Введение

Конспект лекций по дисциплины «Сварочные источники питания» составлен в соответствии с образовательно-профессиональной программой подготовки бакалавр направления 6.050504 «Сварка».

Предметом изучения учебной дисциплины является формирование у будущих специалистов умений и компетенции в соответствии с современными требованиями к качеству сварных конструкций, приобретение необходимых знаний в области современных источников питания, которые за счет обратных связей позволяют автоматически поддерживать заданный уровень параметров режима сварки, а, следовательно, и заданные размеры швов при действии внешних возмущений на систему: источник питания – сварочная дуга – шов.

Целью преподавания учебной дисциплины «Сварочные источники питания» является подготовка специалистов в области технологии и оборудования сварочного производства уровнем знаний, что позволяет обеспечить заданные параметры режима сварки, осуществить правильный выбор типа источника питания для сварки с учетом их технико-экономических показателей для обеспечения высокого качества сварных конструкций и их работоспособности.

Основными задачами изучения дисциплины «Сварочные источники питания» является изучение свойств сварочной дуги и требования к источникам питания; устойчивости энергетической системы; технологических свойств и технико-экономических показателей источников питания; источников питания дуги переменным током и постоянным током; многопостовых системы; инверторных источников питания; источников питания специального назначения. В соответствии с требованиями образовательно-профессиональной программы студенты должны: знать: теоретические данные о сварочной дуге как звене общей энергетической системы источник питания – сварочная дуга – шов, физические и математические основы устойчивости этой системы; технологические свойства и технико-экономические показатели и режимы работы питания сварочной дуги; принципы построения, назначение отдельных блоков и выполняемые функции источников питания переменным и постоянным током, источников питания специального назначения и многопостовых систем питания сварочных дуг; правила техники безопасности, предъявляемые к источникам питания и работы на них, аппаратуру защиты источников питания от перегрузок, устройства для снижения напряжения холостого хода. После успешного изучения курса студенты должны уметь: осуществлять наладку и обслуживание источников питания для сварки; подключать источники питания к сети и размещать их в условиях производства с учетом требований техники безопасности.

Для успешного изучения дисциплины студентам необходимо хорошо знать следующие курсы: высшая математика, физика, электротехника, электроника.

На изучение учебной дисциплины отводится 108 часов 3 кредита ЕКТС

Лекция 1. Свойства сварочной дуги и требования к источникам питания

План

1.1 Краткая историческая справка

1.2 Признаки, по которым классифицируют источники питания Распределение потенциала в дуге. Свойства сварочной дуги

1.3 Статическая вольт-амперная характеристика дуги. Внешняя характеристика источника питания

1.1 Краткая историческая справка

В 1802 г. профессор Русской хирургической академии Василий Владимирович Петров открыл явление дугового разряда и предсказал области применения дуги, в том числе для сварки и резки металлов.

В 1881 г. Николай Николаевич Бенардос (изобретатель) предложил способ сварки угольным, т.е. неплавящимся электродом.

В настоящее время в качестве неплавящегося электрода чаще всего используют вольфрамовый электрод.

В 1888 г. Николай Гаврилович Славянов (инженер-изобретатель) разработал способ сварки плавящимся электродом.

Первыми источниками питания дуги были батареи гальванических элементов либо генераторы. Было замечено, что если последовательно в сварочную цепь включить балластный реостат, то устойчивость дуги повышается. Теоретическое объяснение этому явлению было дано позже (мы будем это изучать).

В 1924 г. в России был единственный завод «Электрик», который выпускал электро-техническое оборудование, выпустил первый сварочный генератор марки СМ-1 на 150 А. Его конструкторы – В. П. Никитин, К. К. Хренов, А. А. Алексеев.

В 1924-1929 гг. удельный вес электросварочного оборудования (источников питания) составил 2,5 % от общего выпуска электроприводов. Этого было недостаточно для нужд Советской России.

В 1924 г. В. П. Никитин предложил новую схему трансформатора типа СТН (ТСД). Их выпуск начат с 1927 г. В 1940 г. на заводе «Электрик» 34,3 % от общей программы составлял выпуск электросварочного оборудования. До войны (до 1941 г.) завод «Электрик» выпустил 86 тыс. источников питания: сварочных генераторов и трансформаторов. Разработка новых источников, их совершенствование, как в те годы, так и сейчас, неразрывно связаны с общим уровнем обеспечивающих сварку наук, уровнем развития техники.

В 30-е годы была развита сварка автоматами голой проволокой постоянным током. Автоматы были снабжены автоматическими регуляторами напряжения дуги. Для сварки в качестве источников питания использовали сварочные генераторы. Качество сварки было невысоким.

В 1940 г. ИЭС АН УССР во главе с Е. О. Патоном создан новый способ сварки под флюсом. Здесь представилась возможность использовать переменный ток. В связи с этими потребностями были созданы сварочные трансформаторы большой мощности: СТ-1000, СТ-2000, СТР-1000, СТР-2000 с увеличенным магнитным рассеянием, т.е. с падающей внешней характеристикой. Устойчивость дуги была удовлетворительной, качество швов также удовлетворительным.

В 1942 г. Владимир Иванович Дятлов впервые открыл принцип саморегулирования дуги и на его основе предположил (разработал) новый принцип построения автоматов: проволока подавалась с постоянной, независимой от напряжения дуги, скоростью. При этом упростилась конструкция автоматов (а в дальнейшем – и полуавтоматов). Для обеспечения требования саморегулирования процесса сварки были созданы источники с пологопадающей и жёсткой внешней характеристикой.

В 50-е годы разработка способов сварки в СО₂ потребовала создания сварочных генераторов и выпрямителей с жёсткой и пологопадающей внешней характеристиками и они были созданы.

В 60-е годы в источниках постоянного тока – выпрямителях – стали применять управляемые вентили – тиристоры. Источники стали экономичными. Качество швов повышается за счёт использования системы обратных связей, обеспечивающих стабильность параметров режима при сварке и – тем самым – постоянство геометрических параметров швов и их служебных характеристик. В развитие науки об источниках питания для сварки большой вклад в теорию дуги внесли учёные: Г. М. Тиходеев, Г. И. Лесков, К. К. Хренов, В. К. Лебедев, И. В. Пентегов, Б. Е. Патон; В. П. Никитин, Б. Е. Патон, В. К. Лебедев, К. К. Хренов, А. А. Алексеев, И. Я. Рабинович, О. Н. Браткова и др. внесли большой вклад в разработку источников питания для сварки.

Разработку (теоретических вопросов) источников питания и исследование их проводят следующие научные учреждения (до распада СССР): ВНИИ ЭСО (г. Ленинград), Вильнюсский филиал ВНИИ ЭСО, ИЭС АНУССР им. Е. О. Патона, МВТУ им. Н. Э. Баумана.

Выпуск (изготовление) источников производили: Ленинградский завод «Электрик»; Каховский и Тбилисский заводы электросварочного оборудования; Днепропетровский завод электросварочного оборудования; ИЭС им. Е. О. Патона.

В настоящее время в Украине, кроме ИЭС им. Е. О. Патона, крупнейшим предприятием, выпускающим источники питания для сварки, являются «СЭЛМА» (г. Симферополь) и Каховский завод электросварочного оборудования.

Сейчас существует 136 (по некоторым данным даже 141) способов сварки. 13 октября 1969 г. на борту советского космического корабля «Союз-6» В. В. Кубасов выполнил впервые сварку в космосе (устройство «Вулкан» – выпуск ИЭС им. Е. О. Патона). В 1984 г. космонавты В. Д. Джанибеков и Светлана Савицкая произвели в открытом космосе (с выходом из помещения космической станции) сварку и резку металлов (в частности пластин титана электронным пучком).

Разработаны способы сварки не только в космосе, но и под водой. А так же разработана сварка в медицине, уделяется большое внимание (развитию её) особенно в ИЭС им. Е.О. Патона.

В области сварочной науки и техники поставлены такие задачи:

1. Улучшение условий труда за счет снижения доли ручного труда. Достигается это повышением уровня (%!) механизации сварочных работ. Эта задача решается применением в производстве вместо ручных способов сварки механизированных, применением роботов. Подчеркивалось, что важно повысить уровень механизации не сварочных операций, но связанных с процессом производства сварных конструкций: сборочных операций и т.п. (по данным Б. Е. Патона операция «сварка» составляет 20 % от общей трудоёмкости процесса изготовления конструкций).

2. Улучшение качества продукции. Решение этой задачи полностью определяется свойствами источников питания, т.е. качество продукции полностью определяется источником питания, а точнее: системой источник питания – дуга – автомат (оператор). Применительно к источникам питания эта задача решается за счет повышения точности поддержания на заданном уровне параметров режима сварки.

3. Повышение производительности труда. Решается эта задача за счет применения механизированных способов сварки в промышленности. Однако, главное – эта задача должна решаться за счет создания новых технологических процессов (которые значительно более производительны традиционных способов сварки. Пример: электрошлаковая сварка, сварка лазерным лучом).

Сейчас основная тенденция в развитии сварочных источников – необходимость снизить выпуск низкоэкономичных источников типа преобразователей, которые имеют низкие значения к.п.д., cos ϕ, шумят при работе, и выпускать вместо них с более высокими технико-экономическими показателями источники – выпрямители, а также тиристорные и инверторные источники, использование которых улучшает качество швов и условия труда.