсируют реактивную мощность и обеспечивают повышение коэффициента мощности сварочного трансформатора до 0,87.

Однокорпусные трансформаторы СТН более компактны, масса их меньше, чем у трансформаторов типа СТЭ с отдельным дросселем, а мощность одинакова.

Трансформаторы с подвижными обмотками с увеличенным магнитным рассеянием. Трансформаторы с подвижными обмотками (к ним относятся сварочные трансформаторы типа ТС, ТСК и ТД) получили в настоящее время широкое применение при ручной дуговой сварке. Они имеют повышенную индуктивность рассеяния и выполняются однофазными, стержневого типа, в однокорпусном исполнении.

Катушки первичной обмотки такого трансформатора неподвижные и закреплены у нижнего ярма, катушки вторичной обмотки подвижные. Величину сварочного тока регулируют изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками. Наибольшая величина сварочного тока достигается при сближении катушек, наименьшая — при удалении. С ходовым винтом 5 связан указатель примерной величины сварочного тока. Точность показаний шкалы составляет 7,5 % от значения максимального тока. Отклонения величины тока зависят от подводимого напряжения и длины сварочной дуги. Для более точного замера сварочного тока должен применяться амперметр.

Рис. 3. Сварочные трансформаторы: а — конструктивная схема трансформатора ТСК-500; б — электрическая схема трансформатора ТСК-500: 1 — сетевые зажимы для проводов; 2 — сердечник (магнитопровод); 3 — рукоятка регулирования тока; 4 — зажимы для подсоединения сварочных проводов; 5 — ходовой винт; 6 — катушка вторичной обмотки; 7 — катушка первичной обмотки; 8 — компенсирующий конденсатор; в — параллельное; г — последовательное соединение обмоток трансформатора ТД-500; ОП — первичная обмотка; ОВ — вторичная обмотка; ПД — переключатель диапазона токов; С — защитный фильтр от радиопомех.

Рис.4 Портативный сварочный аппарат

На рис. 3-а,б показаны принципиальная электрическая и конструктивная схемы трансформатора ТСК-500. При повороте рукоятки 3 трансформатора по часовой стрелке катушки обмоток 6 и 7 сближаются, вследствие чего магнитное рассеяние и вызываемое им индуктивное сопротивление обмоток уменьшаются, а величина сварочного тока увеличивается. При повороте рукоятки против часовой стрелки катушки вторичной обмотки удаляются от катушек первичной обмотки, магнитное рассеяние увеличивается и величина сварочного тока уменьшается.

Трансформаторы снабжены емкостными фильтрами, предназначенными для снижения помех радиоприему, создаваемых при сварке. Трансформаторы типа ТСК отличаются от ТС наличием компенсирующих конденсаторов 8, обеспечивающих повышение коэффициента мощности (соs φ). На рис. 3, в показана принципиальная электрическая схема трансформатора ТД-500.

ТД-500 представляет собой понижающий трансформатор с повышенной индуктивностью рассеяния. Сварочный ток регулируют изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками. Обмотки имеют по две катушки, расположенные попарно на общих стержнях магнитопровода. Трансформатор работает на двух диапазонах: попарное параллельное соединение катушек обмоток дает диапазон больших токов, а последовательное — диапазон малых токов.

Последовательное соединение обмоток за счет отключения части витков первичной обмотки позволяет повысить напряжение холостого хода, что благоприятно отражается на горении дуги при сварке на малых токах.

При сближении обмоток уменьшается индуктивность рассеяния, что приводит к увеличению сварочного тока; при . увеличении расстояния между обмотками увеличивается индуктивность рассеяния, а ток соответственно уменьшается. Трансформатор ТД-500 имеет однокорпусное исполнение с естественной вентиляцией, дает падающие внешние характеристики и изготавливается только на одно напряжение сети — 220 или 380 В.

Трансформатор ТД-500 ~ однофазный стержневого типа состоит из следующих основных узлов: магнитопровода — сердечника, обмоток (первичной и вторичной), регулятора тока, переключателя диапазонов токов, токоуказательного механизма и кожуха.

Алюминиевые обмотки имеют по две катушки, расположенные попарно на общих стержнях магнитопровода. Катушки первичной обмотки неподвижно закреплены у нижнего ярма, а вторичной обмотки — подвижные. Переключение диапазонов тока производят переключателем барабанного типа, рукоятка которого выведена на крышку трансформатора. Величину отсчета тока производят по шкале, отградуированной соответственно на два диапазона токов при номинальном напряжении питающей сети.

Емкостной фильтр, состоящий из двух конденсаторов, служит для снижения помех радиоприемным устройствам.

Правила техники безопасности при эксплуатации сварочных трансформаторов. В процессе работы электросварщик постоянно обращается с электрическим током, поэтому все токоведущие части сварочной цепи должны быть надежно изолированы. Ток величиной 0,1 А и выше опасен для жизни и может привести к трагическому исходу. Опасность поражения электрическим током зависит от многих факторов и в первую очередь от сопротивления цепи, состояния организма человека, влажности и температуры окружающей атмосферы, напряжения между точками соприкосновения и от материала пола, на котором стоит человек.

Сварщик должен помнить, что первичная обмотка трансформатора соединена с силовой сетью высокого напряжения, поэтому в случае пробоя изоляции это напряжение может быть и во вторичной цепи трансформатора, т. е. на электрододержателе.

Напряжение считается безопасным: в сухих помещениях до 36 В и в сырых до 12 В.

При сварке в закрытых сосудах, где повышается опасность поражения электрическим током, необходимо применять ограничители холостого хода трансформатора, специальную обувь, резиновые подстилки; сварка в таких случаях ведется под непрерывным контролем специального дежурного. Для снижения напряжения холостого хода существуют различные специальные устройства — ограничители холостого хода.

Сварочные трансформаторы промышленного использования, как правило, подключают к трехфазной сети 380 В, что в бытовых условиях не всегда удобно. Как правило, подключение индивидуального участка к трехфазной сети хлопотно и дорого, и без особой нужды это не делают. Для таких потребителей промышленность выпускает сварочные трансформаторы, рассчитанные на работу от однофазной сети с напряжением 220 — 240 В. Пример такого портативного сварочного аппарата приведен на рис.4. Этот аппарат, обеспечивающий разогрев дуги до 4000°С, уменьшает обычное сетевое напряжение, одновременно повышая сварочный ток. Ток в установленном диапазоне регулируется с помощью ручки, смонтированной на передней панели аппарата. В комплект аппарата входит сетевой кабель и два сварочных провода, один из которых соединен с электрододержателем, а второй - с заземляющим зажимом.

Обычно для домашних работ вполне подходят аппараты, вырабатывающие сварочный ток в 140 ампер при 20-процентном рабочем цикле. При выборе аппарата следует обращать внимание на то, чтобы регулировка сварочного тока была плавной.

Читайте также: