GYtjwTGbJr

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

П. А. КОШЕЛЕВ С. В. ПАРАМОНОВ

ЭЛЕКТРОСВАРОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

Учебное пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2016

1

УДК 621.314.58(07) ББК З292.2я7

К76

Кошелев П. А., Парамонов С. В.

К76 Электросварочные процессы и оборудование: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2016. 32 с.

ISBN 978-5-7629-2035-3

Изложены физические основы сварочных процессов и методики проектирования современных электросварочных установок и их силовых элементов. Предназначено для магистрантов по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника». Магистерская программа № 13.04.02-51 «Электротехнологии». Также может быть использовано и другими специалистами, в частности, бакалаврами, обучающимся по этому направлению.

УДК 621.314.58(07) ББК З292.2я7

Рецензенты: кафедра электротехники ИФМО; канд. техн. наук В. С. Федорова (ПГУПС Императора Александра I).

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

2

ВВЕДЕНИЕ

Всварочном производстве ведущее место принадлежит контактной и дуговой электросварке. Повышение качества и производительности при изготовлении сварных конструкций можно достичь за счет прогресса в нескольких взаимосвязанных областях науки и техники, главные из которых:

– разработка новых технологических процессов электросварки;

– повышение уровня механизации и автоматизации сварочных работ;

– разработка нового оборудования, отвечающего современным требованиям рынка соответствующей техники.

ВРоссии и за рубежом выпускается весьма широкий ассортимент оборудования для всех известных видов сварки.

Впоследние годы заметно преуспела силовая полупроводниковая техника, появились перспективные магнитные, изоляционные и другие электротехнические материалы.

Наряду со сложными компьютеризированными сварочными установками с промежуточными высокочастотными преобразователями электроэнергии широким спросом пользуются и простые сварочные трансформаторы, автоматы и полуавтоматы для строительных, бытовых, авторемонтных работ.

Настоящее учебное пособие призвано ознакомить специалиста с основами проектирования, математического моделирования и оптимизации дуговых электросварочных установок.

Базовыми дисциплинами для освоения этого предмета являются:

– информатика;

– ТОЭ;

– схемотехника систем управления АЭТУС.

3

1.ПРОЦЕССЫ ЭЛЕКТРОСВАРКИ

1.1.Процессы дуговой сварки и их классификация

Процессы дуговой сварки классифицируются по следующим признакам:

–по способу защиты зоны сварки от атмосферных воздействий;

–по степени механизации сварочного процесса;

–по роду (форме) тока электрической дуги;

–по свойствам электрода.

По способу защиты зоны сварки можно выделить сварку покрытыми штучными электродами, сварку в среде защитного газа и сварку под флюсом. В свою очередь защитные газы делятся на активные, участвующие в химических и металлургических процессах формирования шва, и инертные.

К активным относится углекислый газ СО2 и смеси на его основе.

Вкачестве инертного газа используется аргон в чистом виде или в смесях, реже гелий

По степени механизации различают ручную и механизированную (автоматическую и полуавтоматическую) сварку.

Ручная сварка штучным плавящимся электродом в англоязычной литературе имеет аббревиатуру MMA (Manual, Metal, Active), ручная сварка неплавящимся вольфрамовым электродом TIG (Tungsten, Inert, Gas).

Полуавтоматическая и автоматическая сварка в среде активного защит-

ного газа MAG (Metal, Active, Gas), инертного газа MIG (Metal, Inert, Gas)

различаются методами перемещения сварочной горелки вдоль шва: соответственно вручную или с помощью специальных механизмов, роботов.

По роду тока дуги принята терминология: дуга постоянного тока прямой полярности (катод – расплавляемый электрод, анод – свариваемое изделие), дуга постоянного тока обратной полярности (катод – изделие, анод – электрод); дуга знакопеременного тока: симметричного, если длительности положительного и отрицательного полупериодов практически совпадают и асимметричного, если отношение этих длительностей по технологическим соображениям является переменной величиной.

По свойствам электрода – сварка плавящимся и неплавящимся электродами.

Впервом варианте материал (металл) электрода по мере плавления за-

полняет разделку шва, а при отсутствии предварительной разделки формирует неразъемное соединение изделий.

4

Во втором варианте дуга горит между электродом из тугоплавкого металла (обычно вольфрама) и изделием, причем присадочный металл в зону сварки подается вручную.

1.2. Основные процессы дуговой сварки

Сварка штучным покрытым электродом (MMA) применяется в стро-

ительстве жилья и промышленных объектов, в сельском хозяйстве, при ремонтных работах. Ассортимент электродов весьма разнообразен, их тип определяется режимом сварки, составом изделия, его размерами, формой.

Трудоемкость, качество и производительность работ зависят от гибкости перенастройки оборудования, его подвижности. Не меньшую роль играют динамические характеристики: легкость зажигания дуги, стабильность горения, отсутствие динамических ударов, вызывающих разбрызгивание при переносе металла во всех пространственных положениях. Ток постоянный или переменный симметричный. Диапазон сварочных токов 50–350 А.

Механизированная сварка в защитных средах инертных и актив-

ных газов (MIG, MAG) – наиболее широко распространенная технология. Ее потребители: среднее и тяжелое машиностроение, судостроение, автомобильная промышленность, авторемонт и многие другие.

На базе сварочных автоматов создаются специализированные сварочные машины. Полуавтоматическая сварка применяется для создания неразъемных соединений изделий из различных цветных металлов, конструкционных и специальных сталей. Используемый ток (постоянный) 30–500 А.

Сварка под флюсом – разновидность автоматической сварки. Применяется для крупногабаритных изделий в нижнем пространственном положении. Диапазон постоянного или чаще переменного симметричного тока 200–2000 А.

Сварка неплавящимся (вольфрамовым) электродом (TIG) цветных металлов, прежде всего алюминия и сплавов на его основе используется в судостроительной, автомобильной промышленности.

Источники тока должны обеспечивать любую его форму на «медленных» стадиях (старт, нарастание тока до номинального, сварка с модуляцией значений тока или без нее, заварка кратера, баланс в периоде зачистка – плавление) и «быстрых» (в частности, получение импульсов, близких по форме к прямоугольной). Действующие значения тока 10–300 А.

5

1.3. Процессы контактной электросварки

Сварка контактная – способ соединения металлических деталей с применением давления, при котором используется тепло, выделяемое в месте контакта соединяемых частей при прохождении электрического тока. Достоинствами контактной сварки является высокая производительность, возможность автоматизации процесса, высокое и стабильное качество сварки, отсутствие потребности в специальных технологических сварочных материалах (присадочные материалы, флюсы, газы и т. п.), благоприятные условия труда.

По характеру и условиям образования сварного соединения контактная сварка делится на следующие основные виды: точечную, шовную и стыковую.

Точечная сварка выполняется путем сжатия плоскостей свариваемых деталей торцами цилиндрических электродов сварочной машины и пропусканием через место сжатия электрического тока. При этом в зоне контакта деталей по оси электродов начинается расплавление металла деталей, выплеск которого предотвращается прилегающим к нему уплотняющим пояском пластически деформированного металла. После прекращения протекания электрического тока расплавленный металл охлаждается и кристаллизуется, образуя точечное сварное соединение. Диапазон используемых напряжений и токов соответственно составляет 2–20 В, 1–100 кА.

Шовная сварка выполняется как правило вращающимися роликовыми электродами, сжимающими детали.

Стыковая сварка осуществляется по всей площади касания торцов свариваемых деталей при подводе к ним электрического тока и их сжатии. Различают стыковую контактную сварку без оплавления и с оплавлением торцов деталей. Стыковая контактная сварка без оплавления происходит по поверхности стыкуемых торцов без их явного оплавления. Иногда употребляется термин «сварка стыковая сопротивлением». При этом свариваемые детали прижимаются друг к другу с некоторым усилием, которое к концу стадии нагрева может быть увеличено. Основное отличие от сварки стыковой оплавлением состоит в том, что электрический ток протекает через контакт торцов свариваемых деталей, сжатых осевой силой, нагревая детали в стыке до температуры плавления или близкой к ней. При сварке стыковой с оплавлением соединение свариваемых частей происходит по поверхности стыкуемых торцов с их выраженным оплавления, при этом различают сварку с непрерывным оплавлением и предварительным подогревом. При сварке с непрерывным оплавлением к деталям подводится напряжение и они сближают-

6

ся с небольшой скоростью. При соприкосновении деталей между их торцами образуются отдельные контакты-перемычки, которые оплавляются. По мере сближения торцов деталей таких перемычек становится больше, что приводит к разогреву торцов и образованию на них слоя расплавленного металла. В конце процесса оплавления осуществляется быстрое сжатие торцов деталей с большим усилием осадки, при котором жидкий слой вместе с оксидами выдавливается из стыка, а разогретые торцы пластически деформируются.

Условия формирования соединения при нагреве стыка деталей ниже температуры плавления отличаются от условий формирования соединения при нагреве стыка деталей до температуры плавления. Основное отличие состоит в процессах удаления оксидов металлов свариваемых деталей. При сварке с нагревом ниже температуры плавления необходимо приложить значительное осевое усилие для создания деформаций достаточных для разрушения оксидной пленки на металле.

Машины контактной сварки можно разделить на два больших класса: машины общего назначения и специальные. Машины общего назначения предназначены для сварки деталей широкой номенклатуры. Специальные машины предназначены для сварки определенных узлов конкретных изделий.

Процесс контактной сварки происходит в соответствии с заданной циклограммой, т. е. зависимостью изменения во времени величины силы сжатия деталей в месте сварки и электрического тока, протекающего через него. Управление сварочной машиной осуществляется регулятором цикла контактной сварки.

Источники питания машин контактной сварки не зависит от класса машин, а определяется только наиболее подходящим способом питания места контакта деталей электрическим током.

2. ТРЕБОВАНИЯ К ИСТОЧНИКАМ ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Технологические требования определяются конкретным процессом или совокупностью процессов, для которых предназначен проектируемый источник питания:

–соответствующая процессу (процессам) внешняя статическая характеристика или набор характеристик.

–достаточное для надежного зажигания дуги напряжение холостого хода Uxx .

7

–возможность регулирования выходных параметров (тока и напряжения) согласно заданным минимальным и максимальным их значениям.

–стабилизация выходных параметров при наличии внешних воздействий (колебаний сетевого напряжения, температуры и пр.).

–отдельную группу составляют динамические требования, сущность которых заключается в обеспечении переходных процессов при воздействиях со стороны нагрузки, способствующих выполнению основных требований технологии, в частности, стабильному горению дуги, минимальному разбрызгиванию металла и др.

Конструктивные требования. Конструктивное исполнение ИП, его масса, габариты, эргономические свойства должны соответствовать условиям производства.

Энергетические характеристики:

–высокий КПД;

–высокий коэффициент мощности.

Энергетические характеристики регулируемого ИП (КПД, коэффициент мощности) оцениваются в номинальном режиме. Поскольку нагрузка (дуга) существенно нелинейна, повышение коэффициента мощности, который в этом случае не совпадает с cos , является важным требованием.

Требования техники безопасности:

– напряжение холостого хода Uxx не должно превышать значения, установленного и согласованного для данных условий эксплуатации.

–оболочка (корпус) ИП конструируется в соответствии с международными нормами защиты по ГОСТ 12.2.007.0 – 75.

–конструкция и категория размещения также определяются условиями эксплуатации в соответствии с ГОСТ 23216 – 78.

Режимы работы источников питания.

Сварочный процесс состоит из чередующихся циклов с длительностью:

где tр – время сварки, tп – длительность паузы.

Различаются 3 типовых режима работы ИП: продолжительный, перемежающийся и повторно – кратковременный.

Для продолжительного режима характерно постоянство нагрузки. Температуры всех элементов ИП достигают установившихся значений. Характеристикой режимаявляетсядлительнодопустимыйпонагревусварочныйток I 2дл.

8

В случае повторно-кратковременного режима кратковременные рабочие периоды чередуются с интервалами, в течение которых ИП отключается от питающей сети.

Режим количественно характеризуется относительной продолжительностью включения ПВ tрtц.

Действующее значение номинального сварочного тока ИП I 2н связано с длительно допустимым по нагреву током I 2дл соотношениями (2.2):

3. ВНЕШНИЕ СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Внешней статической характеристикой (ВСХ) ИП называется зависимость действующего значения напряжения нагрузки U2 от действующего значения протекающего в ней тока I2. При экспериментальном определении ВСХ по точкам обычно изменяют активное сопротивление нагрузки ИП, а перед отсчетом значений U2 и I2 выдерживается пауза, необходимая для окончания переходных процессов.

В соответствии с терминологией, принятой в литературе по сварочному оборудованию, различаются крутопадающие и пологопадающие ВСХ.

Крутопадающие ВСХ имеют ИП для сварки штучным покрытым электродом (MMA) и для ручной аргоно-дуговой сварки неплавящимся электро-

дом (TIG).

Пологопадающие ВСХ имеют ИП для механизированной сварки в среде защитного газа (MAG, MIG) и для сварки под флюсом.

Примечание. Следует отметить, что современные ИП на основе управляемых полупроводниковых преобразователей энергии, содержащие микроэлектронные аппаратные средства обработки информации являются универсальными и способны сформировать ВСХ любой заданной конфигурации внутри области, ограниченной только предельно допустимыми параметрами силовых элементов.

На рис. 3.1, а представлены крутопадающие ВСХ ИП для сварки штучным покрытым электродом: максимальная (линия 1) и минимальная (линия 2), а также усредненная вольт – амперная характеристика дуги, горящей в парах железа (линия 3).

9

В частности, для номинального тока I 2н номинальное напряжение определится как (3.1):

Построение семейства ВСХ проводится следующим образом. Напряжение холостого хода Uxx выбирается исходя из типа электродов.

Для электродов без ионизирующих покрытий, облегчающих зажигание дуги, Uxx = 70–80 В, а для электродов с рутиловым покрытием Uxx = 45–50 В.

бирают исходя из предполагаемых диаметров электродов (3.2):

где d – максимальный диаметр электрода, мм. Значения токов короткого замыкания Iкз должны в 1,4–1,5 раза превышать номинальные для исключения «прилипания» электрода к изделию.

Наклон ВСХ в рабочих точках должен составлять 1,5–2 В/А. Источники питания для ручной аргонодуговой сварки (TIG) должны

иметь наклон ВСХ в рабочей зоне (рис. 3.1, б) составляет 3–4 В/А.

На рис. 3.2 показаны пологопадающие ВСХ: максимальная (линия 1) и минимальная (линия 2), а также линеаризованный участок вольтамперной характеристики (ВАХ) дуги при сварке в среде СО2.

Построение семейства ВСХ проектируемого ИП проводится в следующем порядке.

10