Тема 12.

СВАРОЧНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, АГРЕГАТЫ

2. Назначение, классификация

Сварочный генератор преобразует механическую энергию вращения якоря в электрическую энергию постоянного тока, необходимую для сварки. Генератор поставляется потребителю отдельно или в комплекте с приводным двигателем. Преобразователи, представляющие собой комби­нацию асинхронного трехфазного двигателя переменного тока и свароч­ного генератора постоянного тока, в настоящее время не выпускаются. Агрегаты, состоящие из двигателя внутреннего сгорания и сварочного генератора, применяют в основном при ручной сварке в полевых услови­ях, на монтаже и ремонте, где отсутствует электрическая сеть питания. В данном курсе подробно изучаются только генераторы. Различают кол­лекторные и вентильные генераторы. Коллекторные генераторы класси­фицируют в зависимости от способа возбуждения и получения необходи­мых внешних характеристик. В настоящее время используются только следующие типы коллекторных генераторов:

а) с независимым возбуждением и последовательной размагничиваю­щей обмоткой;

б) с самовозбуждением и последовательной размагничивающей об­моткой.

Вентильные генераторы представляют собой комбинацию генерато­ра переменного тока и выпрямительного блока, в зависимости от кон­струкции которых и различаются. Нашли применение такие генераторы переменного тока:

а) синхронный индукторный;

б) синхронный с явнополюсным ротором;

в) асинхронный;

и выпрямительные блоки:

а) на неуправляемых вентилях;

б) тиристорные;

в) с транзисторным преобразователем.

Требования к вращающимся источникам постоянного тока регламен­тируются следующими стандартами: ГОСТ 304-82 «Генераторы постоян­ного тока для дуговой сварки» и ГОСТ 2402-82 «Агрегаты сварочные с двигателями внутреннего сгорания». Основные параметры этих источ­ников, предназначенных для ручной сварки покрытыми электродами, приведены в табл. 5.1. Высокая устойчивость горения дуги постоянного тока — важное достоинство сварочных генераторов по сравнению с транс­форматорами.

Существенным недостатком вращающихся источников является сложность конструкции и высокая трудоемкость изготовления, особенно коллекторных генераторов и приводных двигателей внутреннего сгора­ния. Они существенно дороже трансформаторов и даже выпрямителей.

Эксплуатационные характеристики вращающихся источников срав­нительно низкие. Их КПД не превышает 0,7. Поэтому, например, у пре­образователей удельный расход электроэнергии на 1 кг расплавленного электродного металла не ниже 5 кВт • ч. Поскольку эти источники имеют вращающиеся части, их надежность сравнительно невелика, особенно ча­сто из строя выходит коллекторное устройство. Кроме того, они занимают сравнительно много места, шумны в работе.

Тема 13.

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ В ИНЕРТНОМ ГАЗЕ

3.1. Особенности горения дуги и требования к источникам для сварки неплавящимся электродом в инертном газе

Рис. 1. Схема сварки неплавящимся электродом в инерт­ных газах: 1 – мундштук, 2 – электрод, 3 – сопло, 4 – присадочный пруток, 5 – изделие, 6 – защитный газ

Сварка неплавящимся электродом в инертных газах (TIG – tungsten Inert gas) рекомендуется для соединения высокопрочных, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, алюминиевых, магниевых и титано­вых сплавов, как правило, небольшой толщины. Наибольшее распро­странение получила аргоно-дуговая сварка свободной (несжатой) дугой (рис.1). Неплавящийся. точнее, тугоплавкий вольфрамовый электрод крепится в сварочной горелке. Инертный газ защищает электрод и зону сварки от воздействия воздуха. Сварка ведется электродами диаметром от 1 до 10мм на токе от 25 до 500А при напряжении от 10 до 30 В.

Требования к источнику питания определяются родом сварочного то­ка (постоянный, переменный) и характером его модуляции (непрерыв­ный, импульсный униполярный, импульсный разнонолярный, высоко­частотный), которые в свою очередь зависят от марки и толщины свари­ваемого металла.

Источник постоянного тока (рис. 2) рекомендуется для сварки большинства материалов малой и средней толщины за исключением алю­миниевых сплавов. Сварка выполняется, как правило, дугой прямой по­лярности (– на электроде). В сравнении с дугой обратной полярности здесь более благоприятное распределение тепла дуги, поскольку большая его часть идет в анод — свариваемое изделие. Это позволяет увеличить токовую нагрузку на электрод и, следовательно, поднять производитель­ность. Обычно источник представляет собой выпрямитель, состоящий из трансформатора и выпрямительного блока на диодах или тиристорах. Возможно использование транзисторного выпрямителя или инверторного источника. Начальное зажигание дуги выполняется бесконтактным способом с помощью высоковольтного высокочастотного генератора – осциллятора или возбудителя, либо контактным способом мягкого пус­ка. Защита основного источника от высокого напряжения осциллятора осуществляется с помощью фильтра высоких частот. Мягкий (холодный] пуск выполняется при токе короткого замыкания, в несколько раз мень­шем сварочного тока, поскольку при обычном коротком замыкании на­блюдается недопустимое загрязнение шва вольфрамом и повышенный расход электрода. В сравнении с высокочастотным при мягком пуске ни­же уровень электромагнитных помех, наводимых источником в сети и эфире.

Рис. 2. Блок-схема источника постоянного тока

Заварка кратера при сварке должна обеспечиваться посредством плавного снижения тока с помощью специального устройства. Обычно регулятор тока воздействует на тиристорный выпря­мительный блок или обмотку управления трансформатора, в современ­ных конструкциях настройка тока выполняется с помощью инвертора или полупроводникового регулятора.

Требования к источнику для сварки на постоянном токе распростра­няются и на большинство других источников для сварки неплавящимся электродом. Характеристика условной рабочей нагрузки соответствует уравнению U_р = 10 + 0,04I_д, т. е. рабочее напряжение почти в 1,5-2 раза ниже, чем при сварке покрытым электродом. Внешняя характеристика должна быть падающей с напряжением холостого хода от 50 до 100 В, т. е. в 4 -6 раз превышающим рабочее. При этом обеспечивается устойчивость процесса сварки и стабильность тока при колебаниях длины дуги, что особенно важно при малой толщине изделия. Регулирование тока долж­но быть плавным с очень высокой кратностью — не менее 5, а иногда до 100. Это необходимо в частности для обеспечения снижения тока при заварке кратера или при мягком пуске.

Рис. 3. Циклограмма аргоно-дуговой сварки

Программное управление последовательностью и длительностью включения отдельных устройств сварочной установки иллюстрируется циклограммой (рис. 3). Газ до сварки подается в интервале t _ПРЕГАЗ = 0,5-1 с (Pregas) для обеспечения надежного возбуждения дуги и ка­чественной защиты начала шва. Зажигание дуги выполняется высокоча­стотным разрядом (HF — high frequency) втечение не более 1 с или мягким пуском (Soft start, Cold start). Сила тока мягкого пуска I_МП назначается на уровне 0,1-0,3 от сварочного. Длительность мягкого пуска t_МП обычно не настраивается, она ограничивается либо прекращением контакта электрода с деталью, либо отпусканием кнопки на горелке. Плавное на­растание (Up slope) основного тока t_Нар обеспечивает постепенный нагрев электрода и предотвращает начальный выплеск сварочной ванны. Сни­жение тока (Down slope) в течение t_СПАД = 0-20 с необходимо для заварки кратера, оно увеличивается при большой толщине свариваемого изделия и высоком значении сварочного тока. Подача газа после сварки (Postgas) необходима для защиты шва в процессе кристаллизации и остывания, ее длительность t _ПОСГАЗ = 2-25 с зависит от размеров сварочной ванны.

Управление циклом при аргоно-дуговой сварке с помощью кнопки на горелке может выполняться в двух вариантах: с двух- и четырехтактным циклом. При двухтактном цикле после нажатия кнопки последователь­но проходят этапы предварительной подачи газа, зажигания, нарастания тока и собственно сварки, а для завершения цикла кнопку отпускают, в результате чего установка переходит к этапам снижения тока и пода­чи газа после сварки. Такой цикл предпочтителен при сварке коротких швов. Четырехтактный цикл идет в следующем порядке: после нажатия на кнопку следуют подача газа до сварки, зажигание и работа в режиме поисковой дуги (мягкий пуск, пока нажата кнопка). После отпускания кнопки следует нарастание тока и длительная сварка до следующего на­жатия на кнопку. При втором нажатии начинается снижение тока для заварки кратера, а при отпускании кнопки отсчитывается время подачи газа после сварки. Такой цикл рекомендуется при выполнении длинных швов.

Циклограмма может быть усложнена предварительной настройкой двух уровней тока I_д1 и I_д2 например, при попеременной сварке то в ниж­нем, то в вертикальном положении. Переход от одного режима к другому осуществляется кратковременным нажатием кнопки на горелке.

Сварку алюминия на посто­янном токе обратной полярности применяют ограниченно из-за сильного нагрева электрода, ее рекомендуют лишь при токе до 150 А.

Источник переменного тока (рис. 4) используют при сварке алю­миниевых сплавов. Специфические требования к ним вызваны особенностя­ми горения дуги переменного тока, (рис.4,6). При этом необходимо учитывать различие физических свойств тугоплавкого вольфрамового электрода и сравнительно легкоплавкого основного металла – алюминия. В полупе­риоде прямой полярности, когда катодом является нагретый выше 4000 К вольфрамовый электрод, мощная термоэлектронная эмиссия обеспечива­ет значительный ток i_Пp и интенсивное плавление основного металла. На­пряжение зажигания почти равно напряжению дуги и_пр и при короткой дуге в аргоне может составлять всего 10 В. В полупериоде обратной поляр­ности для зажигания дуги за счет механизма автоэлектронной эмиссии требуется очень большое напряжение U_ЗОБР – около 200 В, так как тер­моэлектронная эмиссия со сравнительно холодного алюминиевого катода ничтожно мала. Напряжение горения дуги обратной полярности u_ОБР превышает 20 В. Сила тока обратной полярности i_ОБР на 20 -50 % ниже по сравнению с током прямой полярности. Однако в полупериоде обратной полярности идет очень полезный процесс — интенсивное катод­ное распыление оксидной пленки А1₂0₃ благодаря бомбардировке алю­миниевой детали положительными нонами.

Рис. 4. Блок-схема (а) и осциллограммы ис­точника переменного тока без вспомогательных устройств (б) и с ними (в)

Рис. 5. Осциллограммы источника для сварки пульсирующей дугой

Одно из особых требований к источнику переменного тока связано с наличием постоянной составляющей свароч­ного тока. Действительно, поскольку I_пр > I_ОБр, то кривую сварочного тока можно представить как сумму симметричного переменного тока i _~ и постоянной составляющей I_ПОСТ. Постоянная составляющая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, его перегрев, сильную ви­брацию и повреждение изоляции обмоток. Подавление постоянной со­ставляющей (ликвидация или уменьшение) выполняется специальным устройством. Следует заметить, что с технологической точки зрения по­стоянная составляющая полезна. Более того, ее иногда специально уси­ливают для увеличения проплавления основного металла большим током прямой полярности. Разумеется, сварка на асимметричном переменном токе допустима только при обеспечении безаварийной работы источни­ка.

Еще одно требование вызвано затруднениями в повторном зажигании дуги при переходе к полупериоду обратной полярности. Надежное зажи­гание обеспечивается с помощью импульсного стабилизатора, генериру­ющего импульс U_ИС =200 – 500 В. На рис. 4,в показаны осциллограммы тока и напряжения при наличии импульсно­го стабилизатора и устройства ликвидации постоянной составляющей. Для надежного зажигания необходима амплитуда тока I_ИС = 20-80 А при длительности t_И не менее 60 мкс. При ограниченной мощности стабилизатора его включение следует задержать относительно момента перехода тока через нуль на t _ЗИ – 60-200 мкс. Стабилизатор с частотой следования импульсов 50 Гц стимулирует зажигание дуги толь­ко обратной полярности, с частотой 100 Гц — дуги и обратной, и прямой полярности.

Импульсный источник для сварки пульсирующей дугой рекоменду­ют для соединения деталей малой толщины, поскольку при правильном подборе параметров импульса и паузы удается снизить опасность прожо­га (рис. 5). Программное управление током осуществляется с помощью маломощного генератора импульсов — полупроводникового мультиви­братора (см. рис. 2 и 4). Время импульса t _И и паузы t _П должны на­страиваться плавно и независимо друг от друга в интервале 0,04-1 с. Ток импульса и паузы также должны настраиваться плавно и независимо. Глубина модуляции – отношение тока импульса к току паузы I _И/ I _П должна изменяться от 1 до 10. Иногда на низкую частоту 1-25 Гц накла­дываются импульсы более высокой частоты до 1 кГц, что способствует измельчению структуры шва и повышению его прочности (рис. 5,б). Такой технологический прием называется двойной модуляцией. Двой­ная модуляция может использоваться и при сварке алюминиевых сплавов на переменном токе (рис. 5,в), при этом параметры импульсов низкой частоты 1-10 Гц могут назначаться для получения качественного форми­рования и приемлемой чешуйчатости шва, а стандартная частота 50 Гц обеспечивает баланс между требованиями проплавления и очистки.

Рис. 6. Блок-схема (а) и осциллограммы (б) источни­ка разнополярных импульсов

Источник разнополярных импульсов (рис. 6) предназначен для сварки алюминиевых сплавов. Он может иметь два силовых канала, ка­ждый из которых включает в себя трансформатор и выпрямительный блок. Один канал предназначен для питания дуги прямой полярности, другой — дуги обратной полярности. С помощью силового полупровод­никового коммутатора каналы попеременно подключаются к дуге, ге­нерируя прямоугольные импульсы тока прямой и обратной полярности (рис. 6,а). Так же как и при сварке на переменном токе, в такте пря­мой полярности (- на вольфрамовом электроде) происходит более ин­тенсивное плавление основного металла, а в такте обратной полярности ( + на электроде) идет катодная очистка поверхности детали от оксидов (рис. 6,б). Регулирование тока прямой I_пр и обратной I_ОБр полярности обычно осуществляется плавно и независимо друг от друга. Как прави­ло, ток обратной полярности устанавливают небольшим, но достаточным для удаления оксидной пленки, в зависимости от чистоты поверхности свариваемых деталей (после травления, механической зачистки и т. д.). Ток прямой полярности настраивают в зависимости от толщины изделия и диаметра электрода, он может превышать ток обратной полярности в 1,5-4 раза. Длительность импульсов прямой t_пр и обратной t_ОБр поляр­ности настраивается отдельно в интервале от 1 до 20 мс. Но технологически оправдано пользование другими, связанными с вышеперечислен­ными характеристиками — частотой f = 1/(t_пр + t_ОБр) и коэффициентом асимметрии цикла по времени k_АСВ = t_ОБр/(t_пр + t_ОБр). Для технологически более значимого параметра k_АСВ оптимальный диа­пазон находится в интервале 0.2–0,4, поскольку ниже этой величины не гарантируется достаточное качество очистки, а выше — заметно снижа­ется стойкость вольфрамового электрода. Частота — это параметр менее критичный, она может назначаться от 20 до 300 Гц. Более высокая частота 200–300 Гц рекомендуется при сварке малоамперной дугой (до 25 А) металла толщиной менее 1 мм, поскольку увеличение частоты ограни­чивает блуждание дуги и повышает ее пространственную устойчивость. Наиболее распространена прямоугольная форма импульсов, поскольку резкое изменение направления тока при смене полярности способствует увеличению глубины проплавления, к тому же при скорости нарастания напряжения более 100 кВ/с не нужен импульсный стабилизатор для по­вторного зажигания дуги. Начальное зажигание, как правило, выполняется с помо­щью возбудителя или осциллятора. Обычно зажигание начинается с такта обратной полярности (рис. 6,б), пока электрод не нагреется до температуры, достаточной для возбуждения дуги прямой полярности за счет термоэлектронной эмиссии. Повторное зажигание мо­жет выполняться импульсным стабилизатором или тем же возбудителем по мере необходимости, если дуговой разряд нарушается переходом к ре­жиму холостого хода (рис. 6,б).

Рис. 7. Инверторный импульсный источник: а — упрощен­ная схема, б— импульсный переменный ток, в — амплитуд­ное, г — частотное модулирование постоянного тока

Высокочастотный источник (рис. 7) обычно создается на базе инверторного. Переменный высокочастотный ток получается путем попеременного включения транзисторов VT1 и VT2. На дугу может подаваться как переменный ток от трансформатора Т (рис. 7,б), так и несглаженный выпрямленный с блока V2, при необходимости с двойным модулированием (рис. 7, в, г). Высокочастотный ток придает дуге вместо конической эллипсоидную форму, это ограничивает ее блуждание и по­вышает пространственную устойчивость, особенно при малых токах.