1. Тенденции развития источников питания для дуговой сварки

Дуговая сварка была и остается основным технологическим процессом сварочного производства. В связи с этим исследователи, конструкторы и изобретатели уделяют дуговой сварке больше внимания, чем всем остальным вместе взятым способам соединения материалов.

Первые сварочные источники появились около 100 лет назад. В конце 19-го столетия Николай Бернадос использовал батареи и генератор с приводом от парового двигателя для своих экспериментов с дуговой сваркой угольным электродом.

За последнее десятилетие динамичное развитие источников питания для сварки базировалось на достижениях полупроводниковой техники - цифровой вычислительной и силовой. В 1960-70-е гг. их развитие было целиком связано с разработкой силовых полупроводниковых диодов и созданием на их основе сварочных выпрямителей.

Современные полупроводниковые приборы преоб­разили конструкцию новых сварочных источников. Стало возможным снизить их массу и габариты. Од­нако самые революционные преобразования про­изошли в конструкции систем управления. Совре­менные компьютерные программы позволяют по­требителям не только легко общаться с блоком упра­вления, используя панель управления, но и оптими­зировать сварочные характеристики.

Полупроводники открыли конструкторам возмож­ность создать новые сварочные источники. Сначала в сварочных выпрямителях были примене­ны кремниевые диоды, затем появились тиристоры и, наконец, транзисторы, используемые в современ­ных инверторных источниках.

1910 Сварочный генератор 1920 Сварочный трансформатор 1950 Выпрямитель 1970 Тиристорный выпрямитель 1980 Инверторный выпрямитель

На рис. 1 показаны ступени развития конструкций сварочных источников. По мере развития источников их масса уменьшилась на порядок, уменьшались соот­ветственно и размеры. Важной ступенью развития яви­лось появление инверторных сварочных источников. В 1984 году шведский концерн ЭСАБ разработал свой первый инверторный выпрямитель «Caddy», весящий всего 8 кг. Дальнейшее развитие инверторной техники в сварочном машиностроении связано с появлением мощных транзисторов, рассчитанных на сотни вольт рабочего напряжения, десятки и сотни ампер.

С варочный выпрямитель традиционного типа (рисунок, 2 а), выполненный на тиристорах, состоит из понижающего трансформатора, силового выпрямительного блока, сглаживающего реактора и системы управления, осуществля­ющей в зависимости от назначения различные функции. Источник питания инверторного типа (рисунок, б) построен по другому принципу. Напряжение сети выпрямляется, «сглаживается» с помощью фильтра, затем преобразуется в переменное повышенной частоты (чаще свыше 15 кГц), трансформируется и снова выпрямляется. Ступеней преобразования энергии в инверторном источнике питания больше, чем в обычном (в обычном источнике таких ступеней всего две, в инверторном - их четыре). Несмотря на это инверторный источник питания того же назначения, что и обычный, имеет значительно более высокий КПД, меньшую массу и габаритные размеры. Отмеченное достигается только за счет того, что в инверторном источнике питания нет рассчитанного на полную мощность трансформатора промышленной частоты. Трансформатор повышенной частоты в инверторном источнике питания имеет массу приблизительно в 50 раз меньшую по сравнению с трансформатором промышленной частоты, благодаря чему потери энергии в нем несравнимо меньше, а КПД существенно выше. Небольшие размеры высокочастотного трансформатора позволяют создавать

компактные источники питания.

Применение современной электроники позволило снизить массу сварочного источника в 10 раз.

Использование дугового разряда для сварки. 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. Энергию для поддержания дугового разряда доставляет источник питания. Для источника питания дуга является нагрузкой. Пространство между электродом и изделием, где создается дуговой разряд, называется разрядным или межэлектродным промежутком. От источника питания к этому промежутку подводится напряжение. В зависимости от знака потенциала, подведенного от источника, изделие или электрод выполняют функции анода или катода.

При подведении напряжения к разрядному промежутку в нем создается электрическое поле. Электрическая проводимость разрядного промежутка до возникновения электрического разряда равна нулю. Для его возникновения необходимо, чтобы в созданном электрическом поле имелись свободные электроны, которые, двигаясь ускоренно под действием сил поля к аноду, будут ионизировать газовую среду разрядного промежутка. Для получения свободных электронов осуществляют первоначальное возбуждение (зажигание) дуги, что достигается либо контактным способом при сварке плавящимся электродом, либо бесконтактным с помощью осциллятора при сварке неплавящимся электродом.

Качество сварного шва зависит как от количества энергии, поступающего от источника питания в зону сварки, так и от закона изменения этой энергии во времени. Электрическая проводимость разрядного промежутка определяется расстоянием между электродом, свойствами газовой среды, химическим составом свариваемых изделий и электрода, давлением, от которого зависит плотность окружающего газа.

В процессе сварки в энергетической системе источник питания — сварочная дуга— ванна возникают возмущения, причинами которых являются изменения длины дуги, колебания напряжения сети, изме­нения скорости подачи электродной проволоки, а также изменения физических условий в разрядном промежутке. При возмущениях изменяются напряжение на дуге и сварочный ток, что приводит к нарушению установившегося процесса сварки. Это отражается на глубине проплавления, геометрических размерах шва и структуре металла сварного соединения.

Изменение проводимости разрядного промежутка вызывает в. системе источник питания —дуга — ванна переходные процессы. Во время переходных процессов происходит преобразование энергии электрического поля в энергию магнитного поля, а также обратное преобразование, сопровождающееся выделением тепла в резистивных сопротивлениях цепей. Характер переходных процессов и ско­рость их протекания зависят от свойств источника энергии, парамет­ров сварочного контура, физических условий в разрядном проме­жутке и гидродинамических явлений в ванне.

В сварочной технике применяется как дуга непрерывного горе­ния (стационарная), так и импульсная дуга. Длительность сущест­вования дуги непрерывного горения намного больше времени проте­кания переходных процессов, вызываемых возмущениями, поэтому изменения проводимости разрядного промежутка незначительны и напряжение на дуге, а следовательно, и сварочный ток изменяются мало. Практически их можно считать в процессе сварки постоян­ными.

Если изменение проводимости разрядного промежутка произво­дится во времени по определенной программе, которая осуществля­ется путем наложения на стационарно горящую дугу импульсов напряжения, создаваемых источником питания, то такая дуга на­зывается импульсной. При сварке импульсной дугой осуществляется

программное тепловложение в место соединения изделий за счет циклического изменения величины сварочного тока; при этом созда­ются благоприятные условия для капельного переноса металла.