Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Источники питания сварочной дуги. Учебное пособие
.pdf
91
Поэтому в сварочную цепь для сглаживания выпрямленного тока вклю-
U
U
max
t
чается дроссель L (рис. 4.10).
Трехфазный мостовой выпрямительный блок (рис. 3.8) на кремниевых
диодах обеспечивает хорошо сглаженный ток (рис. 3.9). Он работает в комплекте с трехфазным генератором переменного тока, который, по сравнению с
однофазным генератором одинаковой мощности, легче. В настоящее время
большая часть вентильных генераторов выпускается по этой схеме.
Рис. 4.12. Осциллограмма напряжения
после однофазного выпрямительного блока
Основные достоинства вентильных генераторов связаны с относительной простотой генератора переменного тока.
Во-первых, и индукторный, и синхронный с явнополюсным ротором ге-
нераторы имеют неподвижную силовую обмотку, а в индукторном генераторе
силовая обмотка и обмотка возбуждения расположены на статоре. Это обеспечивает передачу электроэнергии в сварочную цепь без скользящих контактов
(щеток). Поэтому вентильные генераторы проще и надежнее в эксплуатации.
Отсутствие скользящих контактов обеспечивает вентильному генератору более
высокий КПД. У вентильного генератора КПД - около 0,7, а у коллекторного –
0,6-0,65.
Во-вторых, вентильные генераторы имеют лучшие массовые характери-
стики. Масса, приходящаяся на 1 Ампер тока в сварочной цепи, у вентильного
генератора в 1,8-1,4 раза (0,3–0,42 кг) больше, чем у коллекторного (0,55-0,58
кг/А).
В-третьих, вентильный генератор обладает универсальностью по роду
тока. Если у вентильного генератора использовать клеммы перед выпрямительным блоком, то возможна сварка и на переменном токе.
По сравнению со сварочными выпрямителями вентильные генераторы заметных преимуществ не имеют. Поэтому они вытесняют коллекторные генераторы в сварочных агрегатах при отсутствии на месте производства сварочных
работ электрической сети, где сварочные выпрямители неприменимы.
92
ГЛАВА 5
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
ДЛЯ СВАРКИ В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ
Дуговая сварка в защитных газах в настоящее время, в силу ряда преимуществ перед сваркой штучными электродами и под слоем флюса, заняла
ведущее положение в сварочном производстве. При этом за счет совершенствования электрических схем источников и широкого внедрения устройств автоматики, обеспечивающих универсальность источника, стабилизацию режима
и программное управление процессом сварки, достигается высокое качество
сварных соединений.
Сварка в защитных газах производится как плавящимся, так и неплавящимся электродами.
5.1. ИСТОЧНИКИ ДЛЯ СВАРКИ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ
В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ
Сварка плавящимся электродом (рис. 5.1) осуществляется в полуавтома-
тическом или автоматическом вариантах. В качестве защитного газа применяются аргон, углекислый газ и их смеси. Наибольший объем сварочных работ
при сварке углеродистых и низколегированных сталей у нас и за рубежом выполняется электродуговой сваркой плавящимся электродом в углекислом газе
или в смеси углекислого газа с аргоном.
Сварку легированных сталей, алюминиевых, магниевых, титановых и
других химически активных металлов выполняют в среде чистого аргона.
При сварке плавящимся электродом свойства столба дуги мало зависят от
состава защитной среды (аргон это или углекислый газ), а в основном определяются составом паров электродного металла и свариваемой детали. Поэтому
источники питания дуги с плавящимся электродом, в отличие от сварки неплавящимся электродом, практически пригодны для сварки и сталей и цветных
металлов. При сварке алюминия и его сплавов неплавящимся электродом, как
будет показано ниже, требуются специализированные источники питания.
При автоматической и полуавтоматической сварке плавящимся электродом в защитных газах применяется электродная проволока небольших диаметров (1,6 – 2,5 мм) и сварка ведется при большой плотности тока. Поэтому дуга
имеет возрастающую вольтамперную характеристику, а источники, питающие
такую дугу, могут иметь как падающую, так и жесткую и даже возрастающую
характеристику (см. рис. 1.16 – правая часть графика). Сварка в защитных газах
плавящимся электродом в зависимости от типа соединения, толщины свариваемых элементов и других конструктивных и технологических характеристик может осуществляться как на постоянном, так и на переменном токе прямой или
обратной полярности.
93
5.2. ИСТОЧНИКИ ДЛЯ СВАРКИ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ
а)
2
3
4
1 7 6
б)
1
8
5
9
10
6
Vсв
В ИНЕРТНОМ ГАЗЕ
При сварке неплавящимся электродом присадочная проволока подается в
головную часть сварочной ванны, минуя высокотемпературный столб дуги
(рис. 5.1, б). Благодаря этому уменьшаются потери на разбрызгивание, испарение, окисление и выгорание легирующих элементов, входящих в состав проволоки, и обеспечивается более полный их переход в металл шва. Поэтому при
сварке неплавящимся электродом получают сварные соединения более высокого качества, чем при сварке плавящимся электродом.
Сварка неплавящимся электродом в инертных газах рекомендуется для
соединения высокопрочных, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов,
алюминиевых, магниевых и титановых сплавов. Наибольшее распространение
получила аргоно-дуговая сварка свободной (несжатой) дугой (рис. 5.1, б).
Рис. 5.1. Схема сварки в защитных газах:
а) – механизированная сварка плавящимся электродом в защитных газах: СО2;
Ar; He и их смесях; б) – сварка неплавящимся W-электродом в Ar или He;
1 – защитный газ; 2 – электродная проволока; 3 – ролики подающего
механизма; 4 – скользящий контакт; 5 – керамическое сопло сварочной
горелки; 6 – свариваемое изделие; 7 – капли электродного металла;
8 – вольфрамовый электрод; 9 – токоподводящий мундштук;
10 – присадочная проволока
Тугоплавкий вольфрамовый стержень 8 (Тпл = 3380 С) крепится в мед-
ном токопроводящем мундштуке 9 внутри керамического сопла 5 сварочной
горелки. Инертный газ 1 (аргон или гелий), вытекая из сопла, защищает воль-
94
фрамовый электрод и зону сварки от взаимодействия с воздухом. Величина
сварочного тока в зависимости от диаметра электрода назначается в пределах
25-500 А при напряжении на дуге 10-30 В.
Сварка неплавящимся электродом также может осуществляться как на
постоянном, так и на переменном токах.
5.2.1. Источники для сварки неплавящимся электродом на постоянном токе
Сварка неплавящимся электродом на постоянном токе применяется для
большинства материалов малой и средней толщины, за исключением алюминиевых сплавов. Сварка выполняется дугой прямой полярности, когда катодом
является электрод (минус на вольфрамовом электроде). В этом случае вольфрамовый электрод работает в более благоприятных условиях, чем на обратной
полярности, так как большая часть тепла дуги выделяется на аноде (рис. 1.2),
что позволяет увеличивать токовую нагрузку на электрод без его перегрева и
разрушения. Несмотря на это, все же плотность тока в вольфраме ограничена.
Например, при диаметре электрода 2 мм допустимая величина тока 75 А или
23,8 А/мм2, а при автоматической сварке плавящимся электродом того же диаметра - 275-300 А и 87,6-95,5 А/мм2 соответственно. Поэтому дуга при сварке
неплавящимся электродом имеет круто падающую вольт-амперную характеристику. Следовательно, и источники, питающую эту дугу, также должны иметь
круто падающую характеристику. Причем для обеспечения стабильности процесса крутизна падения характеристики источника должна превышать крутизну
характеристики дуги (рис. 1.16, левая часть графика).
Для сварки сталей, титановых, молибденовых сплавов и других материалов, за исключением алюминиевых сплавов, применяются источники постоянного тока, аналогичные источникам для сварки штучными электродами. Обычно этот источник представляет собой выпрямитель, состоящий из трансформатора и выпрямительного блока на диодах, тиристорах или транзисторах. В отличие от выпрямителей, применяемых при сварке штучными электродами, источники постоянного тока для аргонодуговой сварки неплавящимся электродом оснащены устройствами для бесконтактного зажигания дуги – высоковольтным высокочастотным генератором (осциллятор), и для заварки кратера.
В последнее время разработаны источники, позволяющие зажигать дугу контактным способом («мягкий» или «холодный» пуск). «Мягкий» пуск выполняется путем разрыва короткого замыкания (рис. 1.13) при токе короткого замыкания в несколько раз меньшем сварочного тока. При обычном коротком замыкании вольфрамового электрода на изделие происходит недопустимое загрязнение шва вольфрамом и повышенный расход электрода.
Таким образом, для обеспечения высокой стойкости вольфрамового
электрода и предотвращения загрязнения вольфрамом сварных швов сварку
необходимо вести дугой, питаемой постоянным током прямой полярности.
95
5.2.2. Источники переменного тока для сварки алюминиевых сплавов
расплавленный металл
Al-сплав
Al2O3
неплавящимся электродом
Особенности сварки алюминиевых сплавов
При аргонодуговой сварке неплавящимся электродом алюминиевых
сплавов при питании дуги постоянным током прямой полярности получить
сварное соединение не удается. Это связано с тем, что в силу высокой химической активности алюминия на поверхности свариваемых деталей образуется
плотная тугоплавкая окисная пленка Al2O3 (Тпл = 2050 С). Эта пленка не рас-
творяется в жидком алюминии, имеющем температуру плавления 660 С. Поэтому при нагреве дугой с прямой полярностью не удается получить общую
для соединяемых деталей сварочную ванну (рис. 5.2).
Рис. 5.2. Нагрев алюминиевого сплава
с поверхностной окисной пленкой
Поэтому главной задачей при сварке алюминиевых сплавов является
очистка свариваемых поверхностей от окисной пленки. Очистку свариваемых
деталей производят в два этапа:
а) предварительная очистка с помощью химического или электрохими-
ческого травления;
б) очистка в процессе сварки.
Очистка на втором этапе (в процессе сварки) необходима в связи с тем,
что алюминий при контакте с воздухом даже при низкой температуре активно
окисляется и вновь покрывается окисной пленкой.
Очистка от пленки Al2O3 в процессе сварки осуществляется двумя способами: химическим и электрофизическим.
При сварке алюминия и его сплавов под слоем флюса очистка свариваемых поверхностей от Al2O3 производится химическим путем за счет растворения окислов в расплавленном флюсе, в состав которого входят хлористые соли
натрия (NaCl), калия (KCl), лития (LiCl).
96
При аргонодуговой сварке неплавящимся электродом очистка от Al2O3 в
kT
2
eATj
процессе сварки осуществляется электрофизическим способом – за счет катодного распыления пленки (катодная очистка), механизм которой можно
представить следующим образом. В полупериоде обратной полярности тяжелые положительно заряженные ионы аргона Ar+, разгоняясь электрическим полем, приобретают большую кинетическую энергию. При торможении ионов в
момент столкновения с очищаемой поверхностью происходит выделение энергии на малой площади (в точке соударения иона с молекулой Al2O3). Вследствие концентрированного тепловыделения в точке соударения резко возрастает температура, окисел плавится и испаряется. Происходит катодная очистка
свариваемой поверхности от окиси алюминия Al2O3.
С точки зрения очистки свариваемых поверхностей при сварке алюминия
и его сплавов необходимо применять дугу обратной полярности. Но при этом
возникает опасность перегрева и разрушения вольфрамового электрода. Поэтому на практике при аргонодуговой сварке вольфрамовым электродом применяется переменный ток. Тогда на обратной полярности происходит катодная
очистка от пленки Al2O3, а на прямой полярности – охлаждение вольфрамового
электрода.
Требования, предъявляемые к источникам переменного тока
для сварки алюминиевых сплавов неплавящимся электродом
Специфические требования к источникам переменного тока вызваны
особенностями поведения дуги с неплавящимся вольфрамовым электродом.
Как было показано во второй главе (см. п. 2.2), при питании дуги переменным током напряжение на дуге и ток периодически меняют направление и
величину, проходя при этом через нулевые значения. Смена полярности в дуге
периодически в корне меняет условия эмиссии электронов с поверхности катода.
При прямой полярности (минус на вольфрамовом электроде) эмиссия
осуществляется с поверхности, нагретой до температуры более 3000 С, которая обеспечивает интенсивную термоэлектронную эмиссию. Плотность термоэлектронного тока j пропорциональна квадрату температуры поверхности катода:
,
где А – константа 120 А/(см2град); - работа выхода электрона.
Это обеспечивает высокие значения тока iпр на рис. 5.5 в дуге и интенсивное плавление основного металла при низком напряжении на дуге. Напряжение зажигания Uз при прямой полярности почти равно напряжению на дуге
(Uз Uпр) и при короткой дуге в аргоне может составлять лишь 10 В.
В полупериоде обратной полярности, когда катодом является свариваемое изделие, эмиссия электронов происходит с поверхности сварочной ванны,
температура которой значительно ниже температуры поверхности вольфрамо-
97
вого электрода и не превышает температуру кипения алюминия (Т
С). Поэтому сила тока в дуге обратной полярности i
на 20-50 % ниже, чем на
обр
= 1800
кип
прямой, а для повторного (после смены полярности) зажигания дуги требуется
очень большое напряжение U
-около 200 В. Велико и напряжение во время
Зобр
горения дуги обратной полярности, оно более чем в 2 раза превышает напряжение дуги прямой полярности (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Осциллограмма напряжения и тока в дуге
с неплавящимся электродом:
Uпр и iпр – напряжение и ток на прямой полярности;
U
Зобр
, U
– напряжение зажигания дуги на обратной полярности;
обр
i
– ток в дуге обратной полярности
обр
Итак, главной особенностью дуги при сварке алюминиевых сплавов неплавящимся электродом является несимметричность тока и напряжения относительно нуля. Это обусловливает наличие постоянной составляющей сварочного тока. Так как ток прямой полярности больше тока обратной полярности
(iпр > i
ричного переменного тока и постоянной составляющей I
), то кривую сварочного тока можно представить как сумму симмет-
обр
(рис. 5.3). Посто-
пост
янная составляющая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора,
его перегрев, сильную вибрацию, что может привести к повреждению изоляции
обмоток. Поэтому в источниках переменного тока для сварки алюминиевых
сплавов предусмотрены специальные устройства для ликвидации или умень-
98
шения постоянной составляющей тока. Принцип действия таких устройств за-
Iпр
tи
Uпр
I
пост
U
ис
I
пс
t
I
обр
Iк
U
обр
ключается в генерировании постоянного компенсационного тока Iк, равного по
величине постоянной составляющей I
(рис. 5.4).
и направленного ей навстречу
пост
Рис. 5.4. Осциллограмма сварочного тока I и напряжения на дуге U
при аргонодуговой сварке алюминиевого сплава
неплавящимся электродом:
I
обр
и U
Iпр и U
– сварочный ток и напряжение при обратной полярности; Iис и Uис –
обр
– сварочный ток и напряжение при прямой полярности;
пр
скачки тока и напряжения при подаче импульса от импульсного стабилизатора;
tи – длительность импульса; I
– постоянная составляющая тока;
пост
Iк – компенсационный ток
Другим требованием, предъявляемым к таким источникам, является
обеспечение устойчивого повторного зажигания дуги при переходе к полупериоду обратной полярности. Надежное зажигание осуществляется с помощью
импульсного стабилизатора, который с частотой 50 Гц в момент перехода к
полупериоду обратной полярности генерируют импульсы напряжения Uис =
200-500 В (рис. 5.4). При этом в течении tи = 60 мкс. Ток скачкообразно возрастает до Iис = 20-80 А. В настоящее время разработаны импульсные стабилизато-
99
ры, генерирующие импульсы с частотой 100 Гц, которые обеспечивают надеж-
1
2
4
3
5
ное зажигание дуги и обратной, и прямой полярности.
На рис. 5.5 представлена блок-схема источника для аргонодуговой сварки
алюминиевых сплавов вольфрамовым электродом.
Рис. 5.5. Блок-схема источника переменного тока для сварки
алюминиевых сплавов:
1 – сварочный трансформатор;
2 – устройство подавления постоянной составляющей;
3 – импульсный стабилизатор;
4 – осциллятор; 5 – фильтр
100
ГЛАВА 6
ВЫБОР И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ
6.1. МЕТОДИКА ВЫБОРА ИСТОЧНИКОВ
Технология сварки определяется конструкцией и назначением сваривае-
мого изделия. А основным критерием при выборе источника питания являются
требования технологического процесса сварки.
Исходя из назначения изделия, требований прочности, условий эксплуатации и других, конструктор определяет материал, из которого изготавливается
изделие, задает толщину свариваемых элементов, тип сварного соединения,
протяженность и конфигурацию сварных швов.
Технолог на основании этих данных разрабатывает технологический процесс – назначает способ сварки, уровень механизации, режимы сварки, способы
контроля качества сварных соединений и др.
6.1.1. Выбор системы питания постов
Система питания сварочных постов (одно- или многопостовая) выбирается в зависимости от количества постов и компактности их расположения в
цехе или на стройке. Многопостовые системы экономичны при компактном
расположении четырех и более однотипных постов. При меньшем количестве
постов выбирают однопостовую систему питания.
В соответствии с условиями устойчивого горения дуги многопостовые
источники питания имеют жесткую внешнюю вольт-амперную характеристику.
6.1.2. Выбор однопостового источника
Тип однопостового источника питания выбирается в зависимости от способа и метода сварки (плавящийся или неплавящийся электрод, ручная, механизированная или автоматическая сварка, газовая или шлаковая защита и т.д.).
Способ сварки зависит от марки свариваемого металла, толщины соеди-
няемых элементов, протяженности и конфигурации швов, расположения их в
пространстве и др.
Способ сварки диктует род тока и требуемый тип внешней вольтамперной характеристики источника: падающая, жесткая, возрастающая. Если
сварочный пост предназначен для нескольких способов сварки, то его целесообразно укомплектовать универсальным источником, обладающим всеми типами внешней характеристики.
Следует отметить, что при одном и том же способе сварки требования к
источнику питания могут меняться в зависимости от применяемого сварочного
оборудования. Например, при автоматической сварке под флюсом требования к
источнику меняются в зависимости от выбранной системы стабилизации горе-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]