Источник питания дуговой сварки переменного тока

Источник питания дуговой сварки переменного тока

введение

Дуговая сварка - процесс, при котором теплота, необходимая для нагрева и плавления металла, получается за счет электрической дуги, возникающего между свариваемым металлом и электродом. Ольшанский Т. А. Сварка в машиностроении. - М.: Ника, 1998.

Под действием теплоты электрической дуги кромки свариваемых деталей и электродный металл расплавляются, образуя сварочную ванну, которая некоторое время находится в расплавленном состоянии.

При затвердевании металла образуется сварное соединение. Энергия, необходимая для образования и поддержания электрической дуги, получается от специальных источников питания постоянного или переменного тока.

1. ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРОСВАРКИ

1802 год - В.В. Петров открыл явление электрической дуги и указал, что появляющийся «…белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее загораются, и от которого тёмный покой довольно ясно освещён быть может» Фролов В. В. Теория сварочных процессов. - М., 1989..

1803 год - В.В. Петров опубликовал книгу «Известия о гальвани-вольтовых опытах…» Там же., где описал способы изготовления вольтова столба, явление электрической дуги и возможность её применения для электроосвещения, электросварки и электропайки металлов.

1882 год - Н.Н. Бенардос изобрёл электрическую сварку с применением угольных электродов.

1889 год - Н.Г. Славянов впервые в мире применил дуговую электросварку при постройке судов.

1893 год - На Всемирной выставке в Чикаго Н.Г. Славянов получил золотую медаль за способ электросварки под слоем толчёного стекла.

1905 год - В.Ф. Миткевич впервые в мире предложил применять трёхфазную дугу для сварки металлов.

Дуга представляет собой электрический разряд в газе между электродами, к которым подведено напряжение источника тока. Малыш В. М., Сорока М. М. Электрическая сварка. - Киев: Техніка, 1986.

Ток в дуге обусловлен так называемыми свободными электронами и положительными и отрицательными заряженными частицами вещества - ионами. Процесс образования этих частиц называется ионизацией. В средней части дуги расположен столб дуги, ярко светящейся и имеющей температуру около 6000 градусов по Цельсию. Столб заканчивается на электродах катодным и анодным пятнами, через которые проходит весь ток дуги.

Плотность тока на пятнах весьма велика, благодаря чему в этих зонах происходит интенсивное нагревание до температуры испарения материала электродов. Столб дуги окружает пламя - раскалённые пары и газы, температура которых резко падает по мере удаления от столба.

Дугу перемещают при сварке в ручную или механически вдоль кромок соединяемых деталей, благодаря чему достигается непрерывное плавление их и образование соединения - сварного шва. Глубиной проплавления называется наибольшая глубина расплавления основного металла в сечении шва.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ Ольшанский Т. А. Сварка в машиностроении. - М.: Ника, 1998.

Классификация дуговой сварки производится в зависимости от степени механизации процесса, рода тока и полярности, типа сварочной дуги, свойств сварочного электрода, вида защиты зоны сварки от атмосферного воздуха и др.

По степени механизации различают:

- ручную дуговую сварку

- полуавтоматическую дуговую сварку

- автоматическую дуговую сварку

Отнесение процессов к тому или иному способу зависит от того, как выполняются зажигание и поддержание определенной длины дуги, манипуляция электродом для придания шву нужной формы, перемещение электрода по линии наложения шва и прекращения процесса сварки.

При ручной дуговой сварке указанные операции, необходимые для образования шва, выполняются человеком вручную без применения механизмов.

При полуавтоматической дуговой сварке плавящимся электродом механизируются операции по подаче электродной проволоки в сварочную зону, а остальные операции процесса сварки осуществляются вручную.

При автоматической дуговой сварке под флюсом механизируются операции по возбуждению дуги, поддержанию определённой длины дуги, перемещению дуги по линии наложения шва. Автоматическая сварка плавящимся электродом ведётся сварочной проволокой диаметром 1-6 мм; при этом режим сварки (ток, напряжение, скорость перемещения дуги и др.) более стабилен, что обеспечивает однородность качества шва по его длине, в то же время требуется большая точность в подготовке и сборке деталей под сварку.

По роду тока различают:

- электрическая дуга, питаемые постоянным током прямой полярности (минус на электроде);

- электрическая дуга, питаемая постоянным током обратной (плюс на электроде) полярности;

- электрическая дуга, питаемая переменным током.

По типу дуги различают

- дугу прямого действия (зависимую дугу);

- дугу косвенного действия (независимую дугу).

В первом случае дуга горит между электродом и основным металлом, который также является частью сварочной цепи, и для сварки используется теплота, выделяемая в столбе дуги и на электродах; во втором - дуга горит между двумя электродами.

По свойствам сварочного электрода различают

- способы сварки плавящимся электродом;

- способы сварки неплавящимся электродом (угольным, графитовым и вольфрамовым).

Сварка плавящимся электродом является самым распространённым способом сварки; при этом дуга горит между основным металлом и металлическим стержнем, подаваемым в зону сварки по мере плавления. Этот вид сварки можно производить одним или несколькими электродами. Если два электрода подсоединены к одному полюсу источника питания дуги, то такой метод называют двухэлектродной сваркой, а если больше - многоэлектродной сваркой пучком электродов. Если каждый из электродов получает независимое питание - сварку называют двухдуговой (многодуговой) сваркой. При дуговой сварке плавлением КПД дуги достигает 0,7-0,9.

По условиям наблюдения за процессом горения дуги различают:

- открытую;

- закрытую;

- полуоткрытую дугу.

При открытой дуге визуальное наблюдение за процессом горения дуги производится через специальные защитные стёкла - светофильтры. Открытая дуга применяется при многих способах сварки: при ручной сварке металлическим и угольным электродом и сварке в защитных газах.

Закрытая дуга располагается полностью в расплавленном флюсе - шлаке, основном металле и под гранулированным флюсом, и она невидима.

Полуоткрытая дуга характерна тем, что одна её часть находится в основном металле и расплавленном флюсе, а другая над ним. Наблюдение за процессом производится через светофильтры. Используется при автоматической сварке алюминия по флюсу.

По роду защиты зоны сварки от окружающего воздуха различают:

- дуговая сварка без защиты (голым электродом, электродом со стабилизирующим покрытием);

- дуговая сварка со шлаковой защитой (толстопокрытыми электродами, под флюсом);

- дуговая сварка со шлакогазовой защитой (толстопокрытыми электродами);

- дуговая сварка с газовой защитой (в среде защитных газов);

- дуговая сварка с комбинированной защитой (газовая среда и покрытие или флюс).

Стабилизирующие покрытия представляют собой материалы, содержащие элементы, легко ионизирующие сварочную дугу. Наносятся тонким слоем на стержни электродов (тонкопокрытые электроды), предназначенных для ручной дуговой сварки.

Защитные покрытия представляют собой механическую смесь различных материалов, предназначенных ограждать расплавленный металл от воздействия воздуха, стабилизировать горение дуги, легировать и рафинировать металл шва. Никифоров В. М. Технология металлов и конструкционные материалы. - Ленинград, 1986.

В последнее время получает распространение плазменная сварка, где дуга между инертными неплавящимися электродами используется для высокотемпературного нагрева промежуточного носителя, например - водяного пара.

Известна также сварка атомарным водородом, получаемым в дуге между вольфрамовыми электродами, и выделяющем тепло при рекомбинации в молекулы на свариваемых деталях.

В зависимости от способа дуговой сварки, т. е. от материала применяемого электрода, свойства электрической дуги меняются. Так, при горении дуги между свариваемым металлическим изделием и угольным электродом дуги имеет большую длину и несколько иную форму, чем дуга, горящая между изделием и металлическим электродом.

В последнем случае явления, происходящие в дуге, значительно сложнее, так как в дуговом промежутке помимо паров, образуемых при сгорании электрода, присутствуют капли расплавленного и пары сгорающего в дуге электродного покрытия.

Если дуговая сварка по способу Бенардоса производится голым угольным электродом, то при сварке по способу Славянова на плавящийся металлический электрод обычно наносится покрытие, в зависимости от состава и толщины наносимого слоя может быть ионизирующим либо так называемым качественным, т.е. обеспечивающим получение повышенного качества наплавленного металла.

3. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

При дуговой сварке применяют переменный и постоянный ток и в соответствии с этим разнообразные источники питания: для переменного тока - сварочные трансформаторы, для постоянного тока - сварочные агрегаты, преобразователи и выпрямители.

Наиболее распространенным источником питания при ручной дуговой варке являются сварочные трансформаторы.

Падающая внешняя характеристика сварочных трансформаторов достигается включением в сварочную цепь реактора (регулятора), обладающего достаточным индуктивным сопротивлением. Реакторы выполняются в виде отдельных агрегатов или в комбинации с трансформатором, имеющем общий сердечник (прил. 1 рис. 1) Фролов В. В. Теория сварочных процессов. - М., 1989..

Первичные обмотки трансформаторов изготавливают из голой меди на стандартное напряжение 220 и 380 В или с переключателями витков на 220/380 В.

Промышленностью выпускаются несколько типов сварочных трансформаторов. Ольшанский Т. А. Сварка в машиностроении. - М.: Ника, 1998.

Сварочные трансформаторы типа ТСП. Переносные однопостовые трансформаторы, выпускаемые в двух исполнениях, предназначены для питания дуги при ручной дуговой сварке.

Трансформатор ТСП-1 имеет повышенную индуктивность рассеяния, необходимую для получения падающей внешней характеристики. Первичная и вторичная обмотки расположены надвухстержневом магнитопроводе, причем первичная обмотка имеется только на одном стержне. Особенностью трансформатора является то, что он не имеет подвижных частей в магнитопроводе. Регулировка сварочного тока производится переключением витков вторичной обмотки. Охлаждение трансформатора - естественное, воздушное.

Трансформатор ТСП-2 выполнен с подвижными катушками, поэтому регулирование сварочного тока производится изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками. Оба трансформатора имеют однокорпусную конструкцию.

Сварочные трансформаторы типа ТС имеют большую мощность, но также являются однопостовыми. Сердечники трансформаторов стержневого типа. Катушки первичной обмотки неподвижны, а вторичной обмотки могут перемешаться с помощью ходового винта. Рукоятка этого винта выведена на крышку кожуха. Там же расположена шкала силы тока.

Сварочные трансформаторы типа СТЭ. Однопостовые трансформаторы этого типа являются наиболее распространенными. Благодаря последовательно включенным регуляторам (реакторам) трансформаторы имеют падающие характеристики. Они имеют двухкорпусное исполнение и состоят из собственного однофазного понизительного трансформатора и регулятора, служащего для плавного регулирования силы сварочного тока и создания падающей характеристики. Регулятор, имеющий небольшую относительную массу, может легко перемещаться сварщиком, что обеспечивает удобство эксплуатации. Регулятор имеет одну обмотку из голой меди прямоугольного сечения.

Он снабжен механическим токоуказателем, шкала которого проградуирована в амперах, обеспечивающим погрешность показаний в пределах ±10%. Конструкция кожухов обеспечивает защиту от осадков, поэтому трансформаторы могут работать и на открытом воздухе.

Сварочный трансформатор ТД-500. Однопостовой сварочный трансформатор предназначен для питания электрической дуги при ручной дуговой сварке, резке и наплавке металлов переменным током частотой 50 Гц.

У него два диапазона регулирования тока. Для диапазона малых токов (85-240 А) напряжение холостого хода увеличено до 76 В, что обеспечивает хорошее зажигание и стабильное горение дуги при сварке электродами диаметром 3-5 мм. Обмотки трансформатора выполнены с теплостойкой и влагостойкой изоляцией. Трансформатор-регулятор собирается на общем магнито-проводе.

Подъем (увеличение сварочного тока) и опускание пакета (уменьшение сварочного тока) осуществляются электродвигателем мощностью 0,25 кВт через систему передач, которая включается двумя магнитными пускателями, управляемыми двумя пусковыми импульсными кнопками. Точная регулировка силы тока должна производиться по амперметру пульта управления автомата.

Сварочные трансформаторы ТДФ-1001 и ТДФ-1601 являются более мощными однопостовыми трансформаторами, предназначены для питания дуги однофазным переменным током частотой 50 Гц при автоматической и полуавтоматической сварке под флюсом. Регулирование тока осуществляется подмагничиванием магнитного шунта. Схема управления обеспечивает стабилизацию сварочного режима.

Трансформаторы выполняются в однокорпусном исполнении.

заключение

Сварочная металлургия отличается от других металлургических процессов высокими температурами термического цикла и малым временем существования сварочной ванны в жидком состоянии, т. е. в состоянии, доступном для металлургической обработки металла сварного шва. Кроме того, специфичны процессы кристаллизации сварочной ванны, начинающиеся от границы сплавления, и образования изменённого по своим свойствам металла зоны термического влияния.

Сварка сопровождается комплексом одновременно протекающих процессов, основными из которых являются: тепловое воздействие на металл в зоне термического влияния, термодеформационные плавления, металлургической обработки и кристаллизации металла в объёме сварочной ванны.

Физическая свариваемость характеризует принципиальную возможность получения монолитных сварных соединений и главным образом относится к разнородным металлам.

Сварка - это один из ведущих технологических процессов обработки металлов. Большие преимущества сварки обеспечили её широкое применение в народном хозяйстве. С помощью сварки осуществляется производство судов, турбин, котлов, самолётов, мостов, реакторов и других необходимых конструкций.

Список литературы

1. Малыш В.М., Сорока М.М. Электрическая сварка. - Киев: Техніка, 1986.

2. Никифоров В М. Технология металлов и конструкционные материалы. - Ленинград, 1986.

3. Ольшанский Т.А. Сварка в машиностроении. - М.: Ника, 1998.

4. Фролов В.В. Теория сварочных процессов. - М., 1989.

Приложение 1

Рисунок 1. Соединения трансформатора и регулятора:

1 - сеть;

2 - трансформатор;

3 - емкостный фильтр;

4 - регулятор;

5 - электрододержатель;

6, 7 - свариваемые изделия