Материаловедение и технология конструкционных материалов

Однако эта мощность используется на нагрев основного и при­ садочного металла только частично: при сварке покрытыми электродами — (0,6...0,85)Q, при сварке в защитных газах — (0,5...0,6)Q, при сварке под флюсом — (0,80...0,85)Q. Остальная часть ее теряется в результате теплопередачи в окружающую среду. Мощность дуги, расходуемая на нагрев и расплавление металла, называется эффективной тепловой мощностью Q3$:

Яэф= nQ.

где Г) — коэффициент полезного действия дуги, который зави­ сит от способа сварки, вида и состава сварочных материалов.

Для оценки затрат тепловой энергии пользуются понятием погонной энергии сварки дп (Дж/см), которая представляет со­ бой количество теплоты, вводимой в металл в процессе сварки в единицу времени и приходящейся на единицу длины шва, и определяется по выражению

где исв — скорость перемещения Дуги (скорость сварки).

Источники тока для питания сварочной дуги характеризуются

внешней волът-амперной характеристикой. Внешней характе­ ристикой источника называется зависимость напряжения [/ист на его выходных клеммах от тока / св в электрической цепи. Внеш­ няя характеристика может быть падающей, пологопадающей, возрастающей, жесткой (рис. 19.6).

Источник выбирают в зависимости от статической вольт-ам- перной характеристики дуги, соответствующей принятому спо­ собу сварки.

Для питания дуги с жесткой характеристикой применяются источники тока с падающей внешней характеристикой (ручная дуговая сварка, автоматическая сварка под флюсом, сварка в защитных газах неплавящимся электродом). Взаимосвязь статической характеристики Дуги 1 и падающей характеристи­ ки источника питания дуги 2 приведена на рис. 19.7.

Режим горения дуги определяется точками пересечения ха­ рактеристик дуги и источника тока. Точка А называется точкой зажигания, а точка В — точкой устойчивого горения дуги.

Рис. 19.6. Внешние вольт-амперные характеристики источников питания дуги:

1 — падающая; 2 — пологопадающая; 3 — возрастающая; 4 — жесткая

Рис. 19.7. Взаимосвязь характеристик дуги и источника тока

Пересечение внешней характеристики с осью ординат 17 опре­ деляет напряжение холостого хода источника XJ0, а с осью абс­ цисс I — силу тока короткого замыкания 1Кпри замыкании элек­ трода на изделие и замыкании каплями жидкого электродного металла. Короткое замыкание характеризуется малым напряже­ нием, стремящимся к нулю, и повышенным, но ограниченным током. Режим холостого хода, когда сварочная цепь разомкнута и дуга не горит, характеризуется повышенным напряжением (60...70 В). Рабочее напряжение дуги UKподдерживается в пре­ делах 16...30 В.

484 Раздел V. Сварочное производство

В результате взаимосвязи характеристик дуги и источника тока обеспечивается устойчивость горения дуги при изменении силы тока.

При снижении тока дуги (точка В') напряжение источника U'a окажется большим, чем это необходимо для горения дуги по ста­ тической вольт-амперной характеристике. Из-за этого произойдет самопроизвольное увеличение тока и процесс горения вернется в точку В. Увеличение тока дуги (точка В") приведет к тому, что источник тока не сможет обеспечить необходимое напряжение дуги. Это вызовет самопроизвольное снижение силы тока, и горе­ ние дуги снова переместится в точку В.

Если статическая вольт-амперная характеристика дуги падаю­ щая, то для устойчивого горения требуются источники питания только с падающими характеристиками.

Для устойчивого горения дуги с возрастающей статической вольт-амперной характеристикой могут быть использованы лю­ бые источники питания.

19.3. Источники питания электрической дуги

Источники питания электрической дуги характеризуются рядом параметров при работе на установившихся режимах: хо­ лостом ходу, рабочей нагрузке и коротком замыкании. Такими параметрами являются номинальный ток, пределы регулирова­ ния сварочного тока, напряжение холостого хода, номинальное рабочее напряжение, продолжительность работы источника, ко­ эффициент полезного действия.

Номинальный ток определяет расчетное значение сварочного тока источника. Для большинства источников питания дуги но­ минальные токи находятся в пределах 50... 1000 А.

Пределы регулирования сварочного тока указывают мини­ мальные и максимальные значения тока, которые могут быть использованы при сварке. В большинстве случаев за максималь­ ный ток принимают номинальный ток. Отношение максимально­ го тока к минимальному показывает кратность регулирования (обычно составляет не менее трех).

Напряжение холостого хода в значительной мерё определяет условия зажигания и повторного возбуждения дуги. В зависи­

мости от назначения источника напряжение холостого хода мо­ жет изменяться от 30 до 120 В.

Номинальное рабочее напряжение характеризует напряжение на зажимах источника под нагрузкой. Для источников питания дуги с номинальными сварочным током до 600 А

и д = 20 + 0,04/св.

Для более мощных источников питания рабочее напряжение равно 44 В и выше.

Источники питания дуги рассчитаны на определенную на­ грузку, при которой они работают без перегрева.

Коэффициент полезного действия пи характеризует потери энергии в самом источнике, %:

iV,100

где N A — мощность дуги; ЛГС— мощность, потребляемая из сети.

Для различных источников питания Г|и составляет 45...98 %. Источники питания дуги в зависимости от рода тока подразде­

ляются на источники переменного тока (сварочные трансформа­ торы) и постоянного тока (сварочные выпрямители и генераторы).

Сварочные трансформаторы применяются для ручной дуго­ вой сварки покрытыми электродами, сварки под флюсом, сварки в некоторых защитных газах. Трансформаторы имеют в основном крутопадающие и пологопадающие внешние вольт-амперные характеристики.

Сварочные трансформаторы являются однофазными пони­ жающими трансформаторами, преобразующими высокое напря­ жение электрической сети (220 или 380 В) в низкое напряжение сварочной цепи — напряжение холостого хода. Сварочные транс­ форматоры состоят из магнитопровода (сердечника), первичной и вторичной обмоток, устройства создания падающей внешней характеристики и регулирования тока.

Падающая характеристика обеспечивается за счет индуктив­ ного сопротивления в самом трансформаторе или включения в цепь дуги дополнительного индуктивного сопротивления — реактивной катушки.

В зависимости от способа создания индуктивного сопротив­ ления в цепи дуги трансформаторы разделяют на две группы.

Первую составляют трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием без реактивной катушки, вторую — с нормальным магнитным рассеянием в сочетании с реактивной катушкой.

В трансформаторах с увеличенным магнитным рассеянием

(рис. 19.8) первичная W r и вторичная W 2обмотки разнесены по высоте магнитопровода 1. При прохождении тока по обмоткам возникают магнитные потоки. Основная часть магнитных пото­ ков Ф, создаваемых намагничивающей силой первичной и вто­ ричной обмоток, замыкается по стержню магнитопровода. Другая часть магнитных потоков замыкается по воздуху, создавая потоки рассеяния Фр1 и Фр2. Потоки рассеяния наводят в трансформаторе реактивную электродвижущую силу, которая и определяет его индуктивное сопротивление. В результате трансформатор име­ ет падающую характеристику.

Рис. 19.8. Трансформатор с увеличенным магнитным рассеянием: а — электромагнитная схема; б — распределение магнитных потоков

Изменение индуктивного сопротивления осуществляется сле­ дующими способами:

□раздвижением катушек по высоте магнитопровода (транс­ форматоры типа ТС, ТД, ТДМ);

□введением в окно магнитопровода подвижных шунтов (транс­ форматоры типа СТШ);

□размещением в окне магнитопровода управляемых шунтов (трансформаторы типа ТДФ),

488 Раздел V. Сварочное производство

Регулирование величины индуктивного сопротивления и соотвётственно сварочного тока производится путем изменения воздушного зазора S. При минимальных зазорах обеспечивается максимальное индуктивное сопротивление катушки и минималь­ ный ток, и наоборот.

Сварочные выпрямители применяются для ручной дуговой сварки покрытыми электродами, механизированной дуговой свар­ ки под флюсом И в защитных газах. Выпрямители состоят из следующих элементов: трансформатора, выпрямительного пуско­ регулирующего блока, измерительной и защитной аппаратуры.

В выпрямителях используются понижающие трансформаторы, аналогичные по принципу действия сварочным трансформаторам. Внешняя вольт-амперная характеристика выпрямителей опре­ деляется вольт-амперной характеристикой трансформатора.

Выпрямительные блоки собираются по мостовой схеме из по­ лупроводниковых неуправляемых (диодов) и управляемых (ти­ ристоров) вентилей.

Выпрямители, имеющие жесткую характеристику, состоят из трансформатора с нормальным рассеянием и нерегулируе­ мого выпрямительного блока.

Работа однофазной мостовой схемы выпрямителя заключается в следующем (рис. 19.10). В положительный (условно) полупери-

Рис. 19.10. Схема выпрямительных установок:

а — однофазная мостовая схема; ,б — трехфазная мостовая схема

од ток проходит от точки Т х трансформатора через вентиль 3, нагрузку Н, вентиль 2 и далее в точку Г2 трансформатора. В отри­ цательный (условно) полупериод ток проходит от точки Тг транс­ форматора через вентиль 4, нагрузку Н (в направлении, аналогич­ ном предыдущему), вентиль 1 и далее в точку Тгтрансформатора. В итоге через нагрузку протекает выпрямленный ток с положи­ тельными (условно) полупериодами.

Универсальными являются выпрямители, которые имеют регулируемый тиристорный выпрямительный блок, позволяю­ щий обеспечить жесткую, пологопадающую и крутопадающую характеристики. Тиристорный блок используется в качестве ре­ гуляторов тока. К универсальным относятся сварочные выпря­ мители ВДУ-305, ВДУ-506, применяемые для ручной дуговой сварки покрытыми электродами, сварки в С02 и под флюсом.

Сварочные генераторы применяются для ручной дуговой сварки покрытым электродом, сварки под флюсом и сварки в защитных газах. В зависимости от назначения они могут иметь падающую или жесткую внешнюю вольт-амперную ха­ рактеристику.

Генератор приводится в действие с помощью привода. Если используется приводной электродвигатель, то генератор назы­ вается сварочным преобразователем, если двигатель внутрен­ него сгорания — сварочным агрегатом.

Генератор может иметь две электрические схемы (рис. 19.11):

□с независимым возбуждением и последовательной размаг­ ничивающей обмоткой РО;

□с параллельной намагничивающей НО и последовательной

размагничивающей РО обмотками.

По первой схеме намагничивающая обмотка независимого воз­ буждения НО питается от постороннего источника постоянного тока, по второй — параллельная намагничивающая обмотка НО или, иначе, обмотка самовозбуждения питается от основной и вспомогательной щеток.

При протекании намагничивающего тока в генераторах об­ разуется намагничивающий поток Фн. Изменяя ток намагничи­ вания в цепи возбуждения с помощью реостата, осуществляют плавное регулирование напряжения холостого хода, а следова­ тельно, и режима работы.

При сварке, когда сварочный ток проходит через последова­ тельную размагничивающую обмотку РО, создается поток Фр,

Р

Рис. 19.11. Принципиальные электрические схемы сварочных генераторов:

а — с независимым возбуждением и последовательной размагничивающей обмоткой; б — с параллельной намагничивающей и последовательной раз­

магничивающей обмотками

который направлен навстречу потоку Фн. Результирующий по­ ток уменьшится, одновременно снизится напряжение на зажи­ мах генератора, т.е. обеспечивается рабочее напряжение дуги.

Источники питания дуги постоянным током (выпрямители и генераторы) обладают следующими преимуществами перед ис­ точниками переменного тока:

□более устойчивое горение дуги из-за отсутствия затуханий, связанных с изменением полярности переменного тока;

□высокое качество сварки благодаря высокой стабильности дуги постоянного тока;

□возможность применения всех выпускаемых промышлен­ ностью марок электродов, в то время как для сварки перемен­

ным током электроды некоторых марок непригодны;

□меньшая чувствительность к колебаниям напряжения в сети;

□сварочные агрегаты удобны для использования в местах, где отсутствует электроэнергия.

Основой инверторных источников питания сварочной дуги является инвертор. В общем случае он представляет собой уст­ ройство, служащее для превращения постоянного тока в пере­ менный. Применяемые в современных сварочных источниках дитания транзисторные инверторы, созданные на базе последних достижений в области энергетической электроники, позволяют