Введение. История развития, современное состояние и перспективы развития источников питания для дуговой сварки

Тема 1. Использование дугового разряда для сварки

Тема 2. Особенности горения сварочной дуги переменного тока.

Тема 3. Сварочные свойства источников питания дуги

Тема 4. Требования к источникам питания дуги общепромышленного назначения

Тема 5. Однофазные трансформаторы для дуговой сварки. Принцип работы, конструкция, схема замещения, внешние вольт-амперные характеристики.

Тема 6. Однофазные трансформаторы для дуговой сварки с нормальным и увеличенным магнитным рассеянием.

Тема 7. Однопостовые сварочные выпрямители. Классификация сварочных выпрямителей. Управляемые и неуправляемые полупроводниковые вентили. Схемы выпрямления, используемые в сварочных выпрямителях.

Тема 8. Методы регулирования напряжения и тока в сварочных выпрямителях на неуправляемых вентилях

Тема 9. Система импульсно-фазового управления тиристорными сварочными выпрямителями. Основные требования к СИФУ. Тиристорный сварочный выпрямитель как замкнутая система автоматического регулирования.

Тема 10. Транзисторные инверторные источники питания. Назначение, конструкция, технические характеристики и принцип работы. Элементная база выпрямителей с инвертором. Методы регулирования напряжения и тока.

Тема 11. Многопостовые выпрямительные системы для дуговой сварки.

Тема 12. Сварочные генераторы, преобразователи, агрегаты

Тема 13. Источники питания для дуговой сварки неплавящимся электродом в инертном газе

Тема 14. Источники питания сжатой дуги. Оборудование для плазменной и микроплаз­менной сварки

Тема 15. Источники питания для механизированной импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом в защитном газе.

Тема 16. Источники питания для элек­трошлаковой сварки

Тема 17. Производство и испытание источников. Выбор, монтаж и пуск источников. Обслуживание и ремонт и безопасная эксплуатация источников.

Наименование тем лекционных занятий введение.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Список литературы:

1. Браткова O.K. Источники питания сварочной дуги: Учебник. -М. Высшая школа. 1982, - 182с., ил.

2. Технология и оборудование сварки плавлением: Учебник/ Г.Д. Никифоров, Г. В. Бобров. В.М Никитин, В.В. Дьяченко; Под обшей редакцией Т.Д. Никифорова. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. - 320с.: ил.

3. Куликов В.П. Технология и оборудование сварки плавлением и термической резки: Учеб. пособие / В.П. Куликов. – Мн.: Экоперспектива, 2003. – 415 с.

4. Милютин В. С., Шалимов М. П., Шанчуров С. М. Источники питания для сварки.- М.: Айрис-пресс, 2007.- 384 с.

5. Милютин В. С., Шалимов М. П., Шанчуров С. М. Оборудование сварки плавлением.- М.: Айрис-пресс, 2010.- с.

Тенденции развития источников питания для дуговой сварки.

Дуговая сварка была и остается основным технологическим процессом сварочного производства. В связи с этим исследователи, конструкторы и изобретатели уделяют дуговой сварке больше внимания, чем всем остальным вместе взятым способам соединения материалов.

Первые сварочные источники появились около 100 лет назад. В конце 19-го столетия Николай Бернадос использовал батареи и генератор с приводом от парового двигателя для своих экспериментов с дуговой сваркой угольным электродом.

За последнее десятилетие динамичное развитие источников питания для сварки базировалось на достижениях полупроводниковой техники - цифровой вычислительной и силовой. В 1960-70-е гг. их развитие было целиком связано с разработкой силовых полупроводниковых диодов и созданием на их основе сварочных выпрямителей.

Современные полупроводниковые приборы преоб­разили конструкцию новых сварочных источников. Стало возможным снизить их массу и габариты. Од­нако самые революционные преобразования про­изошли в конструкции систем управления. Совре­менные компьютерные программы позволяют по­требителям не только легко общаться с блоком упра­вления, используя панель управления, но и оптими­зировать сварочные характеристики.

Сначала в сварочных выпрямителях были примене­ны кремниевые диоды, затем появились тиристоры и, наконец, транзисторы, используемые в современ­ных инверторных источниках.

На рис. 1.1 показаны ступени развития конструкций сварочных источников. По мере развития источников их масса уменьшилась на порядок, уменьшались соот­ветственно и размеры. Важной ступенью развития яви­лось появление инверторных сварочных источников. В 1984 году шведский концерн ЭСАБ разработал свой первый инверторный выпрямитель «Caddy», весящий всего 8 кг. Дальнейшее развитие инверторной техники в сварочном машиностроении связано с появлением мощных транзисторов, рассчитанных на сотни вольт рабочего напряжения, десятки и сотни ампер.

1910 Сварочный генератор 1920 Сварочный трансформатор 1950 Выпрямитель 1970 Тиристорный выпрямитель 1980 Инверторный выпрямитель

Рис. 1.1. Ступени развития конструкций сварочных источников

На рис. 1.2 представлена схема силовых цепей управляемых источников питания для дуговой сварки.

Рис. 1.2. Схема силовых цепей управляемых источников питания для дуговой сварки: а — тиристорного; б — инверторного; в — с высокочастотным ключом; Т — трансформатор; ВТ и В — соответственно тиристорный и диодный выпрямители; Р — реактор; С — конденсатор; И — инвертор; К — ключ

С

Рис.2

варочный выпрямитель традиционного типа (рис. 1.2, а), выполненный на тиристорах, состоит из понижающего трансформатора, силового выпрямительного блока, сглаживающего реактора и системы управления, осуществля­ющей в зависимости от назначения различные функции. Источник питания инверторного типа (рис. 1.2, б) построен по другому принципу. Напряжение сети выпрямляется, «сглаживается» с помощью фильтра, затем преобразуется в переменное повышенной частоты (чаще свыше 15 кГц), трансформируется и снова выпрямляется. Ступеней преобразования энергии в инверторном источнике питания больше, чем в обычном (в обычном источнике таких ступеней всего две, в инверторном - их четыре). Несмотря на это инверторный источник питания того же назначения, что и обычный, имеет значительно более высокий КПД, меньшую массу и габаритные размеры. Отмеченное достигается только за счет того, что в инверторном источнике питания нет рассчитанного на полную мощность трансформатора промышленной частоты. Трансформатор повышенной частоты в инверторном источнике питания имеет массу приблизительно в 50 раз меньшую по сравнению с трансформатором промышленной частоты, благодаря чему потери энергии в нем несравнимо меньше, а КПД существенно выше. Небольшие размеры высокочастотного трансформатора позволяют создавать компактные источники питания.

Применение современной электроники позволило снизить массу сварочного источника в 10 раз (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Снижение массы сварочного источника

По мере усложнения современного сварочного обору­дования растет проблема общения с этим оборудова­нием пользователя. Чем больше современное оборудо­вание предоставляет сварочных процессов и возмож­ностей, тем сложнее становится панель управления.

Сварщикам обычно не нравится высокой уровень сложности, поскольку некоторые функции приме­няются редко. Для сложных материалов и высокока­чественной сварки каждая из доступных функций только приветствуется, но в большинстве случаев требуются лишь некоторые из них.

Нетрудно предсказать, что дальней­шее развитие получат инверторные сварочные источники. Небольшого размера и удоб­ные в работе источники требуются для различных ре­монтных работ. Будут улучшаться показатели потреб­ляемой мощности, что позволит подключать их к электросетям ограниченной мощности. Прочность и надежность также являются важными факторами. Улучшится защита источников от пыли, влаги и электрических помех. Модульная конструкция источников, циф­ровое управление и возможность обновлять про­граммное обеспечение гарантируют высокое качество сварных работ.

Назначение и основные типы источников.

Источник питания входит в состав любой установки для дуговой и электрошлаковой сварки, Он снабжает дугу или электрошлаковый процесс электрической энергией необходимых параметров. При дуговой сварке применяются токи от 1 до 3000 А при напряжении 40-141 В. Сварка может выполняться на постоянном и переменном токе, как при непрерывной, так и при импульсной подаче энергии. В зависимости от вида энергии и характера ее преобразования различают следующие типы источников питания.

Трансформатор понижает переменное напряжение сети до необходи­мого при сварке.

Выпрямитель преобразует энергию сетевого переменного тока в энер­гию постоянного сварочного тока.

Генератор преобразует механическую энергию вращения его вала в электрическую энергию постоянного тока.

Преобразователь является комбинацией трехфазного асинхронного двигателя переменного тока и сварочного генератора и, следовательно, преобразует сетевую энергию в используемую для сварки энергию посто­янного тока.

Агрегат состоит из двигателя внутреннего сгорания и генератора по­стоянного тока, в нем для получения сварочного тока используется хи­мическая энергия сгорания жидкого топлива.

Различают источники общепромышленного и специального назна­чения. К общепромышленным относятся источники для ручной сварки покрытыми электродами и механизированной сварки плавящимся элек­тродом в защитном газе и под флюсом, они предназначены в основном для сварки углеродистых и легированных сталей средней толщины. Специа­лизированные источники предназначены для обслуживания более сложных технологических процессов, связанных с изготовлением тонколи­стовых конструкций, а также изделий из высоколегированных сталей и цветных металлов. Некоторые из процессов, родственных дуговой свар­ке — наплавка, напыление, резка, а также электрошлаковая сварка — тоже нуждаются в специализированном источнике. Эти источники отли­чаются относительной сложностью, насыщены элементами автоматики, обладают высокими сварочными свойствами.

История развития, современное состояние и перспективы развития источников.

Широкое применение дуговой сварки с момента ее изобретения сдер­живалось именно отсутствием мощных специальных источников. Обыч­но для сварки приспосабливали источники постоянного тока несвароч­ного назначения. Так, Н. Н. Бенардос с 1882 г. использовал для сварки мощную батарею свинцово-кислотных аккумуляторов. Н.Г. Славянов в 1888 г. применил генератор постоянного тока, а для улучшения условий горения дуги включил последовательно в сварочную цепь балластный реостат. Впоследствии были созданы специальные генераторы для свар­ки, у которых напряжение существенно снижается с ростом тока. Первый такой генератор поперечного поля разработан австрийским инженером Розенбергом в 1905 году. Несколько позже появились трансформаторы с отдельным дросселем.

В России серийное производство источников питания для сварки на­чалось с 1924 г., когда на Санкт-Петербургском заводе «Электрик» под руководством В. П. Никитина был создан первый отечественный гене­ратор СМ-1, а затем и сварочный трансформатор СТН в комбинации с реактивной обмоткой. Дальнейшее развитие электросварочного машино­строения связано, главным образом, с созданием новых способов и разно­видностей сварки. С начала 40-х гг. с появлением автоматической сварки под флюсом были изготовлены мощные трансформаторы с дистанцион­ным управлением. В 50-е гг. для механизированной сварки в углеки­слом газе были разработаны источники с жесткими характеристиками и улучшенными динамическими свойствами. Позднее для управления пе­реносом электродного металла были созданы источники для импульсно-дуговой сварки. Разработка способа сварки неплавящимся электродом в инертном газе привела к созданию специализированных источников с устройствами для стимулирования начального и повторного зажигания, питания дуги пульсирующим током, заварки кратера и т. д. Сварка и рез­ка сжатой (плазменной) дугой потребовала разработки выпрямителей с повышенным напряжением и устройствами для питания дежурной дуги. Для электрошлаковой сварки понадобились мощные трансформаторы с малым сопротивлением и регулируемым напряжением.

Другое направление качественного совершенствования источников связано с появлением новой элементной базы. Успехи в развитии полу­проводниковой техники позволили перейти в начале 50-х гг. к выпус­ку сварочных выпрямителей взамен генераторов. С появлением силовых управляемых вентилей — тиристоров — с 60-х гг. стали выпускаться уни­версальные выпрямители, а позднее трансформаторы с электрическим фазовым управлением- С начала 80-х гг. в сварочных источниках стали использоваться силовые транзисторы, они предоставляют возможности существенного улучшения таких сварочных свойств, как характер пере­носа электродного металла, настройка и стабильность параметров режи­ма. На базе управляемых вентилей (тиристоров и транзисторов) созданы выпрямители с промежуточным высокочастотным звеном — инвертором, что позволило существенно уменьшить их массу и габариты и улучшить динамические свойства источника.

Последние годы характеризуются существенным усложнением элек­трических схем источников и широким внедрением устройств автома­тики, обеспечивающих универсальность источников, стабилизацию ре­жима, программное и дистанционное управление, защиту от перегрузок. С 80-х гг. источники стали комплектоваться микропроцессорными си­стемами, в том числе синергетического управления по математическим моделям, которые непосредственно связывают параметры режима с раз­мерами сварного шва, что существенно упрощает работу оператора при настройке режима.

Основным направлением развития источников является не количе­ственный рост, а качественное совершенствование. Б структуре выпуска наблюдаются следующие изменения. Прекращен выпуск преобразо­вателей, но в большом количестве производятся агрегаты с двигателями внутреннего сгорания. Снижается доля трансформаторов, особенно в сфе­ре промышленного использования» хотя они находят спрос в строитель­стве и в быту. Увеличивается доля выпрямителей, причем наибольший относительный рост производства у самых прогрессивных разновидно­стей — универсальных выпрямителей и инверторных источников. Зна­чительно увеличивается номенклатура и объем выпуска специализиро­ванных источников. Традиционным направлением совершенствования источников является снижение затрат при их изготовлении и эксплуата­ции. Это достигается, в частности, использованием более совершенных материалов — тонкой трансформаторной стали, мощных циклоустойчивых вентилей, стойкой кремнийорганической изоляции. Перспективные конструкции, использующие дорогие комплектующие, такие, как тран­зисторные модули и синергетические системы управления, или воплоща­ющие в себе результат трудоемких технологических исследований, так­же находят своего покупателя, если позволяют поднять качество сварных конструкций на ранее недостижимый уровень. С этой целью непрерыв­но ведется работа по совершенствованию сварочных свойств источников. Успешно решаются вопросы улучшения возбуждения дуги, уменьшения разбрызгивания металла, управления переносом электродного металла и формированием шва.