Пособие по источникам питания

УДК 621.791.75.037 (075) ББК 30.61.я73

С60

Солодский С.А.

С60 Источники питания для дуговой сварки: учебное пособие / С.А. Солодский, О.Г. Брунов, Д.П. Ильященко; Юргинский технологический институт – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. – 165 с.

В учебном пособии изложены технические и технологические разработки источников питания для дуговой сварки, позволяющие понять принцип действия, устройство и требования, предъявляемые к источникам питания сварочной дуги. Описаны источники переменного тока, выпрямители и генераторы. Приведено устройство сварочных установок для сварки легких сплавов и специальных сталей. Предназначено для студентов вузов, обучающихся по специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства» и инженернотехнических работников, занятых в области сварочного производства.

УДК 621.791.75.037 (075) ББК 30.61.я73

Рецензенты

Заведующий кафедрой «Механики и инженерной графики» ЮТИ ТПУ, доктор технических наук, доцент

С.Б. Сапожков

Главный научный сотрудник Института физики прочности и материаловедения СО РАН, доктор физико-математических наук, профессор

В.И. Данилов

©Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета, 2012

©Солодский С.А., Брунов О.Г., Ильященко Д.П., 2012

©Оформление. Издательство Томского политехнического университета, 2012

2

2.1.2.Структура обозначений типов электросварочного

3

4.1.Однопостовые сварочные выпрямители с механическим

4.2.1.Многопостовые выпрямители для ручной дуговой сварки 100

4.2.2.Многопостовые выпрямители для механизированной сварки

5.6.Инверторный источник питания – энерго- и

4

5

Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДУГОВОГО РАЗРЯДА

1.1. Общие сведения

Сварка – технологический процесс получения неразъемного соединения частей изделия путем местного сплавления или совместного деформирования металлов этих частей по их примыкающим поверхностям, в результате чего возникает прочное сцепление металлов, основанное на межатомном взаимодействии. Одним из видов сварки для осуществления неразъемных соединений металлических изделий является дуговая сварка, при которой для плавления металлов используется энергия электрического дугового разряда, возбуждаемого и поддерживаемого в пространстве между электродом и изделием.

В зависимости от характера среды, в которой происходит дуговой разряд, существуют три вида электрической дуговой сварки:

1)дуговая электрическая сварка открытой дугой покрытым плавящимся металлическим или неплавящимся электродом;

2)дуговая электрическая сварка закрытой дугой под флюсом плавящимся металлическим электродом;

3)дуговая электрическая сварка плавящимся или неплавящимся электродом в среде защитных газов.

Электрическая дуга различается также по роду тока, переменного или постоянного, а также по характеру воздействия дуги как источника теплоты на свариваемый металл. Существуют дуги прямого, косвенного и смешанного действия. При сварке дугой прямого действия дуга горит между электродом и свариваемым изделием. При сварке дугой косвенного действия изделие не включено в сварочную цепь, а дуга горит между двумя электродами.

Зажигание дуги операция, предшествующая процессу сварки. Зажигание дуги осуществляется двумя способами. Первый, когда зажигание дуги осуществляется путем соприкосновения электрода и изделия непосредственно, что при небольшом давлении вызывает разогрев и испарение микровыступов. При последующем размыкании цепи путем отвода электрода от изделия в разогретом газовом промежутке возникает термоэлектронная эмиссия и совместно с напряженностью электрического поля приводит к ионизации дугового промежутка, в результате чего возникает электрическая дуга. При втором способе между электродом и изделием пропускается высоковольтный, высокочас-

6

тотный разряд, при этом дуговой промежуток ионизируется и возникает электрическая дуга.

Основная операция сварки изделия состоит в образовании сварного шва. Сварной шов образуется в результате расплавления электродного или присадочного материала и проплавления основного металла тепловой энергией дуги. Форма и площадь сечения сварного шва зависят не только от общей мощности дуги, но и от параметров режима ее горения, тока и напряжения дуги.

Скорость расплавления электродного металла увеличивается с увеличением сварочного тока и повышением плотности тока в электроде. При механизированной сварке в среде СО2 с увеличением тока увеличивается глубина проплавления, а с увеличением напряжения дуги увеличивается ширина шва.

1.2. Электрическая сварочная дуга

Различают два состояния работы дугового разряда:

1.Состояние установившегося равновесия или работа в статическом режиме, когда напряжение и ток в системе (источник питаниясварочная дуга) в течение достаточно длительного времени не изменяют своей величины. Графическое изображение зависимости между напряжением и током дуги или источника ее питания в установившемся состоянии называются соответственно статической вольтамперной характеристикой дуги и внешней характеристикой источника питания.

2.Состояние неустановившегося равновесия или работа в переходном (динамическом) режиме, когда ток и напряжение в системе изменяют свою величину под влиянием внешних воздействий на систему или в результате изменения каких-либо параметров (изменение длины дуги, напряжения источника питания или сопротивления сварочной цепи и т.п.). Графическое изображение зависимости между напряжением и током дуги или источника питания в неустановившемся режиме называется динамической характеристикой.

Свойства дуги и источника ее питания в значительной степени определяются этими характеристиками. От вида этих характеристик и их соответствия друг другу зависит главным образом работа всей энергетической системы как в статическом, так и в переходном (динамиче-

ском) режиме. Статическая характеристика дуги Uд = f(Iд) определяется свойствами дуги как нелинейного элемента электрической цепи, сопротивление которого зависит от тока. Это свойство дуги отличает ее от некоторых других видов потребителей электрической энергии, яв-

7

ляющихся линейными элементами, у которых сопротивление не зависит от тока, а напряжение нагрузки является линейной функцией тока.

Природа зависимости сопротивления дуги от тока и, следовательно, вид статической характеристики дуги как потребителя электрической энергии могут быть выяснены в результате изучения физических основ дугового разряда.

Электрическая дуга есть мощный разряд электричества в сильно ионизированной смеси газов и паров различных материалов, к которым

впервую очередь относятся материал электродов и вещество электродных покрытий или флюсов.

Дуговой разряд при сварке обычно происходит при более высоком давлении, чем атмосферное. Газы и пары различных материалов при низких температурах состоят из нейтральных молекул и атомов, т.е.,

вотличие от металлических проводников, не содержат свободных электронов. Поэтому газовый промежуток, в котором происходит мощный дуговой разряд, должен быть ионизирован, т.е. содержать электроны и ионы. Для ионизации газовой молекулы или атома необходимо сообщить им соответствующую энергию. Энергия ионизации, т.е. энергия выделения из нейтрального атома или молекулы одного электрона с образованием положительного иона, равна

где Ui, - потенциал ионизации смеси газов или паров вещества, в которых горит дуга, В; е - заряд электрона в кулонах, равный 1,59·10 -19 Кл.

Среду, в которой происходит мощный дуговой разряд, можно в первом приближении рассматривать как газовый проводник, имеющий в средней части кругло-цилиндрическую форму. Вблизи электродов газовый проводник несколько сужается, до размеров активных пятен на электроде.

Активными пятнами называются локализованные наиболее нагретые участки на поверхности электродов, через которые проходит весь ток дуги. Активное пятно на отрицательном полюсе дуги - катоде – называется катодным пятном, а на положительном полюсе - анодным. Поперечные размеры средней части газового проводника несколько больше активных пятен и, как показали исследования, зависят от последних, в первую очередь от катодного пятна.

Газовый проводник по длине распределяется на три области, отличающиеся процессами, происходящими в них. Непосредственно к

8

электродам прилегают катодная и анодная области, а между ними расположена средняя часть - положительный столб дуги.

На рисунке 1–2 приведены графики, отражающие качественную картину распределения потенциалов по длине дуги, горящей в Ar при ручной дуговой сварке неплавящимся электродом и плавящимся электродом при механизированной сварке в СО2.

Рис. 1. Сварочная дуга: 1 – электрод (катод); 2 - столб дуги; 3 - поток раскаленных газов; 4 – изделие (анод)

Рис. 2. Схема дуги при сварке плавящимся электродом в защитных газах и схема распределения потенциала по длине дуги: 1 - плавящийся электрод

(анод); 2 - капля жидкого металла; 3 - столб дуги; 4 – поток раскаленных газов; 5 - жидкая ванна; 6 – изделие (катод)

Характерным для графиков является то, что в приэлектродных областях наблюдаются резкие изменения потенциалов по сравнению с изменением потенциалов в столбе дуги. Это объясняется различием физических процессов, протекающих в этих областях и в столбе дуги. Напряжение на дуге Uд есть сумма разностей потенциалов в анодной области Uа, в столбе дуги Uс и в катодной области Uк

9

По своей протяженности катодная область очень мала, ее длина не превышает нескольких длин свободного пробега ионов, т.е. ≈ 10-4 мм. Анодная область имеет несколько большую протяженность и приблизительно равна длине свободного пробега электрона, около 10 -5-10-6 мм. Столб дуги можно рассматривать как однородный по всему объему проводник.

Общая длина дуги равна сумме длин всех трех областей. Так как протяженность приэлектродных областей чрезвычайно мала по сравнению с длиной столба дуги, то можно считать длину дуги равной длине столба

1.2.1. Катод и катодное пространство

Процессы, происходящие на катоде в катодной области, имеют весьма большое значение для возникновения и устойчивости дугового разряда.

Электрические проводники при обычных низких температурах, в отличии от непроводников обладают некоторым количеством свободных электронов, связанных с орбитами каких-либо атомов. Эти свободные электроны при отсутствии электрического поля находятся в хаотическом движении и свободно перемещаются во всем объеме тела. Однако они не могут вылетать за пределы тела, так как равнодействующая сил притяжения между положительными ионами и свободными электронами направлена внутрь тела. Для выхода или вырывания свободного электрона за пределы тела необходимо сообщить ему дополнительную энергию или совершить работу против сил, удерживающих электрон внутри тела. Эта работа выхода или энергия освобождения одного электрона из твердого или жидкого тела выражается обычно в электрон-вольтах Ue. Работа выхода, выраженная в эВ, определяется по уравнению

где UB - потенциал выхода электрона, В.

Работа выхода электрона из твердого тела обычно в 2-4 раза меньше энергии ионизации для того же вещества в газообразном состоянии. Для первичной ионизации смеси газов (паров) в дуговом про-

10