СВАРОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

СВАРОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
Цель освоения учебной программы: формирование у
студентов знаний и умений, необходимых для обоснованного выбора
сварочных процессов и оборудования при разработке технологий
получения конструкций с неразъемными соединениями.
Задачи:
 Изучить
основные
характеристики
наиболее
распространенных
сварочных процессов и приобрести
умение обоснованного выбора сварочных процессов при
разработке
технологий
получения
конструкций
с
неразъемными соединениями
 Изучить
основные
характеристики
наиболее
распространенных
видов сварочного оборудования и
приобрести умение обоснованного выбора оборудования
при разработке технологий получения конструкций с
неразъемными соединениями
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование элементов следующих
компетенций в соответствии с ФГОС ВПО и ООП ВПО по данному направлению
подготовки:
способность обеспечивать технологичность изделий и процессов их
изготовления, умение контролировать соблюдение технологической
дисциплины при изготовлении изделий (ПК-1)
способность обеспечивать техническое оснащение рабочих мест с
размещением технологического оборудования, умение осваивать
вводимое оборудование (ПК-2)
умение проверять техническое состояние и остаточный ресурс
технологического оборудования, организовывать профилактический
осмотр и текущий ремонт оборудования (ПК-4)
умение выбирать основные и вспомогательные материалы и
способы реализации основных технологических процессов и
применять прогрессивные методы эксплуатации технологического
оборудования при изготовлении изделий машиностроения (ПК-6)
умение составлять заявки на оборудование и запасные части,
подготавливать техническую документацию на ремонт оборудования
(ПК-16)
Способность целенаправленного применения теоретических основ
получения неразъемного соединения конструкционных материалов и
современного
оборудования
при
разработке
рациональных
технологических процессов сварочного производства (ПКП-1)
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
- общие требования к источникам питания для дуговой и
электрошлаковой сварки и родственных процессов;
- принцип работы основных типов современных источников питания
для дуговой и электрошлаковой сварки и родственных процессов;
- конструктивные особенности и область рационального применения
серийно выпускаемых типов сварочных трансформаторов,
выпрямителей,
преобразователей,
агрегатов,
инверторных
источников питания и установок, специализированных источников
питания и установок, многопостовых систем питания;
- основные правила эксплуатации источников питания для дуговой и
электрошлаковой сварки и родственных процессов, включая вопросы
техники безопасности;
- виды сварных соединений и швов, виды сварочных материалов;
- основные способы сварки плавлением и наплавки, термической
резки, сварки давлением;
- физические основы, технологические возможности и рациональную
сферу применения процессов сварки плавлением и давлением,
наплавки, термической резки;
- особенности конструкции и технические возможности основных
типов технологического оборудования и оснащения для сварки
плавлением и давлением, наплавки, термической резки;
- методы выбора технологических процессов и параметров режима
сварки плавлением и давлением, термической резки;
- некоторые закономерности взаимосвязи геометрии сварных
соединений и образования дефектов с технологическими режимами;
- методы обеспечения экологичности и безопасности процессов
сварки плавлением и давлением, термической резки;
Уметь:
- использовать знания технологических требований к источникам
питания и их конструктивных особенностей, а также специальную
литературу и другие информационные издания для выбора
рационального типа и типоразмера источников питания;
- работать с технической литературой, справочниками и другими
информационными источниками при выборе источников питания для
сварки;
- выполнить настройки режима сварочного трансформатора,
сварочного выпрямителя, сварочного преобразователя, инверторного
источника питания.
- обоснованно выбирать технологические процессы сварки
плавлением и давлением, наплавки, термической резки;
- эксплуатировать некоторых широко применяемые виды
оборудования для сварки плавлением и давлением.
Трудоемкость дисциплины по семестрам и видам работ
Вид работы
Общая трудоемкость
Аудиторная работа:
Лекции (Л)
Практические занятия (ПЗ)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа:
Выполнение расчетно-графической работы
Выполнение курсовой работы
Самоподготовка (проработка и повторение лекционного
материала и материала учебников и учебных пособий,
подготовка к лабораторным и практическим занятиям,
коллоквиумам, рубежному контролю и т.д.),
Подготовка и сдача зачета
Подготовка и сдача экзамена
Вид итогового контроля
Трудоемкость, часов
5
6
108
180
50
62
8
8
4
4
4
123
92
9
9
112
83
9
зачет
36
экзамен
Всего
288
112
16
8
4
215
18
195
9
36
Рекомендуемая учебная литература
1. Милютин В.С., Катаев Р.Ф. Источники питания и
оборудование для электрической сварки плавлением: Учебник. М.:
Издательский центр «Академия», 2010.-368 с.
2. А.И Акулов, В.П. Алёхин, С.И. Ермаков и д.р. (под ред. А.И
Акулова).
Технология и оборудование сварки плавлением и
термической резки. М.: Машиностроение, 2003.-560 с.
3.
Технология и оборудование сварки плавлением и
термической резки(под ред. В.А Фролова). М.: Альфа-М: ИНФРАМ, 2011.- 448 с.
Справочная литература
1. Сварка. Резка. Контроль: Справочник. В 2-х. томах. / Под.
Общ. Ред. Н.П.Алешина, Г.Г.Чернышова.- М.: Машиностроение,
2004. Т.1 – 624 с.
2. Машиностроение. Энциклопедия. Оборудование для сварки. Т
IV-6 /Под ред. Б.Е.Патона – М.: Машиностроение, 2002. – 496с.
3. Прох Л.М., Шпаков Б.М. Явронская Н.М. Справочник по
сварочному оборудованию. Киев: Техника, 1983. - 207с.
ПРОЦЕССЫ ДУГОВОЙ СВАРКИ
Общая классификация основных способов сварки и пайки
В промышленно развитых странах сварочное производство
значительно превосходит по приведенной трудоемкости работ
обработку металлов давлением, литейное производство, обработку
металлов резанием в промышленности и строительстве.
В сварочном производстве у нас и за рубежом процессы сварки,
наплавки, термической резки с использованием в качестве
источника нагрева дугового разряда составляют не менее половины
объема работ, а часто и более трех четвертей. Специальные
процессы электрошлаковой сварки и наплавки не имеют массового
применения, но для громоздких конструкций незаменимы.
В парке технологического сварочного оборудования для
дуговых, плазменно-дуговых и электрошлаковых процессов
сварочного производства более 4/5 составляют источники питания
для сварки как самостоятельный вид оборудования или в составе
сварочных установок, сварочных автоматов и полуавтоматов.
Для дуговой сварки серийно выпускаются сварочные
трансформаторы и выпрямители трансформаторного и
инверторного типа, а также специализированные сварочные
установки, подключаемые к силовой электросети. Для автономной
работы в отсутствие силовой электросети серийно выпускаются
сварочные агрегаты с приводом от двигателей внутреннего
сгорания.
ТРЕБОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ДУГОВОЙ СВАРКИ И РЕЗКИ К
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ОБОРУДОВАНИЮ
Характеристика электрической дуги как нагрузки источников
питания и шлаковой ванны.
Jд =1…2000 А , Uд = 10…60 В (250В плазменная резка)
U
ВАХ (дуги)
Сжатая дуга
Свободно горящая.дуга
J
Характеристика шлаковой ванны как нагрузки источников
питания.
J =300…10000 А
U = 10…70 В
U
Шлак расплавлен
J
Соответственно, в цепи передачи энергии к обрабатываемому
изделию они являются вторичными источниками электроэнергии.
Нагрузкой источника питания или установки (далее будет
применяться сокращенное обозначение – ИП) может быть
электрическая дуга, плазменно-дуговой разряд или электрошлаковая
ванна.
Основные
характеристики
электродугового
разряда
определяются статическими и динамическими вольтамперными
характеристиками (ВАХ). Статическая ВАХ дуги не учитывает
быстропротекающих процессов (например, периодическую смену
полярности при переменном токе).
ИП и для дуговой сварки (резки) должны соответствовать
трем общим требованиям.
1. Стабильное возбуждение процесса и его протекание,
2. Возможность регулирования режима,
3. Эффективное преобразование энергии. (высокий КПД)
Эти
требования
основываются
на
технологических
особенностях процессов сварки плавлением и экономических
требованиях. Приоритет имеют технологические требования, так
как от них зависит качество работы. Экономичность эксплуатации
требует высокого КПД и коэффициента мощности оборудования.
Дополнительное требование при автоматической сварке –
стабилизация режима при колебаниях напряжения силовой сети.
Система «Сеть – ИП – Дуга - Сварной шов»
ИП
сеть
ИП
ИП
U1
U2
Так как в силовой сети есть другие источники потребления
энергии, то при их включении и выключении меняется падение
напряжения в проводах силовой сети, что вызывает изменение
входного напряжения ИП. Оно передается в цепь питания
электрической дуги если ИП не обеспечивает стабилизацию режима.
При этом меняется ток и напряжение дуги и, соответственно, глубина
проплавления Н и ширина шва В.
В
Н
В
Н
В
В
В
Н
Н
Н
I
Lд
Стабилизированные ИП с быстродействующими системами
регулирования выполняются на силовых тиристорах или
транзисторах.
Для автономных ИП - сварочных агрегатов стабилизируют
число оборотов двигателя внутреннего сгорания при изменении
его нагрузки.
Регулирование режима сварки.
Для единичного и мелкосерийного производства как
показывает практика экономически целесообразно использовать
универсальные ИП или ИП с большим диапазоном регулирования
режимов, хотя они и дороже.
Для крупносерийного и массового производства при одном
способе сварки в узком диапазоне изменения режима
универсальные ИП или ИП с большим диапазоном регулирования
не нужны и экономически убыточны.
При работе ИП на режиме, близком к номинальному,
обеспечивается максимальные КПД и cosφ, соответственно
минимальна
плата
за
электроэнергию.
Поэтому
для
крупносерийного и массового производства нужно выбирать ИП с
минимальным запасом по номинальному току.
Настройка сварочного тока изменением напряжения холостого
хода (а) и электрического сопротивления (б) источника питания
Зажигание дугового разряда
Применяется контактное и бесконтактное.
Контактное зажигание
Стадии процесса (а) и осциллограммы напряжения (б) и тока (в)
при зажигании дуги разрывом цепи короткого замыкания
J
A
J  КЗ
S мм 2
ИП
Iкз
Контактирующие микронеровности за время 10-5-10-6c
расплавляются и испаряются, далее действием силы тяжести
замыкаются другие и так далее.
I
Uu
ИП
A
Iуст
t
При температуре кипения большинства свариваемых материалов
(для Fe 2700°С) степень ионизации атомов веществ, находящихся в
межэлектродном промежутке очень мала, уровень ионизации
тысячные или сотые доли процента, поэтому прохождение больших
токов невозможно.
Для того, чтобы этот процесс перешел в дуговой разряд
необходимо обеспечить автоэлектронную эмиссию и ударную
ионизацию. Автоэлектронная эмиссия возникает при разрыве
контактов при напряженности электрического поля порядка 1011
В/мм от напряжения холостого хода ИП.
Ударная ионизация осуществляется электронами, разгоняемыми
электрическим полем также от напряжения холостого хода ИП. Если
на дистанции свободного пробега электрона (для атмосферного
давления для порядка 10-4-10-3мм) он набирает энергию достаточную
для выбивания из атома еще одного электрона, то происходит
увеличение проводимости. Процесс нарастает лавинообразно до
некоторого установленного значения тока определяемого настройкой
ИП и сопротивлением цепи.
Практика сварочных работ показала, что контактное зажигание
дуги должно обеспечиваться за время не более 0,5 секунды.
При контактном зажигании на первой стадии процесса и
используется
термическая
ионизация,
скорость
которой
определяется током короткого замыкания, а на второй стадии
ударная ионизация - скорость которой определяется напряжением
холостого хода ИП, поэтому целесообразно их увеличивать до
максимально возможных значений.
Ускорить процесс зажигания можно также улучшая
динамические свойства ИП, что дает технологические преимущества
инверторным ИП.
При ручной дуговой сварке напряжение холостого хода ИП
ограниченно условиями электробезопасности: для переменного тока
U20≤ 80B, а для постоянного тока U20≤ 100…114 B.
Облегчить зажигание можно, если в дуговой промежуток
вводить материалы с наименьшим потенциалом ионизации, а именно
щелочные металлы (Na, K) в виде их соединений. Затраты энергии на
ионизацию получаются в несколько раз меньше, чем для атомов
железа. Поэтому их соединения входят в состав покрытия штучных
электродов.
Бесконтактное зажигание
Применяется как правило, при сварке W электродами
(неплавящимися) и в процессах плазменной сварки и резки.
Для этого варианта в межэлектродном зазоре формируют
искровой разряд переходящий через промежуточную стадию в
дуговой разряд за время несколько десятых долей секунды.
Для пробоя зазора требуется напряжение минимум несколько
тысяч Вольт (порядка 1-2 кВ на мм зазора). Начальная ионизация
происходит за счет ударного механизма, но так как она начинается
при комнатной температуре, а не при температуре кипения
материала электрода, как в предыдущем случае, то энергия разгона
электронов должна быть на 2 порядка выше. Т.к. выбивание
электронов процесс квантовый, т.е. имеется пороговый уровень
возбуждения и выхода электронов, соответственно имеется и
пороговое напряжение в зависимости от состава защитного газа,
при котором возможно развитие этого процесса.
Для обеспечения электробезопасности высокое напряжение
подают в виде высокочастотных импульсов с частотой колебаний
не менее тысяч Герц. Защита от поражения высоковольтным
напряжением обеспечивается прохождением высокочастотного
разряда по поверхности кожи человека не затрагивая его
внутренних органов.
Для формирования
высоковольтного высокочастотного
разряда применяют осцилляторы в виде отдельного от ИП
устройства или встроенные в ИП. Серийные осцилляторы
генерируют 100 раз в секунду пачки затухающих импульсов с
амплитудой до 6кВ.
U
>6кВ
0,01с
Схема осциллятора параллельного с ИП включения:
Т1 - повышающий трансформатор,
Т2 - высокочастотный трансформатор,
Lф Сф - фильтр для защиты сварочного источника питания от
высокого напряжения трансформатора,
L1 СЗ Р - колебательный контур,
С1 С2 - фильтр для запиты питающей сети от высокочастотных
помех, создаваемых осциллятором,
Г – сварочная горелка
Устойчивость горения дуги в системе
«источник питания -дуга»
Система «ИП -дуга» при малом возмущении по длине дуги ld2 - ld1
L
R
ИП
UU
Ug
Ug
Электрическая цепь системы «ИП -дуга» в общем и при
реальном соотношении большинстве случаев ХL>>R, когда
переходные процессы описываются уравнением
dJ
U J   U g ( J )  L
U
dt
U
U20
2 ВСХ ИП
Ug=UU
Jg=JU
i
1
Uр
J
Jр ВАХ дуги
Jр
J
В динамике система будет устойчива, если после возмущения
она возвратится в исходную точку. Если рассматривается
устойчивость в малом, т.е. при малых отклонениях от положения
равновесия нелинейные фунуции ИП и дуги без особых
погрешностей можно заменить линейными.
dU
U i  U  dU g i  L d ( J P  i)
P
P
dJ
dJ
dt
 dU

di
g dUU 
di



i  L dt  0  L  K у i  0
dJ 
dt
 dJ
U



Кустойчивости
di
L   K уi ;
dt
K
i
у
ln  
t;
C
L
K
у

t
L
i  Je
K
K
уi
у
di
ln i  
t  ln C ;

dt ;
i
L
L
K
у

t
L
при начальных условиях
i  Ce
t=0 I=ΔJ, C= ΔJ
Для того, чтобы система была устойчивой при отклонениях, с
ростом времени ток должен убывать (i→0) это можно обеспечить,
когда показатель exp «-», а так как по определению индуктивность
может быть только «+», то Ку должен быть больше 0 (L>0 → Ку>0).
При использовании для сварки дугового разряда – сварочной
дуги на падающем участке ее вольтамперной характеристики в
некоторой точке В, где дифференциальное сопротивление дуги
отрицательно (рд < 0), внешняя статическая характеристика ИП 1
должна быть еще более крутопадающей для получения
положительного значения коэффициента устойчивости ky.
При использовании дуги на жестком участке ее ВАХ (рд= 0) в
некоторой точке С ВСХ ИП может быть и крутопадающей 2, и
пологопадающей 3, но непременно падающей (ри < 0).
При использовании дуги на возрастающем участке ее ВАХ в
некоторой точке D (рд > 0), для обеспечения устойчивости ИП может
иметь любую падающую 4 (ри < 0) и жесткую 5 (ри = 0) ВСХ, и даже
пологовозрастающую 6 (ри > 0) ВСХ, если ее наклон меньше.
Наибольшим запасом устойчивости в точке D обладает,
естественно, система с источником, имеющим характеристику 4,
поскольку при этом ky максимальный.
ИП с пологовозрастающей ВСХ в сварочном производстве не
применяются.
Ручная дуговая сварка покрытыми электродами.
Поскольку
проходящий
ток
нагревает
стержень
и,
соответственно,
обмазку,
плотность
тока
ограничивается
максимальной температурой нагрева обмазки (400°С) поскольку
связующее обмазки – жидкое стекло или канцелярский клей при
нагреве теряет воду и становится хрупким. В условиях
неравномерного нагрева стержня и обмотки из-за разных
коэффициентов линейного расширения обмазка трескается и
осыпается. Поэтому при ручной сварке покрытыми электродами
можно использовать падающую и часть жесткого участка ВАХ дуги.
U
I
Из общего условия устойчивости следует, что характеристика
ИП на падающем участке ВАХ дуги должна быть крутопадающей, а
на жестком любая падающая. Поэтому для обеспечения
устойчивости и большого диапазона регулирования тока применяется
ИП с крутопадающей или вертикально падающей ВСХ
при
напряжении характерном для ручной сварки покрытыми электродами
20-40 В.
Для ручной сварки характерны большие колебания длины дуги.
U
U20
ВСХ ИП
l2>l1
Ug= UU
l1
J
J
Для обеспечения, так называемой, эластичности дуги, т.е.
возможности растягивать ее на большую длину, наилучшим
вариантом является вертикально падающая характеристика ИП.
Поскольку процесс начинается коротким замыканием из условий
более надежного зажигания дуги желательно увеличение тока
короткого замыкания, что приводит к комбинированной ВСХ ИП с
характеристикой типа пологопадающей при низких напряжениях на
межэлектронном промежутке.
U
J= const
J
JР
Jк.з.
Такие характеристики можно получить
только при быстродействующем регуляторе тока в тиристорных и
транзисторных ИП.
ВСХ
ИП
регулируемого
изменением
индуктивного
сопротивления трансформатора а) и регулируемого титисторами б).
В самых простых тансформаторах и выпрямителях для ручной
дуговой сварке приемлемым компромиссом для сварки является
крутопадающая ВСХ ИП: обеспечивается устойчивость и
эластичность дуги, ток короткого замыкания больше рабочего тока.
Автоматическая сварка под флюсом.
Для наибольшей производительности автоматической сварки
целесообразно работать при токе близком к максимальному
значению для применяемого диаметра электродной проволоки при
этом в основном используется возрастающий участок ВАХ дуги и
реже участок с жесткой ВАХ.
Из общего условия устойчивости следует, что на возрастающем
участке ВАХ дуги можно использовать любую падающую и жесткую
ВСХ ИП, а на жестком участке любую падающую ВСХ ИП.
Для механизированных способов сварки технологическим
требованиям является поддержания стабильного формирования шва.
Необходима стабилизация не только нагрева, но и длины дуги. Для
свободно горящих дуг в связи с их расширяющейся в сторону
плоского электрода формы колебания длины дуги меняют и ширину
шва и глубину проплавления (смотри выше).
Стабилизацию длины дуги при постоянной скорости подачи
проволоки можно обеспечить используя саморегулирование длины
дуги за счет смешанной обратной связи по электрическим тепловым
параметрам, которая реализуется в подавляющем большинстве
сварочных автоматов для сварки плавящимся электродом при
неизменной при сварке скорости подачи электродной проволоки Vп.
Схема сварочного автомата для сварки плавящимся электродом
U
l2>l1
l1
J
J
Реакция сварочного автомата с ИП на увеличение длины дуги
Для максимальной эффективности саморегулирования длины
дуги необходимо, чтобы малое удлинение дуги и, соответственно,
рост напряжения на дуге приводили к большому снижению
сварочного тока и, соответственно, скорости плавления электродной
проволоки, то есть Ку → 0. Естественно должен быть запас
устойчивости системы, поэтому практически на жестком участке
ВАХ дуги применяют пологопадающие ВСХ ИП, а на
пологопадающем участке ВАХ дуги жесткие ВСХ ИП.
При жестких и пологопадающих ВСХ ИП ток короткого
замыкания может быть в 3-5 раз больше, чем номинальный ток ИП.
Поэтому необходимо обеспечить защиту ИП от длительного
короткого замыкания. Защита при перегрузках менее 6 раз
обеспечивается тепловыми автоматами защиты с временем
срабатывания в пределах нескольких секунд.
Для сварочного автомата также необходимо дистанционное
регулирование (выкл./вкл., регулирование тока и напряжения).
Дистанционное регулирование требует электронного управления ИП,
поэтому применяются ИП с тиристорным или транзистроным
регулированием режима.
Процесс сварки под флюсом обычно практически осуществляют
проволоками диаметром не менее 2мм при силе тока дуги 200 –
2000А. При сварке дуга горит в газовом пузыре и закрыта от
внешних воздействий колпаком из расплавленного флюса, поэтому
устойчивость дуги и процесса в целом очень высокая даже на
переменном токе. Постоянный ток необходимо использовать при
сварке под флюсом высоколегированных сталей, титановых сплавов
из-за солевых флюсов содержащих фтор и хлор, и, соответственно,
снижающих дуговую ионизацию процесса.
Сварка плавящимся электродом в среде защитных
газов.
Поскольку при сварке плавящимся электродом в среде защитных
газов (СО2, аргон, газовые смеси) работают на тех же участках ВАХ
дуги, что при сварке под флюсом и в большинстве оборудование
тоже применяют постоянную скорость подачи проволоки постольку
все требования к ИП здесь те же что и при сварке под флюсом, кроме
последнего условия. Процесс сварке плавящимся электродом в среде
защитных газов выполняется только на постоянном токе, как
правило, обратной полярности из-за низкой стабильности горения
дуги и, соответсвенно, формирования шва. Кроме того, для этого
способа сварки в очень широком диапазоне режимов характерен
процесс периодических коротких замыканий дугового промежутка.
Сварка с периодическими короткими замыканиями дугового
промежутка от сварочного выпрямителя трансформаторного типа
Если скорость нарастания тока маленькая – разрыв перемычки
не происходит и сварка прекращается, если слишком большая –
происходит недопустимое разбрызгивание металла (более 15-20%) .
Для сварки в СО2 для допустимого уровня разбрызгивания
электродной проволоки диаметром 0,8мм допустимая скорость
нарастания тока короткого замыкания 100-170А/мс, а для проволоки
диаметром 2мм на порядок меньше - 10-20А/мс.
Поэтому для обеспечения достаточно большого диапазона
регулирования тока необходимо регулирование скорости нарастания
тока короткого замыкания. В традиционных выпрямителях это
дополнительный дроссель с переключением обмоток и,
соответственно, изменением индуктивности чаще всего на три
фиксированных величины.
Значительно меньшее разбрызгивание, которое может не
превышать одного процента достигается применением программного
управления
током
в
инверторных
выпрямителях
с
микропроцессорным управлением в связи с большой скоростью
регулирования тока у таких ИП.
Сварка с периодическими короткими замыканиями дугового
промежутка от сварочного выпрямителя инверторного типа
Особенности устойчивости горения дуги
переменного тока на плавящихся электродах
В связи с тем, что при смене полярности происходит угасание
дугового разряда и деионизация дугового промежутка, в каждый
полупериод зажигания дуги происходит практически заново.
Осциллограмма дуги переменного тока между стальными
электродами - а) и соответствующие ей графики температуры и
электрического сопротивления межэлектродного зазора – б).
Время зажигания дуги от начала полупериода tз определяется
достижением уровня напряжения достаточного для развития
дугового разряда Uз..
Для маломощных дуг процесс зажигания всегда сопровождается
пиком напряжения зажигания, превышающим напряжение
стабильного горения дуги, что связано большим снижением
ионизации при смене полярности.
В мощных дугах из-за большой тепловой инерции (электродов)
напряжение зажигания мало отличается от напряжения горения дуги
переменного тока поэтому в диапазоне больших токов возможно
снижение напряжения холостого хода сварочных трансформаторов
до 60 В.
Поскольку деионизация растет с увеличением времени
перерывов горения дуги для увеличения стабильности сварки на
переменном токе необходимо минимизировать время перерывов.
Это возможно при повышение напряжения холостого хода и при
индуктивной нагрузке в сварочной электрической цепи (реактивный
накопитель энергии), но напряжение холостого хода сварочных
трансформаторов
для
ручной
сварки
по
условиям
электробезопасности не должно превышать 80В. Поэтому
необходимо большое индуктивное сопротивление трансформаторов.
U
t
Отставание тока от напряжения с сварочном трансформаторе
обеспечивает в момент перехода тока через ноль достаточное
напряжение для повторного зажигания дуги. В первых конструкциях
сварочных трансформаторов (первая половина 20 века) для этого
использовался отдельный или совмещенный с трансформатором
дроссель. Во второй половине 20 века были разработаны
трансформаторы с увеличенным индуктивным сопротивлением за
счет разнесения первичных и вторичных обмоток, поэтому в
настоящее время производятся только такие трансформаторы.
Особенности требований к ИП для сварки трехфазной
дугой.
Процесс разработан в Уральском политехническом институте в
30-е годы 20века профессором Михайловым Г.П.
G
ИЛИ
наплавка
В настоящее время эти процессы сварки и наплавки
применяются ограниченно и только в механизированном варианте.
Трехфазная дуга переходит в двухфазную, когда расстояние между
электродами становится больше обрывной длины дуги.
В основном процесс реализуется в варианте с образованием
общего ионизированного пространства, поскольку при этом
улучшается устойчивость горения дуги, т.к. поддерживается
постоянный высокий уровень ионизации в разрядном промежутке,
соответственно в каждый момент времени горит минимум две дуги.
Если дуговое пространство не общее, стабильность горения дуги
близка к горению однофазной дуги переменного тока.
Применяется для автоматической наплавки и сварки под флюсом
на оборудовании с фиксированной скоростью подачи электродной
проволоки и саморегулированием длины дуги. Применяют ИП с
пологопадающей и жесткой ВСХ: трехфазные трансформаторы
изготавливаемые по заказу или три одинаковых однофазных
трансформатора. Если используется двухдуговая схема, то возможно
применение двух однофазных трансформаторов.
Сварка неплавящимся электродом в защитных газах.
При сварке в качестве электродов используются активированные
вольфрамовые стержни и инертный защитный газ – в основном
аргон, поэтому обычно называется «аргонодуговая сварка - АрДС»,
(аргонодуговая сварка плавящимся электродом рассмотрена выше).
Применяется ручная и автоматическая сварка с присадочной
проволокой и без нее.
1. Сварка на постоянном токе.
Только на постоянном токе прямой полярности (электрод-катод)
можно обеспечить работу активированного окислами лантана и
иттрия вольфрамового электрода без макроскопического оплавления
поверхности. Это удобно для обеспечения стабильности дугового
разряда и процесса сварки. Поэтому стали и сплавы кроме легких
сплавов (Al и Mg) сваривают на прямой полярности.
Поскольку АрДС на прямой полярности позволяет обеспечить
горение сварочной дуги даже на токе менее 10А, где ВАХ дуги
крутопадающая, то для обеспечения устойчивости системы ИП –
дуга большинство современных ИП имеют ВСХ вертикально
падающую (другое название «штыковая ВСХ») в диапазоне
напряжения дуги от 0 до 30-40В. При такой ВСХ ИП и стабилизации
тока на сварку не влияет колебания напряжения питающей сети,
Установки для АрДС обязательно имеют встроенный блок для
безконтактного зажигания дуги для того, чтобы не загрязнять
вольфрамовый электрод и, таким образом, не допускать его быстрого
оплавления. Но в ряде случаев при ручной сварке еще применяют
обычные сварочные выпрямители и контактное зажигание дуги.
При механизированной АрДС поскольку электрод не
расплавляется и саморегулирование дуги не возможно применяются
системы автоматического регулирование длины дуги, которые
обычно выполняются отдельно от ИП.
2. Сварка на переменном токе
Сварка на переменном токе легких сплавов (Al и Mg)
обусловлена необходимостью разрушения прочной и тугоплавкой
окисной пленки на поверхности легких сплавов катодным
распылением, что возможно только на обратной полярности когда
катодом становится свариваемое изделие. Но при АрДС на обратной
полярности сильно оплавляется вольфрамовый электрод и шов часто
попадают вольфрамовые включения, что обычно недопустимо.
Поэтому сварка на переменном токе или разнополярными
импульсами тока является основным способом АрДС легких сплавов.
При АрДС легких сплавов из-за разных теплофизических
свойств вольфрама (W) и свариваемого материала нарушается
симметрия тока и напряжения дуги из-за их различия в полупериоды
прямой и обратной полярности.
U
I
W --
i
W --
W+
U
t
i
Al+
U
Al--
Al+
прямая полярность
Так как вольфрам обеспечивает термоэмисионный выход
электронов в полупериод прямой полярности напряжение зажигания
и горения дуги низкое и, соответственно, ток дуги большой. В
полупериод обратной полярности из-за отсутствия термоэмисии у
алюминия напряжение зажигания дуги превышает 100В и в
несколько раз выше напряжение на дуге поэтому ток обратной
полярности обычно в 2-3 раза меньше тока прямой полярности.
В связи такими особенностями АрДС на переменном токе к
сварочным установкам предъявляются следующие специальные
требования:
1. Обязательное безконтактное зажигание дуги от встроенного
блока формирующего высоковольтные высокочастотные колебания.
2. Стабилизация горения дуги при каждом переходе на обратную
полярность с помощью встроенного блока стабилизатора горения
дуги формирующего импульс малой длительности с напряжением до
600В при разряде батареи конденсаторов в сварочную цепь.
3. Подавление постоянной составляющей тока за период для
того чтобы избежать одностороннего намагничивания сердечника и
перегрева обмоток трансформатора, а также его чрезмерной тряски.
В современных сварочных установках для АрДС на переменном
токе устройства подавления постоянной составляющей тока в
выполняется на базе диодно-тиристорного моста, который уменьшает
ток прямой полярности до уровня тока обратной полярности.
В современных сварочных установках для АрДС на переменном
токе для работы в диапазоне сварочных токов начиная с нескольких
десятков ампер (где ВАХ дуги падающая) обычно реализуются
крутопадающие ВСХ.
Начало процесса осуществляется безконтактным зажиганием
дуги, после чего начинает работать блок стабилизатора горения дуги,
а блок осциллятора отключается. Если в течение нескольких секунд
дуга не зажигается блок осциллятора отключается реле времени.
В современных сварочных установках
для АрДС
предусмотрены регулируемые по времени продувка шлангов горелки
инертным газом до зажигания дуги и задержка выключения подачи
газа после выключения дуги для защиты от окисления свариваемого
металла.
Плазменные процессы при сварке и, резке.
Специфика требований связана с тем, что используется не
свободно горящая, а сжатая в сопле плазматрона дуга, что позволяет
поднять температуру в центре столба дуги до уровня 100%
ионизации – возникновения плазмы (в среде аргона это не менее 12
тысяч градусов).
При плазменной сварке и резке основная дуга горит между
неплавящимся электродом и изделием, а вспомогательная дуга горит
между неплавящимся электродом и металлическим соплом, образуя
плазменную струю, которая используется как токопроводящий канал
при зажигании основной дуги.
Плазменная сварка.
На установках для плазменной и микроплазменной сварки (до
50А), как правило, сварка выполняется на постоянном токе прямой
полярности, но иногда они комплектуются специальными
плазмотронами и дополнительными блоками для сварки на обратной
полярности тока или сварки разнополярными импульсами легких
сплавов.
ВАХ сжатой дуги при одинаковом токе имеет более высокое
напряжение, чем у свободно горящей дуги с неплавящимся
электродом. При плазменной сварке на постоянном токе прямой
полярности напряжение на дуге чаще всего 25÷40В.
U
I
При плазменной сварке используются все участки ВАХ дуги от
падающего до возрастающего, поэтому, для обеспечения
устойчивости процесса во всем диапазоне режимов сварки обычно
используется крутопадающая или вертикально падающая ВСХ ИП.
Специальные требования к установкам или ИП:
1.Повышенное напряжение холостого хода (более 100 В).
2.Наличие блока для безконтактного зажигания вспомогательной
дуги.
3.Наличие дополнительного ИП для питания дуги, зажигаемой
между электродом и металлическим соплом;
Применяются специализированные установки для плазменной и
микроплазменной сварки, например УПС-302, МПУ-4 и
аналогичные.
Начало процесса осуществляется безконтактным зажиганием
вспомогательной дуги между электродом и соплом с питанием от
вспомогательного маломощного ИП. Вспомогательная дуга имеет
ток на порядок меньше основной, чтобы не разрушилось сопло
плазмотрона. Когда плазмотрон приближают к изделию,
электропроводный факел вспомогательной дуги позволяет зажечь
основную дугу, которая питается от основного ИП.
Плазменная резка.
Наиболее высокое напряжение на дуге в сварочном
производстве достигается при плазменной резке. На серийных
установках напряжение на дуге может достигать 250В, что
связанно с большой длиной дуги (до 200мм).
Плазменная резка всегда выполняется на постоянном токе
прямой полярности.
В настоящее время практически применятся в основном
воздушно-плазменная резка, в которой плазмообразующим газом
является воздух.
При ручной плазменной резке напряжение холостого хода ИП
в
нашей
стране
ограниченно
величиной
180В,
при
механизированной резке обычно не менее 300В. При ручных
процессах ограничение связанно с электробезопасностью и при
этом обязательна двойная электрическая изоляция плазмотронов.
При плазменной резке процесс сопровождается большими
колебаниями длины дуги, связанными с перемещением анодного
пятна по поверхности реза. Вначале дуговой разряд горит на
верхней кромке (длина дуги минимальна) и по мере плавления
металла вместе с расплавом анодное пятно перемещается по
поверхности реза вниз растягивая дугу, но затем при движении
плазмотрона относительно разрезаемого металла периферия столба
дуги наезжает на стенку реза и снова зажигается дуга на верхней
кромке. При этом скачки напряжения могут превышать 100В и
напряжение дуги имеет пилообразную форму.
U
t
Поэтому для стабилизации геометрии реза создаваемого столбом
дуги необходимо стабилизировать ток (диаметр столба дуги растет с
увеличением тока). С другой стороны стабилизация тока необходима
для предотвращения аварийного разрушения плазмотрона при
двойном дугообразовании (основная дуга горит в цепи электрод –
сопло и сопло - изделие).
В связи в этим при плазменной резке необходима вертикально
падающая или близкая к ней ВСХ ИП в установке для резки.
U
l2
l1
I
Дополнительные требования к установкам:
1.Повышенное напряжение холостого хода (более 180 В).
2.Наличие блока для безконтактного зажигания вспомогательной
дуги.
3.Наличие дополнительного ИП для питания дуги, зажигаемой
между электродом и металлическим соплом;
Вспомогательный ИП для плазменной резки обычно имеет такое
же напряжение, как и основной, а питание вспомогательной дуги
производится через балластное сопротивление. Сначала зажигается
вспомогательная дуга, а затем по ионизированному каналу
зажигается основная дуга. Вспомогательная дуга обычно горит и во
время горения основной дуги. Т.к. процесс как правило идет в
воздухе, вспомогательная дуга имеет ток от10 до 30А. Напряжение
осциллятора для бесконтактного зажигания вспомогательной дуги
значительно выше, чем у серийных осцилляторов - порядка 25кВ.
Электрошлаковая сварка.
Источником нагрева при этой сварке является ванна
расплавленного шлака в которой выделяется тепло при прохождении
электрического тока за счет движения анионов и катионов расплава
шлака. Перегретая ванна шлака плавит и электрод и стенки
свариваемых деталей. При сварке больших конструкций боковые
водоохлаждаемые медные ползуны поднимаются по мере
заплавления зазора. ВАХ шлаковой ванны возрастающая, поэтому,
для обеспечения как общей устойчивости, так и саморегулирования
межэлектродного промежутка целесообразно использовать жесткие
ВСХ ИП.
Регулирование тока производят регулированием выходного
напряжения ИП при этом наиболее целесообразно использовать
переменный ток. Для мощных установок, как правило, используют
трехфазную систему с целью более равномерного плавления металла
и равномерной нагрузки силовой сети. Выпускается серийное
оборудование с номинальным током 1000-10000А (трехфазные
трансформаторы). Возможно использование мощных однофазных
трансформаторов и выпрямителей .