Сварка и свариваемые материалы. Том 2. Технология и оборудование

Рис. 7.1. Структурные схемы источников сварочного тока

прямителя, могут входить: устройство для первоначального возбуждения дуги и стабилизации горения дуги в процессе сварки, устройство для ограничения нли регулирования постоянной составляющей сварочного тока, аппаратура управления циклом сварки, программатор сварочных режимов, сварочные го­ релки. Тйкие комплексные устройства, смонтированные в общем кожухе, по­ лучили название установок для аргонодуговой сварки. Установки могут быть выполнены на базе традиционных или инверторных источников тока.

Внеш ние характеристики. По виду статических внешних характеристик ис­ точники тока можно подразделить на источники с падающими (ПВХ) «кру­ тыми» и «пологими», или «жесткими» (ЖВХ) внешними характеристиками. Источники с внешними характеристиками двух видов получили название универсальных.

Требования к виду внешних характеристик определяются такими показа­ телями сварочного процесса, как тип электрода (плавящийся, неплавящийся), характер среды, в которой происходит сварка (открытая дуга, дуга под флю­ сом, в защитных газах), степень механизации процесса (ручная, полуавтома­ тическая, автоматическая сварка), способ регулирования режима горения дуги (саморегулирование, автоматическое регулирование напряжения дуги). Так, для сварки ручной дуговой покрытыми штучными электродами, аргоно­ дуговой вольфрамовым электродом, механизированной под слоем флюса на автоматах с регулированием скорости подачи электродной проволоки в зави­ симости от напряжения дуги используются источники с ПВХ.

При ПВХ источник работает в режиме регулятора сварочного тока. Сва­ рочный ток может регулироваться в заданном диапазоне плавно или ступен­ чато. По технологическим (сварочным) и экономическим соображениям часто используют плавно-ступенчатое регулирование, когда две (или более) ступени регулирования сочетаются с плавным регулированием внутри каждой сту­

пени. Регулирование сварочного тока при ПВХ выполняется при приблизи­ тельном постоянстве напряжения холостого хода. Часто при плавно-ступенча­ том регулировании переход на ступень малых токов сопровождается повыше­ нием напряжения холостого хода. Каждому значению сварочного тока соот­ ветствует определенное условное рабочее напряжение. Так, при ручной дуговой сварке штучными электродами, согласно ГОСТ 96—77, рабочее напря­ жение (В) и сила сварочного тока (А) связаны соотношением:

и 2 = 20 + 0,04/2.

Каждому виду сварки соответствует определенная крутизна наклона ПВХ. Например, наиболее крутые характеристики используются для аргоно­

в сварочном автомате.

При механизированной сварке в среде С02 и при автоматической сварке под флюсом при постоянной, не зависящей от напряжения дуги скорости по­ дачи электродной проволоки прибегают к ЖВХ. Источник питания при ЖВХ работает как регулятор напряжения. Рабочее напряжение регулируется в за­ данных пределах, причем диапазон регулирования рабочего напряжения вы­ бирается в строгом соответствии с заданным диапазоном силы сварочного тока.

Регулирование напряжения при ЖВХ также может быть плавным, ступен­ чатым и смешанным. Величина сварочного тока определяется скоростью по­ дачи электродной проволоки, а источник питания задает напряжение дуге и обеспечивает саморегулирование длины дуги.

Характер нагрузки источника тока. Нагрузка источника сварочного тока, как правило, переменная. Процесс сварки обычно состоит из ряда повторяю­ щихся циклов длительностью /ц, в которых рабочий период /р чередуется с паузами tu, связанными со сменой электрода, подготовкой к наложению следующего шва и т. п.

Согласно стандартам на сварочные источники, типовых режимов работы

три:

1.Продолжительный — при неизменной нагрузке.

2.Перемежающийся — когда кратковременные рабочие периоды череду­ ются с периодами работы источника на холостом ходу. Режим характеризу­

ется относительной продолжительностью нагрузки ПН = /Р//Ц или (/р//ц) • 100,

% •

3. Повторно-кратковременный режим, при котором кратковременные ра­ бочие периоды чередуются с периодами отключения силовой цепи источника от сети. Режим характеризуется относительной продолжительностью включе­

механизированной сварки. Номинальная сила тока источника /гном всегда связана с режимом работы, на который рассчитан данный источник. Напри­

^адлит — Iгном УПН или /|длит — /гном V^IB .

Исполнения источников тока. Источники сварочного тока по ГОСТ 15150—69 изготовляют в климатических исполнениях У, УХЛ, Т для категорий размещения 2, 3, 4. Степень защиты— 1Р22 (для трансформаторов автома­ тической сварки и установок аргонодуговой сварки допускается 1Р21). Кон­ струкции источников соответствуют требованиям безопасности по ГОСТ 12.2.007.0—75, ГОСТ 12.2.007.8—75, ГОСТ 12.1.003—76. Трансформаторы для

РДС обычно работают при естественном охлаждении, остальные источники — при принудительной воздушной вентиляции. Класс изоляции большинства источников — Н.

Структура обозначения. Каждому источнику присваивается условное обозначение типа изделия, которое состоит из буквен­

под флюсом, Г — в защитных газах; отсутствие буквы означает ручную дуговую сварку); четвертая дает дальнейшее пояснение исполнения изделия (Ж или П — с жесткими или падающими внешними характеристиками, М или Э — с механическим или электрическим регулированием, Ч — со звеном повышенной ча­ стоты— инвертором. Затем через тире указывают силу мини­ мального сварочного тока (округленно в десятках ампер); сле­ дующая цифра — регистрационный номер изделия, затем через тире идет номер модификации (если таковая имеется), а после­ дующие буква и цифра — соответственно климатическое испол­ нение и категория размещения. Например, наименование изде­ лия ТДМ—317—1У2 обозначает: трансформатор для ручной дуговой сварки с механическим регулированием на ток 315 А, регистрационный номер 7, модификация 1 (с ограничителем на­ пряжения холостого хода), исполнение У, категория размеще­ ния 2.

П р и м е р з а п и с и обозначения изделия при его заказе: Трансформа­ тор сварочный ТДМ—317—1У2, 380 В, 50 Гц, ГОСТ 95—77.

7.1.2. Сварочные трансформаторы

Конструкции их весьма разнообразны. В зависимости от спо­ соба регулирования тока эти трансформаторы можно подраз­ делить на две группы — с механическим и электрическим регу­ лированием. В первую группу входят устройства, связанные с применением подвижных обмоток и секций магнитопроводов. Во вторую — устройства, связанные с подмагничиванием маг­ нитопроводов постоянным током и тиристорным регулирова­ нием.

Трансформаторы для РДС

Трансформаторы выпускаются по ГОСТ 95—77 на номиналь­ ные силы тока 160, 250, 315, 400 и 500 А (табл. 7.2),

Трансформаторы ТДМ—165 и ТДТ—254 выпускаются в пере­ носном исполнении с продолжительностью нагрузки ПН = 25% и предназначены для ремонтных и монтажных работ: трансфор­ маторы ТДМ—317, ТДМ—401 и ТДМ—503 в передвижном ис­ полнении с ПН = 60 % — для работы в промышленности и строительстве. Трансформаторы ТДМ—317—1, ТДМ—401—1,

ТДМ—503—1 снабжены устройством снижения напряжения холостого хода, ТДМ—503—2 — косинусным конденсатором, ТДМ—503—3 — устройством снижения напряжения холостого хода и косинусным конденсатором, ТДМ—503—4 — возбудите­ лем-стабилизатором горения дуги, позволяющим сваривать стали электродами с основным покрытием и неответственные соединения алюминиевых сплавов.

Конструктивно трансформаторы серии ТДМ относятся к группе трансформаторов стержневого типа с подвижными обмотками. Для них характерны малый расход активных мате­ риалов, простота конструкции, высокие сварочные и энергети­ ческие показатели. Минимальную массу и широкие пределы ре­ гулирования тока позволяют получать два диапазона регулировзния.

Трансформаторы для автоматической сварки под флюсом

Трансформаторы выпускаются по ГОСТ 12—77 на номиналь­ ные токи 1000 и 2000 А (табл. 7.3). Трансформаторы выпуска­ ются в стационарном исполнении, рассчитаны на продолжи­ тельный режим работы; климатические исполнения — УЗ и Т4; степень защиты— 1Р21.

Трансформаторы имеют ЖВХ и предназначены для сварки на автоматах с постоянной скоростью подачи электродной про­ волоки. Трансформаторы выполнены с тиристорным регулиро­ ванием, работают в режиме прерывистого тока и имеют им­

бовых частях (Ф1л, Ф2л) при полностью сдвинутых обмотках (5=0). Состав­ ляющая х ^ соответствует магнитному полю в окне трансформатора в зазоре

между обмотками и связана с расстоянием между обмотками 5 прямо про­ порциональной зависимостью.

Ниже приводятся формулы для расчета индуктивного сопротивления рас­ сеяния, отнесенного ко вторичным обмоткам с числом витков ш2. Формулы получены в предположении, что магнитная проницаемость магнитопровода бес­ конечна, отсутствует демпфирующее влияние вихревых токов, ток в витках распределен равномерно.

Индуктивное сопротивление

При расчете минимального индуктивного сопротивления трансформатора Xmin (для полностью сдвинутых обмоток) составляющая Jtj. определяется

с учетом минимального расстояния между обмотками, необходимого по кон­ структивным соображениям. Максимальному индуктивному сопротивлению *тах соответствует максимальное расстояние между обмотками.

Приведенные соотношения соответствуют параллельному включению обмо­ ток трансформатора. При переходе к последовательному соединению (w2'= = 2 ш2) индуктивное сопротивление возрастает в четыре раза.

Элементы, расчета трансформатора. Исходными данными при расчете являются расчетная мощность трансформатора, продолжительность нагрузки, номинальный ток и пределы его регулирования, номинальное рабочее напряжение, напряжение холостого хода и тепловой режим, на который рассчитывается трансформатор (класс изоляции обмоток). Расчет ведется ме­ тодом последовательных приближений. Предварительно опреде­ ляют основные геометрические размеры трансформатора, а по­ том —поверочный расчет всех заданных величин, и в первую очередь индуктивного сопротивления; затем уточняют геомет­ рические размеры и т. д.

При плавно-ступенчатом регулировании поверочный расчет индуктивных сопротивлений и пределов регулирования тока ве­ дут для обеих ступеней (диапазонов)

Рассчитываются следующие параметры в указанном по­ рядке:

1. Минимальное и максимальное индуктивные сопротивле­ ния, обеспечивающие заданные пределы регулирования:

бор числа витков обмоток имеет принципиальное значение, так как витки определяют пределы регулирования сварочного тока. Для выбора числа витков обмоток w\, w2 рекомендуется поль­ зоваться эмпирической зависимостью параметра В/виток, от расчетной мощности трансформатора, кВА, приведенной к дли­ тельному по нагреву току трансформатора

lw = 0.55 + 0,095РдЛ.

Эта зависимость справедлива для широкого диапазона мощ­ ностей, однако наилучшая сходимость результатов достигается в диапазоне 5—30 кВА.

Мощность, кВА, в формуле для /«,:

РДЛ= 10~3£/2сУ2НОМл/ПН '

где /2ном — номинальный вторичный ток, А; ПН — продолжи­ тельность нагрузки.

Затем определяем

u>i = UJlw, w2 = UWllw.

3. Числа витков катушек.

При параллельном соединении катушек — это ш)к и w2K, при последовательном — W\K'=Wi/2, w2K' — w2/2.

4. Номинальный ток, А, первичной обмотки

1 1ном = I t m u k y J t X ,

где £ ц= 1,05+1,1— коэффициент, учитывающий намагничиваю­ щий ток трансформатора, п — коэффициент трансформации.

5. Сечение стали сердечника трансформатора, см2:

Sc = £/яо10*/4,44/шаВот,

где Вт — индукция в сердечнике, Тл. Для холоднокатаной стали можно принять В т= 1,6+1,7 Тл.

6. Конструктивные размеры трансформатора. Расчет кон­ структивных размеров произведен применительно к стержневой

конструкции, эскиз которой дан на рис. 7.2, б. Далее всё ли­ нейные размеры приводятся в миллиметрах, сечения — в ква­ дратных миллиметрах.

для трансформаторов на токи 325—500 А.

б. Сечения обмоточных проводов (для параллельного соеди­ нения катушек)

трансформаторов на ток до 500 А класса изоляции Н для руч­ ной дуговой сварки могут быть рекомендованы следующие ве­ личины плотностей тока: /, = 2,44-2,8 А/мм2; /2 = 2,1—2,3 А/мм2. Нижние значения /, и /2 соответствуют трансформаторам боль­ шей мощности. Для первичной обмотки обычно используется провод марки АПСД, для вторичной — голая шина марки АД0.

в. Размеры провода, мм, выбираемые исходя из требуемых сечений провода по таблицам стандартов или технических ус­

а'т и Ь'2П— то же, с изоляцией.

Высоту провода следует выбирать возможно меньшей, так как добавочные потери в обмотках от потоков магнитного рас­ сеяния трансформатора пропорциональны четвертой степени высоты провода.

г. Конструктивно-крепежные размеры, мм: изоляционные расстояния катушек в окне от магнитопровода б,=54-10; верх­ нее значение соответствует подвижной обмотке; ширина венти­ ляционных каналов в обмотках 62= 104-13; ширина прокладки

д. Размеры катушек первичной обмотки, мм: ширина

ции; Лу =1,1 — коэффициент, учитывающий неплотность укладки проводников; число витков в слое ы)\сл = и>1к/п\гл, высота пер­

вичной катушки А| = 1е>|СЛ6'|пЛу.

е. Размеры катушек вторичной обмотки: вторичная обмотка наматывается «на ребро» голой алюминиевой шиной марки АД0. Размер шины и внутренний радиус намотки «на ребро»

выбирают из условия, что относительное удлинение волокон шины по наружному радиусу должно быть <30% , в противном случае могут появляться разрывы шины при намотке.

Высота катушки h2=W2cnb'2nky. ж. Высота окна магнитопровода

^ок = ^1 + Лх + £шах + Aj + 67,

где |шах определяется в процессе поверочного расчета индук­ тивного сопротивления трансформатора.

7. Поверочный расчет трансформатора ведут по приведен­ ным ранее формулам. Полный тепловой расчет может быть проведен по известным методикам расчета силовых трансфор­ маторов.

7.1.3. Сварочные выпрямители

Отечественные сварочные выпрямители имеют в основном трех­ фазное питание, выполняются как на диодах, так и на тири­ сторах. В выпрямителях используются трехфазная мостовая, двойная трехфазная схема с уравнительным дросселем или кольцевая схема выпрямления. В выпрямителях большой мощ­ ности диодное выпрямление во вторичном контуре сочетается с тиристорным регулированием по первичной стороне. В зави­ симости от числа сварочных постов, которые могут быть одно­ временно подключены к источнику, выпрямители подразделя­ ются на одно- и многопостовые.-

Выпрямители для ручной дуговой сварки выпускаются по ГОСТ 13821—77 на токи 200, 315, 400 А, ПН=60% и имеют крутопадающие внешние характеристики.

Климатическое исполнение выпрямителей УЗ и 04. Техни­ ческие данные выпрямителей серии ВД приведены ниже:

Выпрямители выполнены по трехфазной мостовой схеме на кремниевых диодах. Основу выпрямителя составляет трансфор­ матор с подвижными обмотками. Одновременное переключение первичных и вторичных обмоток трансформатора с «треуголь­ ника» на «звезду» позволяет получить две ступени регулирова­ ния тока.