§ 11.1. Електричне зварювання

Електричним зварюванням називається технологічний процес отримання нероз'ємних з'єднань безпосереднім встановленням міжатомних зв'язків між з'єднувальними частинами при їхньому нагріванні та розплавленні або пластичному деформуванні.

Основні види зварювання. Найпоширенішими видами зварю­вання з використанням електричної енергії є дугове й контактне.

Дугове зварювання здійснюється плавленням основного й при­садного металу електричною дугою, яка горить між електродом і зварним металом. Розплавлений основний і присадний метали (електрод, дріт, стрічка) утворюють зварювальну ванну, яка, кристалізуючись, формує зварювальний шов.

Контактне зварювання складається з розігрівання та розплавлення місця з'єднання теплотою, яка виділяється під час про­ходження електричного струму через контактуючі місця зварю­вальних деталей. Для утворення зварювального з'єднання у роз­плавленому місці прикладають стискуючі зусилля.

Крім електродугового і контактного зварювання, використо­вують також електрошлакове, плазмове, електронно-променеве, лазерне.

Електрошлакове зварювання здійснюють при плавленні зварного і присадного металу теплотою, яка виділяється під час проход­ження електричного струму через розплавлений шлак.

На початку процесу виникає електрична дуга, що розплавляє невелику кількість флюсу, шунтується, після чого припиняється горіння дуги і починається проходження струму крізь розплав­лений шлак.

Плазмове зварювання здійснюють при пропусканні електричного струму великої щільності крізь газове середовище, яке перебуває під тиском, внаслідок чого газ іонізується, тобто переходить у плазмовий стан. Температура плазмової струмини досягає 50 000 °С.

Під час електронно-променевого зварювання використовують енергію прискорених електронів. Теплота виділяється після бом­бардування поверхні металу електронами, що призводить до розплавлення металу вузьким швом. Зварювання виконують у спе­ціальній камері.

Лазерне зварювання здійснюють за допомогою квантового ге­нератора та оптичної системи, яка служить для спрямування випромінювання на місце зварювання.

Електрична дуга. Зварювальна дуга — це тривалий електричний розряд у суміші газів і пари між електродом і зварювальним виробом, які перебувають під напругою.

Зварювальна дуга утворює концентроване джерело теплоти для розплавлення металу. Напруга дуги залежить від її довжини і

Рис. 11.1. Статична вольт-амперна характеристика зварювальної ду­га.

сили струму, діаметра електрода, складу і тиску газу. Залежність нап­руги дуги від сили зварювального струму називають статичною вольт-амперною характеристикою, тобто за­лежністю (рис. 11.1).

Дуга є нелінійним елементом елек­тричного кола, вона має три ділянки, нахил яких визначається головним чином фізичними явищами, що від­буваються в приелектродних ділянках і стовпі дуги.

У діапазоні зварювальних струмів від 0 до 80 А при збільшенні зварювального струму І_д напруга дуги U_а різко падає. Таку статичну характеристику називають падаючою.

При збільшенні зварювального струму до 800 А напруга дуги залишається незмінною. Таку характеристику називають жорсткою.

Із збільшенням струму від 800 А і більше напруга дуги також збільшується. Таку характеристику називають зростаючою.

Зварювальна дуга, яка має падаючу статичну характеристику, малостійка, бо незначна зміна струму впливає на напругу дуги! що призводить до її обриву.

Початок графіка (див. рис. 11.1) відповідає моменту запалю­вання дуги. Для іонізації міждугового проміжку і запалювання дуги необхідно мати напругу 50 — 60 В. У подальшому процес ручного дугового зварювання здійснюється на струмах 100 — 500 А і переходить на більш стійку ділянку з жорсткою статичною характеристикою дуги.

Зміна напруги дуги не залежить від величини зварювального струму, а тільки від довжини дуги. Чим довша дуга, тим вища її напруга за рахунок збільшення падіння напруги стовпа дуги.

Система джерело живлення — електрична дуга. Джерела струму для живлення зварювальної дуги повинні мати спеціальну зва­рювальну зовнішню характеристику. Зовнішньою характеристи­кою джерела живлення називається залежність між напругою і зварювальним струмом на вихідних клемах зварювального апарата.

Основні види зовнішніх характеристик (рис. 11.2): крутопа-даюча, пологопадаюча, жорстка, зростаюча.

У зварювальному колі дуга і джерело живлення утворюють взаємозв'язану систему. Стійкість роботи системи джерело жив­лення — дуга буде забезпечена за відповідних характеристик джерела і дуги. Якщо форма характеристики дуги відповідає ділянці І (див. рис. 11.1), то характеристика джерела живлення повинна бути крутопадаючою, на ділянці II — пологопадаючою або жорсткою, на ділянці III — жорсткою або трохи зростаючою.

Для ручного дугового зварювання використовують джерела живлення з крутопадаючою характеристикою, яка найбільш від­повідає вимогам даного процесу.

Рис. 11.2. Зовнішні вольт-амперн Рис. 11.3. Перехрещення крутопа-даючої

характеристики джерел живлення: зовнішньої характеристики джерела

1 — крутопадаюча; 2 — полого-падаюча; струму з характеристикою дуги:

З — жорстка; 4 — зро­стаюча. 1 — зовнішня характеристика джерела живлення;

2 — статична характеристика дуги.

Стійке горіння дуги при зварю­ванні можливе за умови перехрещен­ня статичної характеристики дуги з зовнішньою характеристикою джере­ла (рис. 11.3) в робочій точці для того, щоб напруга дуги дорівнювала напрузі джерела живлення дуги.

Система джерело живлення — дуга перебуватиме у сталому стані, який визначається точками: А₁ — точка стійкого горіння дуги і А₂ — точка запалювання дуги. Перетин зовніш­ньої характеристики з віссю ординат визначає напругу холостого ходу дже­рела живлення U_хх, а з віссю абсцис — силу струму короткого за­микання I_кз.

При дуговому зварюванні плавлячим електродом регулярно виникає коротке замикання дугового проміжку. Це відбувається при збудженні дуги і при переході краплі розплавленого металу з електроду в зварювальну ванну. Моменти короткого замикання і горіння дуги чергуються, причому тривалість кожного процесу вимірюється долями секунди. При цьому напруга і струм відрі­зняються від їхніх значень у сталому режимі, що може призвести до обривання дуги і затруднення її збудження. Тому джерела живлення повинні мати малу електромагнітну інерцію. Джерела живлення для зварювання розрізняють: за родом струму — змінного (трансформатори і генератори підвищеної частоти) і постійного (генератори, перетворювачі й випрямлячі);

за призначенням — одно- і багатопостові, універсальні та спе­ціалізовані, для ручного, напівавто­матичного та автоматичного дугового зварювання плавлячим і неплавлячим електродом у захисних, інертних газах і під флюсом;

за видом зовнішніх характерис­тик — з падаючою, жорсткою або пологозростаючою;

за способом встановлення — стаці­онарні й пересувні;

за характером приводи — джерела з електричним приводом і джерела з незалежним приводом (від двигуна внутрішнього згоряння).

Основними джерелами живлення для зварювання на змінному струмі є зварювальні трансформатори. Вони значно відрізняються від силових

трансформаторів. У силових трансформаторах вторинна напруга повинна бути постійною і не змінюватися від навантаження. Режим короткого замикання для них є аварійним, оскільки при цьому недопустимо зростає струм. Це призводить до перегрівання обмоток трансформатора і виходу його з ладу.

Зварювальні трансформатори працюють у режимі змінюючих напруг і струмів і розраховані на короткочасні короткі замикання.

Для зварювання змінним струмом широко використовують однофазні трансформатори, які розділяють силові й зварювальні кола і знижують напругу 380 або 200 В до величини, яка не перевищує 80 В.

За конструктивними особливостями зварювальні трансформа­тори поділяються на дві основні групи: з нормальним та підви­щеним магнітним розсіюванням.

Трансформатори з нормальним магнітним розсіюванням випус­кають з реактивною котушкою (дроселем), з допомогою якої регулюється режим зварювання. Реактивна котушка може вста­новлюватися окремо від трансформатора (двокорпусне виконання) і спільно з трансформатором (однокорпусне виконання) (рис. 11.4, а). Індуктивний опір дроселя змінюється регулюванням повітряного зазора в його ярмі. При збільшенні зазора зменшу­ється опір обмотки і збільшується зварювальний струм, а при зменшенні зазора збільшується опір обмотки — струм зменшу­ється.

Основний недолік трансформаторів цих типів — нестійка ро­бота на малих струмах через вібрації рухомого пакета дроселя, яка викликається значними електродинамічними зусиллями. Ці трансформатори зняті з виробництва, але промисловістю ще використовуються потужні трансформатори для автоматизованого зварювання під флюсом.

Трансформатори з підвищеним магнітним розсіюванням випус­каються з розсувними обмотками (рис. 11.4, б), з рухомим ма­гнітним шунтом (рис. 11. 4, в), з підмагнічуючим магнітним шунтом.

Рис. 11.4. Принципові схеми зварювальних трансформаторів:

а — з нормальним магнітним разсіюванням; б — із підвищеним магнітним розсіюванням; в — із магнітним шунтом.

Найпоширеніші трансформатори типу ТС-ТД з підвищеним магнітним розсіюванням. Регулювання режиму зварювання в них забезпечується внаслідок зміни потоку розсіювання між первин­ною і вторинною обмотками. При зближенні обмоток магнітний зв'язок між ними підсилюється, струм зростає, і навпаки, при віддаленні обмоток потоки розсіювання збільшуються, струм зва­рювання зменшується.

Обмотки у зварювальному трансформаторі можуть переміщу­ватися з допомогою ручного та електромеханічного приводів (можливість дистанційного регулювання режиму зварювання).

Для розширення діапазону регулювання струму у зварювальних трансформаторах передбачено перемикання котушок вторинної обмотки з послідовного з'єднання на паралельне. З'єднання ко­тушок послідовно відповідає ввімкненню трансформатора на ді­апазон малих струмів, з'єднання котушок паралельно відповідає ввімкненню трансформатора на діапазон великих струмів.

У трансформаторах з рухомим магнітним шунтом (рис. 11.4, в) магнітне розсіювання утворюється за рахунок рухомого магнітного шунта, розміщеного між стержнями трансформатора. При пере­міщенні магнітного шунта за межі магнітопроводу розсіювання зменшується, що призводить до збільшення зварювального струму. Введення шунта всередину магнітопроводу призводить до зако-рочення частини магнітного потоку, який утворює первинна обмотка, що, в свою чергу, призводить до зменшення зварю­вального струму.

У трансформаторах із нерухомим підмагнічуючим магнітним шунтом при збільшенні струму підмагнічуванням потік розсію­вання зменшується і зварювальний струм збільшується. Наявність підмагнічуючого шунта дає можливість дистанційного керування режимом зварювання.

До трансформаторів з підвищеним магнітним розсіюванням належать також спеціальні малогабаритні трансформатори із сту-пеневим регулюванням зварювального струму (рис. 11.5).

Режим роботи у трансформаторах цього типу регулюється сту-пенево, через зміну магнітного зв'язку між його обмотками. Для збільшення магнітного зв'язку між первинною і вторинною обмо­тками вимикають витки вторинної обмотки, які розміщені на другому стержні, і збільшують число витків вторинної обмотки, які розміщено на першому стержні. Це призводить до зменшення магнітного розсіювання, внаслідок чого зварювальний струм зростає.

Джерела живлення постійного струму мають ряд переваг перед джерелами живлення змінного струму. При постійному струмі немає затухань, які виникають під час зміни полярності змінного синусоїдального струму. Це сприяє високій стабільності дуги, що забезпечує високу якість зварювання.

Джерела живлення постійного струму менш відчутні до ко­ливань напруги мережі, ніж зварювальні трансформатори.

Джерела живлення постійного струму поділяють на дві основні групи: зварювальні генератори, які в комплекті з асинхронними

Рис. 11.5. Принципова схема зварювального трансформатора типу ТСП.

електродвигунами називаються зварювальними перетворювачами, та зварювальні випрямлячі — статичні перетворювачі енергії три­фазної мережі в енергію випрямленого струму, яка використо­вується для зварювання.

Зварювальні генератори постійного струму використовують для живлення одного або декількох зварювальних постів.

Для того щоб отримати необхідну вольт-амперну характерис­тику зварювального генератора, використовують різні конструк­тивні особливості та схеми з'єднання обмоток збудження гене­раторів.

Розрізняють зварювальні генератори з намагнічуючою обмот­кою незалежного збудження і розмагнічуючою послідовною об­моткою; з паралельною обмоткою самозбудження і розмагнічу­ючою послідовною обмоткою.

Зварювальні генератори з незалежним збудженням і розмаг­нічуючою обмоткою послідовного збудження (рис. 11.6, а) мають дві обмотки збудження. Обмотка незалежного збудження L_H жи­виться від стороннього джерела постійного струму й утворює намагнічуючий магнітний потік Ф_н, величини якого регулюють резистором R. Обмотка L_p ввімкнена у зварювальне коло послі­довно й утворює розмагнічуючий магнітний потік Ф_р. Отже, обидві обмотки утворюють зустрічні магнітні потоки.

При холостому ході діє один намагнічуючий потік, а при зварюванні утворюється розмагнічуючий потік. При збільшенні зварювального струму потік Ф_р буде зростати і зменшувати су­марний потік Ф_н та е.р.с. генератора. Отже, з допомогою роз­магнічуючої обмотки І_р формується падаюча вольт-амперна ха­рактеристика генератора.

Генератор має два діапазона регулювання струму. Це досяга­ється перемиканням числа витків (секціонуванням) обмотки L_p, під час якого перемикаються діапазони регулювання струмів генератора.

Плавне регулювання струму досягається опором R, який змінює струм обмотки.

Рис. 11.6. Принципові електричні схе­ми зварювальних генераторів:

а — з незалежним збудженням; б — із самозбудженням.

У зварювальному генераторі з самозбудженням (рис. 11.6, б) на­магнічуюча обмотка L_H увімкнена на основну й допоміжну щітку ге­нератора паралельно якорю. Під час зварювання в обмотці з'явля­ється електричний струм, який ут­ворює розмагнічуючий магнітний потік Ф_р. Цей потік спрямований проти основного потоку Ф_н, що призводить до зменшення е.р.с. ге­нератора і напруги на дузі. Пада­юча характеристика забезпечується спільною дією магнітних потоків

Ф_н i Ф_р-

Секціонування обмотки L_p доз­воляє використовувати генератор у двох діапазонах зварювального струму. Плавне регулювання стру­му здійснюється змінним резистором R у межах діапазонів великих і малих струмів.

Останнім часом великого поширення як джерела живлення постійного струму набули зварювальні випрямлячі. Це електричні апарати, які з допомогою напівпровідникових приладів перетво­рюють змінний струм трифазної системи у постійний.

Зварювальні випрямлячі мають значні переваги перед зварю­вальними перетворювачами. У випрямлячах відсутні обертальні частини, що підвищує їхню надійність в експлуатації. Коефіцієнт корисної дії випрямлячів значно вищий, а втрати холостого ходу значно нижчі, ніж у перетворювачів. Межі регулювання зварю­вального струму значно розширені у випрямлячах, а також збіль­шена можливість автоматизації зварювальних процесів.

Найбільшу кількість випрямлячів випускають з живленням від трифазної мережі з використанням трифазних мостових схем випрямлення і подвійних трифазних (шестифазних) схем із зрівнювальним реактором.

Зварювальний випрямляч (рис. 11.7, а), складається з трифазного трансформатора і випрямляючого блока, складеного за трифазною мостовою схемою. Основні елементи випрямляючого блока — напівпровідникові діоди і тиристори.

У шестифазній схемі із зрівнювальним реактором (рис. 11.7, б) трансформатор має шість вторинних обмоток, які утворюють дві трифазні групи. Обидві групи для вирівнювання напруги з'єдну­ються зрівнювальним реактором.

У зварювальних випрямлячах використовуються силові транс­форматори з підвищеним магнітним розсіюванням, а також із нормальним магнітним розсіюванням.

Зварювальні режими у випрямлячах регулюються різними спо­собами:

Рис. 11.7. Принципові схеми зварювальних випрямлячів:

а — трифазна мостова; б — шестифазна із зрівнювальним реактором.

з'єднанням обмоток трансформатора зірка — зірка ( / ) — діапазон малих струмів; з'єднання обмоток трансформатора три­кутник — трикутник (Δ/Δ ) — діапазон великих струмів;

перемикання числа витків первинної обмотки трансформато­рів;

увімкнення обмоток вольтододаткових трансформаторів відпо­відно або зустрічно з основним трансформатором.

Плавне регулювання всередині кожного діапазону забезпечу­ється зміною відстані між первинними і вторинними обмотками трансформатора.

Найпоширенішими джерелами живлення постійного струму є тиристорні універсальні випрямлячі. їхні зовнішні характеристики можуть бути крутопадаючими, пологопадаючими і жорсткими. Перехід з однієї характеристики на іншу здійснюється з пульта керування випрямляча.

Пристрої для полегшення запалювання дуги. Спеціальні джерела живлення зварювального струму комплектуються пристроями для полегшення запалювання і стабілізації дуги. Наприклад, при зварюванні неплавлячим (вольфрамовим) електродом недопустимі короткі замикання, які викликають швидке спрацювання елек­трода, а також негативно впливають на електрозварювальну апа­ратуру. Ці апарати забезпечують накладання струмів високої на­пруги і високої частоти на електричне зварювальне коло.

Апарати для полегшення запалювання дуги поділяються на дві основні групи: збудники неперервної дії і збудники імпуль­сного живлення.

Збудники неперервної дії — це високочастотні іскрові генера­тори, які називають осциляторами. Осцилятор (рис. 11.8) скла­дається з високовольтного трансформатора TV, коливального кон­тура, перешкодозахисного фільтра ПЗФ. Основні елементи ко-

Рис. 11.8. Електрична схема осцилятора послідовного ввімкнення.

ливального контура — конденсатор С_к, індук­тивна котушка L_K і ро­зрядник FV.

У коливальному контурі безперервно накопичується у кон­денсаторі С_к і розряд­жається через розряд­ник FV імпульс струму високої напруги. Кон­денсатор С₃ призначе­ний для захисту джере­ла живлення від струму високої напруги. Отже, осцилятор генерує імпульси високої напруги (2 — 8 кВ) і високої частоти (150 — 250 кГц).

При плаванні імпульсів високої напруги проміжок між елек­тродом і виробом пробивається іскрою, з'являються вільні елек­трони, що сприяє горінню зварювальної дуги. Висока частота спричиняє горіння дуги навіть при малих зварювальних струмах.

Використання осциляторів дозволяє запалювати дугу, не до­торкуючись електродом до виробу.

Збудники імпульсного живлення призначені для збудження дуги постійного та змінного струму. Збудник дуги складається з джерела високої напруги, високочастотного генератора і пристрою вводу високої напруги в коло зварювальної дуги.