51.1.1. Зварювальна дуга

Зварювальною дугою називають потужний і стабільний електричний розряд у середовищі іонізованих газів та випарів металу, який супроводжується інтенсивним виділенням тепло­ти і світла. Повітря у звичайних умовах складається з нейтра­льних молекул, тому воно не є провідником електричного стру­му. Щоб молекули повітря дугового проміжку стали провідни­ком струму, їх необхідно іонізувати. З цією метою електрод на короткий час дотикають до заготовки, після цього віддалять його на відстань довжини дуги. Під час дотику між торцем еле­ктрода й заготовкою відбувається коротке замикання, внаслі­док чого метал контактних поверхонь швидко нагрівається до високої температури. Після відриву електрода з нагрітого катода під дією електричного поля починається електронна емісія. Емі­сія електронів з катода відбувається під впливом двох факторів —

високої температури (термоелектронна емісія) і напруженості електричного поля (автоелектронна емісія). Електрони 2 (рис. 5.1.3), зіштовхуючись з молекулами повітря 4 й випара­ми металу, іонізують їх. Позитивно заряджені іони 7 з великою швидкістю рухаються до катода 6, а електрони й негативно заря­джені іони — до анода 8. Під час зіткнення з електродом і заго­товкою кінетична енергія заряджених частинок перетворюєть­ся у теплову. Температура в центрі стовпа дуги найбільша і становить 6000... 7000 °С. Напруга, необхідна для запалювання дуги, у випадку постійного струму повинна перевищувати ЗО...35 В, а у випадку змінного струму — 50...55 В. У режимі стійкого горіння напруга спадає до 18...ЗО В.

Напруга дуги залежить від складу газів, у яких горить дуга, довжини дуги, сили струму, матеріалу електрода та виробу. Електричні властивості дуги описуються її вольт-амперною ха­рактеристикою, тобто залежністю між напругою та струмом дуги. Ця залежність при незмінній довжині дуги складається із трьох ділянок (рис. 5.1.4):

2 3 і а

10 10 10 •^м

Рис. 5.1.4. Статична вольт-амперна характеристика дуги

(діаметр електрода і довжина дуги постійні): / — спадна, //, III — жорстка і зростальна ділянки відповідно

• спадної І;

• жорсткої (горизонтальної) II;

• крутої (зростальної) III.

На ділянці /, де струм невеликий, дуговий проміжок недо­статньо іонізований і тому для горіння дуги потрібна підвище­на напруга. Тут дуга нестабільна. Зі збільшенням сили струму до 80 А поступово зростає ступінь іонізації, а разом з ним — провідність дугового проміжку, що спричинює різке зменшен­ня напруги. На ділянці // з ростом сили струму збільшується площа перерізу стовпа дуги, через що густина струму й напруга залишаються незмінними. На ділянці /// зростання сили стру­му вже не зумовлює збільшення площі перерізу дуги, внаслі­док чого густина струму зростає і водночас зростає напруга дуги. Ручне електродугове зварювання провадять у межах /і" ділян­ки, рідше / ділянки вольт-амперної характеристики.

Збільшення довжини дуги зумовлює зміщення вольт-ампер­ної характеристики вгору, а зменшення довжини дуги — змі­щення цього графіка вниз.

5.1.1.2. ДЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ ЗВАРЮВАЛЬНОЇ ДУГИ

Особливістю електродугового зварювання є короткі замикан­ня і коливання довжини дуги. Короткі замикання відбувають­ся і під час запалювання дуги, і під час перенесення металу із електрода на виріб у вигляді крапель (30...40 крапель/с). На­пруга дуги в момент короткого замикання спадає майже до нуля, а значення струму дуже зростає. Для обмеження струму корот­кого замикання необхідно, щоб джерело живлення мало спадну зовнішню характеристику.

Зовнішньою характеристикою джерела живлення зварю­вальної дуги називають залежність між напругою U і силою струму / на вихідних його затискачах. Рис. 5.1.5 (лінія 2) свід­чить, що зі зниженням напруги величина сили струму зростає, але обмежено. Дуга й джерело її живлення утворюють єдину систему. Тому зовнішня характеристика (лінія 1) і вольтамперна характеристика (лінія 2) мають спільні точки В і С, що є умовою енергетичної рівноваги системи. Точка В відповідає за­палюванню дуги, а точка С — стійкому її горінню. Координати точки С (U_a, I₃) характеризують режим зварювання. Під час короткого замикання напруга дуги спадає майже до нуля (точ­ка D), а сила струму короткого замикання мало перевищує силу робочого струму І₃. Що крутіша зовнішня характеристика, то менші коливання значень зварювального стуму, зумовлені змі­ною довжини дуги під час ручного зварювання.

Для дугового зварювання використовують постійний та змін­ний струм.

Джерелами постійного струму є зварювальні генератори та випрямлячі, а джерелами змінного струму — зварювальні трансформатори. Максимальна напруга джерела живлення ко­ливається в межах 60...80 В і не повинна перевищувати 80 В в

умовах безпечної роботи.

Зварювальні генератори є спеціальними зварювальними машинами постійного струму, якір яких приводиться в обер­тання електродвигуном змінного струму або двигуном внутріш­нього згорання. На рис. 5.1.6 зображена схема генератора з не­залежним збудженням. Він має дві обмотки — намагнічувальну 4, яка створює основний магнітний потік Ф„ і розмагнічува­льну 7, через яку пробігає зварювальний струм. Магнітний по­тік розмагнічувальної обмотки Ф_Р скерований протилежно до основного потоку. Намагнічувальний потік не залежить від зва­рювального струму, а розмагнічувальний потік залежить. Зі збільшенням зварювального струму зростає потік Ф_р і зменшу­ється загальний потік, створюваний магнітною системою гене­ратора. Цим обмежується струм короткого замикання і створю­ється спадна зовнішня характеристика зварювального генера­тора. Зварювальний струм знімається з основних щіток 2 і 6. Його регулюють ступеневим вмиканням відповідної кількості секцій в розмагнічувальній обмотці за допомогою клем 8 або плавно реостатом 5, який ввімкнутий в електричне коло намагнічувальної обмотки. Зі зменшенням опору R реостата струм в намагнічувальній обмотці і потік Ф_н зростають, а разом з ними зростає зварювальний струм. Щоб зменшити зварювальний струм, необхідно збільшити опір реостата. Ввімкнувши в елек­тричне коло всю розмагнічувальну обмотку, збільшують магні­тний потік Ф_р і зменшують зварювальний струм. На рисунку ввімкнута лише частина витків розмагнічувальної обмотки.

Величина зварювального струму, який індукується в обмотці якоря 1 генератора, залежить від сумарного магнітного потоку. Зварювальні випрямлячі належать до джерел постійного, а точніше пульсувального струму. Випрямляч, схема якого зо­бражена на рис. 5.1.7, має знижувальний трифазний трансфор­матор 1, випрямний блок 2 і дросель 3.

385

Випрямний блок живиться від знижувального трансформа­тора. Блок зібраний зі селенових або кремнієвих напівпровід­никових елементів — вентилів, які пропускають струм лише в одному напрямку, а в протилежному напрямку — практично не пропускають. Тут випрямляються обидва півперіоди трифаз­ного змінного струму, у зв'язку з чим його пульсація максима­льно згладжується.

Дросель створює спадну зовнішню характеристику й регу­лює значення зварювального струму. Якщо замість звичайного використати знижувальний трансформатор зі збільшеним маг­нітним розсіюванням та рухомими обмотками, то дросель не потрібен.

Зварювальні випрямлячі забезпечують високу стабільність горіння дуги, особливо на малих струмах, мають високий ККД, а через відсутність обертальних частин вони прості й надійні в роботі. Недоліком випрямлячів є необхідність інтенсивного охо­лодження напівпровідникових елементів за допомогою венти­лятора.

Зварювальні трансформатори прості за конструкцією, де­шеві й надійні джерела живлення зварювальної дуги змінним струмом. Більшість з них однофазні зі спадною зовнішньою характеристикою. Зварювальні трансформатори поділяють на такі основні групи:

• трансформатори з окремим дроселем;

• трансформатори зі збільшеним магнітним розсіюванням і рухомою обмоткою.

Найпростіші за конструкцією є однофазні зварювальні транс­форматори з окремим дроселем. Такий зварювальний апарат складається зі знижувального трансформатора А (рис. 5.1.8) і дро­селя Б. Первинна обмотка 9 трансформатора під'єднується до силової мережі напругою 220 або 380 В. Напруга вторинної об­мотки 8 не повинна перевищувати 80 В.

Дросель служить для створення спадної зовнішньої харак­теристики та регулювання значення зварювального струму. Осердя дроселя має дві частини — нерухому 2 та рухому 4. На нерухомій частині намотані витки обмотки 3, ввімкнуті послідов­но з вторинною обмоткою у зварювальне коло. Коротке замикан­ня зумовлює в обмотці дроселя струм самоіндукції, спрямований

Рис. 5.1.8. Схема однофазного зварювального трансформатора

з окремим дроселем:

А — трансформатор; Б — дросель: 1 — осердя; 2 — нерухома, 4 — рухома

частини дроселя; З — обмотка дроселя; .5 — електрод; 6,7— заготовка;

8 — вторинна, 9 — первинна обмотки трансформатора;

а — заяор між 2 і 4 рухомою частиною дроселя

протилежно струмові короткого замикання, внаслідок чого остан­ній обмежується. Збільшуючи зазор а між нерухомою й рухо­мою частинами осердя, зменшують індуктивний опір котушки. Від цього збільшується сила зварювального струму і зменшу­ється крутість зовнішньої характеристики. Щоб зменшити силу зварювального струму, необхідно зменшити зазор а між части­нами осердя. В цьому випадку крутість зовнішньої характерис­тики зростає.

Однофазний трансформатор з окремим дроселем застосову­ють у ручному зварюванні покритим електродом, аргоннодуговому зварюванні та механізованому зварюванні під флюсом.

Зварювальний трансформатор зі збільшеним магнітним розсіюванням і рухомою обмоткою складається з феромагніт­ного осердя / (магнітопроводу) та двох обмоток — первинної 2 (рис. 5.1.9) нерухомої і вторинної 3 рухомої. Ці обмотки розсу­нуті, їх індуктивний опір підвищений, внаслідок наявності маг­нітних потоків розсіювання, що замикаються через повітря. Змінюючи відстань І між обмотками, регулюють індуктивний опір, а разом з ним — зварювальний струм. Зі збільшенням відстані І збільшуються потоки розсіювання, що приводить до підвищення індуктивного опору і зменшення зварювального струму. Зближуючи обмотки, підсилюють взаємодію протиле-

Рис. 5.1.9. Схема зварювального трансформатора зі збільшеним магнітним розсіюванням і рухомою обмоткою:

/ — осердя; 2 — первинна, З — вторинна обмотки; 4 — електрод; 5, в — заготовка; / — відстапь між обмотками

жно спрямованих потоків розсіювання, від чого зменшується індуктивний опір вторинної обмотки і зварювальний струм зро­стає.

Потоки розсіювання індукують ЕРС самоіндукції, скерова­ну протилежно до основної напруги. Раптове збільшення зва­рювального струму зумовлює зростання потоків розсіювання, внаслідок чого зростає індуктивний опір, який обмежує струм короткого замикання. Так створюється спадна зовнішня харак­теристика цього трансформатора.