Сварочная дуга как элемент электрической. Сварочная электрическая дуга

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРОЧНАЯ ДУГА — КиберПедия

При электродуговой сварке между электродом (рис.52) и свариваемым металлом возникает дуга, окруженная газовым облаком. В образовавшейся дуге в осевом направлении различают: столб дуги,центральную часть длиной порядка нескольких миллиметров и приэлектродные области (катодную и анодную). Дуга, вытесняя расплавленный металл сварочной ванны, образует кратер.

Катодная область включает в себя катодное пятно и часть дугового промежутка, примыкающего к нему. Основной физический процесс в этой области - электронная эмиссия и разгон электронов. На катодном пятне выделяется до 36 % общей теплоты дуги, температура достигает 3000 °С.

Анодная область состоит из анодного пятна и также части дугового промежутка, примыкающего к нему. Анодное пятно является местом входа и нейтрализации свободных электронов в материале анода; в результате бомбардировки электронами на нем выделяется больше теплоты (до 43 %), чем на катоде, температура достигает 4000 °С.

Столб дуги занимает наибольшую протяженность дугового промежутка. В столбе дуги происходит соударение нейтральных частиц и частиц, несущих электрический заряд, что сопровождается ионизацией газа столба дуги. Степень ионизации составляет несколько процентов. Ионизированный газ с такой степенью ионизации называют низкотемпературной плазмой. В столбе дуги выделяется до 21 % общего количества теплоты, которая в основном (около 80 %) рассеивается путем лучеиспускания в окружающее пространство. На оси столба температура порядка 5000. ..7000 С.

Рисунок 52 - Схема горения электрической дуги

 

Электрическая характеристика дуги в координатах напряжение U - время t, (рис.53), имеет несколько четко выраженных участков в соответствии с технологическими этапами электродуговой сварки. Сварка начинается с короткого замыкания (точка 1) , при которой напряжение U → 0, а ток I → Iмах. Короткое замыкание необходимо для разогрева торца электрода и металла заготовки в зоне контакта. Затем электрод отводят от поверхности заготовки, и образуется межэлектродное пространство. Образование воздушного зазора вызывает увеличение сопротивления межэлектродного пространства и соответственно повышение напряжения до напряжения зажигания дуги UЗ(точка 2). Под действием электрического поля с разогретого торца электрода (катода) начинается эмиссия электронов, которые, двигаясь упорядоченно по направлению к аноду, сталкиваются с молекулами и атомами газов и паров металла и ионизируют их. В результате дуговой промежуток становится электропроводным (участок 2-3) и начинается разряд электричества, т.е. возникает электрическая дуга. При этом для горения дуги требуется меньшее напряжение Uр. Последний этап характеризуется расплавлением электрода, образованием и отрывом капли металла и уменьшением длины межэлектродного пространства при дальнейшем падении напряжения (участок 3 – 4). В дальнейшем цикл сварки повторяется.

 

1 2 3 4

 

 

Рисунок 53 - Электрическая характеристика дуги

 

В процессе сварки в энергетической системе, которую представляют источник питания - сварочная дуга - шов, возникают возмущения, которые приводят к нарушению равновесия в системе и вызывают изменения ее энергетических параметров - напряжения на дуге и тока в сварочном контуре. Причинами возмущений чаще всего служат изменения длины дуги, напряжения сети, скорости подачи электродной проволоки и др.

Длиной дуги (рис.54) называется расстояние между торцом электрода и поверхностью сварочной ванны. Короткойдугой называют дугу длиной 2...4 мм. Длина нормальнойдуги составляет 4...6 мм. Дугу длиной более 6 мм называют длинной.

Рисунок 54 - Длина сварочной дуги

 

Длина дуги значительно влияет на качество сварки. Короткая дуга горит устойчиво и спокойно. Она обеспечивает получение шва высокого качества, так как расплавленный металл электрода быстро проходит дуговой промежуток и меньше подвергается окислению и азотированию. Но слишком короткая дуга вызывает приваривание электрода к изделию, дуга прерывается, нарушается процесс сварки. Длинная дуга горит неустойчиво с характерным шипением. Глубина проплавления недостаточная, расплавленный металл электрода разбрызгивается и больше окисляется и азотируется. Шов получается бесформенным, а металл шва содержит большое количество окислов. Для электродов с толстым покрытием длина дуги указывается в паспортах.

Непременное условие получения качественного сварного соединения - устойчивое горение дуги, при котором основные ее параметры (сила тока и напряжение) находятся в определенной взаимозависимости. Графическое изображение этой зависимости называют статической вольт-амперной характеристикой дуги (рис 55).

Статическая вольт-амперная характеристика дуги есть зависимость напряжения UД на дуге от силы сварочного тока I при постоянной длине дуги LД и всех прочих физических факторах, влияющих на условия ее горения. С увеличением длины дуги ее напряжение возрастает и кривая статической вольт-амперной характеристики поднимается выше относительно оси абсцисс, с уменьшением длины дуги опускается ниже, качественно сохраняя при этом свою форму.

В зависимости от силы тока вольт-амперная характеристика может быть падающей 1, жесткой 2 и возрастающей 3.

 

Рисунок 55 - Статическая вольт–амперная характеристика дуги:

1 – падающая; 2 – жесткая; 3 – возрастающая.

 

Падающую характеристику имеют малоамперные свободно горящие в воздухе или среде аргона дуги при силе тока до 100 А. Дугу с жесткой характеристикой при силе тока 100 А и более применяют при ручной дуговой и автоматической сварке под флюсом. Дугу с возрастающей характеристикой используют при газоэлектрической сварке плавящимся электродом, а также при автоматической сварке под флюсом и повышенной плотности тока.

Каждому виду характеристики дуги соответствует определенный характер переноса расплавленного металла электрода в сварочную ванну: падающей и жесткой - крупнокапельный, возрастающей - мелкокапельный.

Чтобы получить устойчивый дуговой разряд между электродом и свариваемым изделием, к ним необходимо подвести напряжение от специального источника Дуговая сварка может проводиться на переменном и постоянном токе.

Зажигание и устойчивое горение дуги при токе любого рода зависят от внешней характеристики источника питания дуги (рис.56). Внешней вольт-амперной характеристикой источника питания называют графическое изображение зависимости напряжения на его выходных клеммах от силы тока в электрической цепи. Внешняя вольт-амперная характеристика может быть крутопадающей 1, пологопадающей 2, жесткой 3 и возрастающей 4.

Источник питания дуги выбирают в зависимости от вида вольт-амперной характеристики дуги. Для ручной дуговой сварки штучными электродами целесообразна крутопадающая внешняя характеристика. Пологопадающую внешнюю вольт-амперную характеристику применяют при автоматической и полуавтоматической сварке под флюсом; жесткую и возрастающую - при сварке в среде защитных газов.

 

Рисунок 56 - Внешние вольт-амперные характеристики источников питания дуги: 1 –крутопадающая; 2 – пологопадающая; 3 – жесткая; 4 – возрастающая

Сварочная дуга горит устойчиво, если напряжение дуги равно напряжению источника тока, что соответствует точке пересечения статической вольт-амперной характеристики дуги 1 и внешней вольтамперной характеристики источника питания 2 (рис.57).

Рисунок 57 - Совмещение вольт – амперных характеристик: 1 – статической дуги; 2 – внешней источника питания.

Точка В соответствует режиму устойчивого горения дуги; А - напряжению зажигания дуги UЗ ; С - режиму холостого хода (Uхх) источника питания в период, когда дуга не горит и сварочная цепь разомкнута; D - режиму короткого замыкания (IК.З) электрода и детали, который имеет место при зажигании дуги.

Источник питания для ручной дуговой сварки должен отвечать следующим пяти требованиям:

1.Источник сварочного тока должен обеспечивать напряжение холостого хода UХ.Хв 2,5...3 раза больше, чем рабочее напряжение UР. Напряжение холостого хода в зависимости от рода тока и типа электрода изменяется от 40 до 80 В.

2.Сила тока короткого замыкания IК.З не должна более чем в 2 раза превышать силу рабочего тока IР. Отношение силы тока короткого замыкания к силе рабочего тока называют коэффициентом добротности Д источника питания: Д = IК.З /IР - Коэффициент добротности характеризует устойчивость работы источника сварочного тока и горения дуги. Его значения при ручной дуговой сварке должны быть в пределах 1,0 < Д < 2.

3.Источник сварочного тока должен быстро реагировать на все изменения параметров режима в дуге и сети. Источник питания должен восстанавливать напряжение от момента короткого замыкания (U ≈ 0) до напряжения зажигания дуги (Uз) в течение 0,02-0,05 сек.

4.Источник сварочного тока должен обладать крутопадающей внешней вольт-амперной характеристикой, которая необходима для возбуждения и устойчивого горения дуги, ограничения тока короткого замыкания и равномерной сварки при различных колебаниях режима.

5. Источник сварочного тока должен обеспечивать регулирование параметров режима сварки (сварочного тока и напряжения), т. е. легко настраиваться на нужный режим сварки.

cyberpedia.su

Электрическая сварочная дуга | soedenimetall.ru

Основные понятия

Электрическая сварочная дуга представляет собой устойчивый дли­тельный электрический разряд в газовой среде между твердыми или жид­кими электродами при высокой плот­ности тока, сопровождающийся выделением большого количества теплоты. Электрический разряд в газе есть электрический ток, проходящий через газовую среду благодаря наличию в ней свободных электронов, а также отрицательных и положительных ио­нов, способных перемещаться между электродами под действием приложенного электрического поля (разности потенциалов между электродами).

Электрон — это частица весьма малой массы, несущая элементарный ( наименьший, неделимый) электричес­кий заряд отрицательного знака. Мас­са электрона равна 9,1 • 10-28г; эле­ментарный электрический заряд равен 1,6 • 10-19 Кл. Ионом называется атом или молекула вещества, имею­щая один или несколько элементарных зарядов. Положительные ионы имеют избыточный положительный заряд; они образуются при потере нейтраль­ным атомом или молекулой одного или нескольких электронов из своей на­ружной (валентной) оболочки (электроны, вращающиеся в валентной оболочке атома, связаны слабее, чем электроны внутренних оболочек, и по­этому легко отрываются от атома при столкновениях или под действием обл­учения). Отрицательные ионы имеют избыточный отрицательный заряд; они образуются, если атом или молекула присоединяет к своей валентной оболочке лишние электроны.

• Процесс, при котором из нейтральных атомов и молекул образуются положительные и отрицательные ионы, назы­вается ионизацией. Ионизация, вызван­ная в некотором объеме газовой среды, называется объемной ионизацией. Объемная ионизация, полученная благодаря нагреванию газа до очень высо­ких температур, называется терми­ческой ионизацией.

При высоких температурах значительная часть молекул газа обладает достаточной энергией для того, чтобы при столкновениях могло произойти разбиение нейтральных молекул на ионы; кроме того, с повышением температуры увеличивается общее число столкновений между молекулами газа. При очень высоких температурах на процесс ионизации начинает влиять также и излучение газа и раскаленных электронов. При обычных температурах ионизацию можно вызвать, если уже имеющимся в газе электронам и ионам сообщить с помощью электрического поля большие скорости. Обладая большой энергией, эти частицы могут разбивать нейтральные атомы и молекулы на ионы. Кроме того, ионизацию можно вызвать световыми, ультрафиолетовы­ми, рентгеновскими лучами, а также излучением радиоактивных веществ.

В обычных условиях воздух, как и все газы, обладает весьма слабой электропроводностью. Это объясняется малой концентрацией свободных электронов и ионов. Поэтому, для того чтобы вызвать в воздухе или в газе мощный электрический ток, т. е. элект­рическую дугу, необходимо ионизиро­вать воздушный промежуток (или дру­гую газообразную среду) между электродами. Ионизацию можно произвести, если приложить к электр­дам достаточно высокое напряжение; тогда имеющиеся в газе (в малом количестве) свободные электроны и ионы будут разгоняться электричес­ким полем и, получив большие энер­гии, смогут разбить нейтральные ато­мы и молекулы на ионы.

При сварке из соображений тех­ники безопасности нельзя пользовать­ся высокими напряжениями. Поэтому используют явления термоэлектронной и автоэлектронной эмиссий. При этом имеющиеся в металле в большом коли­честве свободные электроны, обладая достаточной кинетической энергией, переходят в газовую среду межэлектродного пространства и способствуют ее ионизации.

При термоэлектронной эмиссии благодаря высокой температуре сво­бодные электроны «испаряются» с поверхности металла. Чем выше тем­пература, тем большее число свобод­ных электронов приобретает энергию, достаточную для преодоления потен­циального барьера в поверхностном слое и выхода из металла. При авто­электронной (холодной) эмиссии со­здается внешнее электрическое поле, которое изменяет потенциональный барьер у поверхности металла и облег­чает выход тех электронов, которые имеют достаточную энергию для преодоления этого барьера.

• Ионизация газовой среды характеризу­ется степенью ионизации, т. е. отноше­нием числа заряженных частиц в дан­ном объеме к первоначальному числу частиц (до начала ионизации).

Степень ионизации

 При полной ионизации степень ионизации равна единице. На рисунке выше представлен график зависимости сте­пени ионизации от температуры нагре­ва некоторых веществ. Из графика видно, что при температуре 6000…8000 К такие вещества, как ка­лий, натрий, кальций, обладают доста­точно высокой степенью ионизации. Пары этих элементов, находясь в дуго­вом промежутке, обеспечивают лег­кость возбуждения и устойчивое горе­ние дуги. Это свойство щелочных ме­таллов объясняется тем, что атомы этих металлов обладают малым потен­циалом ионизации.

• Потенциалом ионизации называется от­ношение работы выхода электрона из атома вещества к заряду этого элект­рона:

V = W / е,

где V—потенциал ионизации, В; W — работа выхода электрона, Дж; е — заряд электрона, Кл.

Сложные атомы, содержащие в своем составе много электронов, име­ют несколько потенциалов ионизации. Первый потенциал ионизации соответ­ствует выходу электрона, находяще­гося в наружной оболочке атома и слабее других связанного с ним. Вы­ход следующих электронов, располо­женных ближе к ядру и сильнее связанных с ним, требует большей работы. Поэтому вторые и последую­щие потенциалы ионизации, соответствующие выходам второго и последу­ющих электронов, будут больше. Пер­вые потенциалы VI ионизации некото­рых элементов:

 

Элементы VI

K	Na	Ba	Li	Al	Ca	Cr	Mn	C	H	O	N
4,32	5,12	5,19	5,37	5,96	6,08	6,74	7,40	11,22	13,53	13,56	14,50

 

Как видно, наименьшим потенциа­лом ионизации обладают калий, нат­рий, барий, литий, алюминий, кальций и др. Поэтому для повышения устой­чивости горения электрической дуги эти вещества вводят в зону дуги в виде электродных покрытий или флюсов.

Таким образом, электропровод­ность воздушного промежутка между электродами, а отсюда и устойчивое горение дуги обеспечивается эмиссией катода и объемной ионизацией газов в зоне дуги, благодаря которым в дуге перемещаются мощные потоки заря­женных частиц.

Электрическая дуга постоянного тока возбуждается при соприкоснове­нии торца электрода и кромок свариваемых деталей. Контакт в на­чальный момент возникает между мик­ровыступами поверхностей электрода и свариваемой детали (рис. 1,а). Высокая плотность тока способствует мгновенному расплавлению этих вы­ступов и образованию пленки жид­кого металла (рис. 1, б), которая замыкает электрическую цепь на

Рис.1

участке «электрод — свариваемая де­таль». При последующем отводе элект­рода от поверхности детали на 2…4 мм (рис. 1, в) пленка жидкого металла растягивается, а сечение ее уменьша­ется, вследствие чего возрастает плот­ность тока и повышается температура металла. Эти явления приводят к раз­рыву пленки и испарению вскипевшего металла. При этом интенсивные термо- и автоэлектронная эмиссии обеспечи­вают ионизацию паров металла и га­зов межэлектродного промежутка. В образовавшейся ионизированной среде возникает электрическая сварочная дyгa (рис. 1, г). Процесс возбуж­дения дуги кратковременен и осуще­ствляется сварщиком в течение долей секунды.

В установившейся сварочной дуге (Рис. 7, г) различают три зоны: катодную 1, анодную 3 и столба дуги 2. Катодная зона глубиной около 10-5 см, так называемое катодное пятно, расположена на торце катода (на рис. 1 электрод является катодом,а деталь—анодом). Отсюда вылетает поток свободных электронов, ионизирующих дуговой промежуток. Плот­ность тока на катодном пятне достигает 60…70 А/мм2. К катоду устремляются потоки положительных ионов, которые бомбардируют его и отдают свою энергию, нагревая его до температуры 2500…3000°С.

Анодная зона, называемая анодным пятном, расположена на торце анода. К анодному пятну устремляются и отдают свою энергию потоки электронов, накаляя его до температуры 2500…4000°С. Столб дуги, расположенный между катодной и анодной зонами, состоит из раскаленных и ионизированных частиц. Температура в этой зоне достигает 6000…7000° С в зависимости от плотности сварочного тока.

В начальный момент для возбуждения дуги необходимо несколько большее напряжение, чем при ее последующем горении. Это объясняется тем, что при возбуждении дуги воздушный за­зор недостаточно нагрет, степень иони­зации невысокая и необходимо напряжение, способное сообщить свободным электронам такую энергию, чтобы при их столкновении с атомами газового промежутка могла произойти иониза­ция. Увеличение концентрации свобод­ных электронов в объеме дуги приво­дит к интенсивной ионизации дугового промежутка, а отсюда к повышению его электропроводности. Вследствие этого напряжение падает до значения, необходимого для устойчивого горе­ния дуги.

• Зависимость напряжения дуги от тока и сварочной цепи называют статической вольт-амперной характеристикой дуги.

Рис.2

Вольт-амперная характеристика дуги (рис. 2, а) имеет три области: падающую 1, жесткую 2 и возрастающую 3. В области 1 (до 100 А) с уве­личением тока напряжение значитель­но уменьшается. Это происходит в связи с тем, что при повышении тока увеличивается поперечное сечение, а следовательно, и проводимость столба дуги. В области 2 (100…1000 А) при увеличении тока напряжение сохра­няется постоянным, так как сечение столба дуги и площади анодного и катодного пятен увеличиваются пропорционально току. Область характе­ризуется постоянством плотности тока. В области 3 напряжение возрастает вследствие того, что уве­личение плотности тока выше оп­ределенного значения не сопровождается увеличением катодного пятна ввиду ограниченности сечения элект­рода. Дуга области 1 горит неустой­чиво и поэтому имеет ограниченное применение. Дуга области 2 горит ус­тойчиво и обеспечивает нормальный процесс сварки.

Вольт-амперная характеристика дуги при ручной дуговой сварке низкоуглеродистой стали (рис. 2, б) представлена в виде кривых а (длина дуги 2 мм) и б (длина дуги 4 мм). Кривые в (длина дуги 2 мм) и г (длина дуги 4 мм) относятся к автоматической сварке под флюсом при высоких плотностях тока.

Напряжение, необходимое для воз­буждения дуги, зависит: от рода тока (постоянный или переменный), длины дугового промежутка, материала электрода и свариваемых кромок, по­крытия электродов и ряда других факторов. Значения напряжений, обе­спечивающих возникновение дуги в дуговых промежутках, равных 2…4 мм, находятся в пределах 40…70 В. На­пряжение (В) для установившейся сварочной дуги может быть определе­но по формуле

U д = a + b lд

где а — коэффициент, по своей физи­ческой сущности представляющий сумму падений напряжений в катодной и анодной зонах, В; b — коэффициент, выражающий среднее падение напря­жения на единицу длины дуги, В/мм; lд — длина дуги, мм.

• Длиной дуги называется расстояние между торцом электрода и поверх­ностью сварочной ванны. «Короткой» называют дугу длиной 2…4 мм. Длина «нормальной» дуги — 4…6 мм. Дугу длиной более 6 мм называют «длинной».

Оптимальный режим сварки обе­спечивается при короткой дуге. При длинной дуге процесс протекает неравномерно, дуга горит неустойчиво, ме­талл, проходя через дуговой промежу­ток, больше окисляется и азотирует­ся, увеличиваются угар и разбрызги­вание металла.

Электрическая сварочная дуга мо­жет отклоняться от своего нормально­го положения при действии магнитных полей, неравномерно и несим­метрично расположенных вокруг дуги и в свариваемой детали. Эти поля действуют на движущиеся заряжен­ные частицы и тем самым оказывают воздействие на всю дугу. Такое явле­ние называется магнитным дутьем. Воздействие магнитных полей на дугу прямо пропорционально квадрату си­лы тока и становится заметным при сварочных токах более 300 А.

Рис.3

На отклонение дуги влияют места подвода тока к свариваемой детали (рис. 3, а, б, в) и наклон электрода (рис. 3, г). Наличие вблизи свароч­ной дуги значительных ферромагнитных масс также нарушает симметричность магнитного поля дуги и вызывает отклонение дуги в сторону эти масс.

Магнитное дутье в некоторых случаях затрудняет процесс сварки, и поэтому принимаются меры по снижению его действия на дугу. К таким мерам относятся: сварка короткой дугой, подвод сварочного тока в точке, максимально близкой к дуге, наклон электрода в сторону действия магнитного дутья, размещение у места сварки ферромагнитных масс.

При использовании переменного тока анодное и катодное пятна меняются местами с частотой, равной частоте тока. С течением времени напряжение Uд и ток I периодически изменяются от нулевого значения до наибольшего, как показано на рис. 4 (Ux•x — напряжение зажигания дуги).

Рис.4

При переходе значения тока через нуль и перемене полярности в начале и в конце каждого полупериода дуга гаснет, температура активных пятен и дугового промежутка снижается. Вследствие этого происходит деионизация газов и уменьшение электропро­водности столба дуги. Интенсивнее падает температура активного пятна, расположенного на поверхности сва­рочной ванны в связи с отводом теплоты в массу основного металла. Повторное зажигание дуги в начале малого полупериода возможно только при повышенном напряжении, называемом пиком зажигания. При этом установлено, что пик зажигания несколько выше, когда катодное пятно находится на основном металле. Для снижения пика зажигания, облегчения повторного зажигания дуги и повышения устойчивости ее горения применяют меры, снижающие эффективный по­тенциал ионизации газов в дуге. При этом электропроводность дуги после ее угасания сохраняется дольше, пик за­жигания снижается, дуга легче возбуждается и горит устойчивее.

К этим мерам относится применение различных стабилизирующих элементов (калий, натрий, кальций и др.), вводимых в зону дуги в виде электродных покрытий или в виде флюсов.

Важное значение имеет сдвиг фаз между напряжением и током: необходимo, чтобы при переходе тока через нулевое значение напряжение было достаточным для возбуждения дуги.

Тепловые свойства сварочной дуги

Рис.5

Энергия мощных потоков заряженных частиц, бомбардирующих катод и анод, превращается в тепловую энергию электрической дуги. Суммарное количество теплоты Q (Дж), выделяемое дугой на катоде QK, аноде Qa и а столбе дуги Q0, определяется по фор­муле:

Q = I   Uдt ,

где I — сварочный ток, A; Uд — на­пряжение дуги, В; t — время горения дуги, с.

При питании дуги постоянным то­ком (рис. 11) наибольшее количество теплоты выделяется в зоне анода. Это объясняется тем, что анод под­вергается более мощной бомбардиров­ке заряженными частицами, чем ка­тод, а при столкновении частиц в стол­бе дуги выделяется меньшая доля общего количества теплоты.

При сварке угольным электродом температура в катодной зоне дости­гает 3200° С, в анодной — 3900°С, а в столбе дуги среднее значение температуры составляет 6000° С. При сварке металлическим электродом температура катодной зоны состав­ляет около 2400° С, а анодной зоны — 2600° С.

Разная температура катодной и анодной зон и разное количество теп­лоты, выделяющейся в этих зонах, используются при решении технологи­ческих задач. При сварке деталей, требующих большого подвода теплоты для прогрева кромок, применяют прямую полярность, при которой анод (плюсовая клемма источника тока) подсоединяют к детали, а катод (ми­нусовая клемма источника тока) — к электроду. При сварке тонкостен­ных изделий,тонколистовых конструк­ций, а также сталей, не допускающих перегрева (нержавеющие, жаропроч­ные, высокоуглеродистые и др.), при­меняют сварку постоянным током об­ратной полярности. В этом случае катод подсоединяют к свариваемой детали, а анод — к электроду. При этом не только обеспечивается меньший нагрев свариваемой детали, но и уско­ряется процесс расплавления электродного материала за счет более вы­сокой температуры анодной зоны и большего подвода теплоты. Поляр­ность клемм источника постоянного тока определяют с помощью раствора поваренной соли (половина чайной ложки соли на стакан воды). Если в такой раствор опустить провода от клемм источника тока, то у отрица­тельного провода будет происходить бурное выделение пузырьков во­дорода.

При питании дуги переменным то­ком различие температур катодной и анодной зон и распределение теплоты сглаживаются вследствие периодичес­кой смены катодного и анодного пятна с частотой, равной частоте тока.

Практика показывает, что в сред­нем при ручной сварке только 60…70% теплоты дуги используется на нагре­вание и плавление металла. Осталь­ная часть теплоты рассеивается в ок­ружающую среду через излучение и конвекцию.

Количество теплоты, используемое на нагрев и плавку свариваемого ме­талла в единицу времени, называется эффективной тепловой мощностью дуги Qэ(Дж). Она равна полной тепловой мощности дуги, умноженной на эффективный коэффициент полез­ного действия η нагрева металла дугой:

Qэ = I  Uдη.

Величина η зависит от способа сварки, материала электрода, состава электродного покрытия и других факторов. При ручной дуговой сварке электродом с тонким покрытием или угольным электродом η составляет 0,5…0,6, а при качественных электро­дах — 0,7…0,85. При аргонодуговой сварке потери теплоты значительны (η = 0,5…0,6). Наиболее полно ис­пользуется теплота при сварке под флюсом (η = 0,85…0,93).

Для характеристики теплового ре­жима процесса сварки принято оп­ределять погонную энергию дуги, т. е. количество теплоты, вводимое в ме­талл на единицу длины однопроход­ного шва, измеряемое в Дж/м. Погонная энергия Qп равна отношению эффективной тепловой мощности Qэ к скорости сварки v:

Qп = Qэ/v = I   Uдη/v.

Потери теплоты при ручной дуго­вой сварке составляют примерно 25%, из которых 20% уходят в окружающую среду через излучение и кон­векцию паров и газов, а 5% — на угар и разбрызгивание свариваемого металла. При автоматической сварке под флюсом потери составляют только 17%, из которых 16% расходуются на плавление флюса и 1 % на угар и разбрызгивание..

Плавление и перенос металла в дуге

Металл плавящегося электрода пе­реходит (в виде капель различного размера) в сварочную ванну. Схема­тично перенос металла электрода мож­но представить в следующем виде. В начальный момент металл на конце электрода подплавляется и образует­ся слой расплавленного металла (рис. 6, а). Затем под действием сил поверхностного натяжения и силы тя­жести этот слой металла принимает форму капли (рис. 6, б) с образованием у основания тонкой шейки, которая с течением времени уменьшается. Это приводит к значительному увеличению плотности тока в шейке капли. Удлинение шейки продолжается до момента касания капли поверхности сварочной ванны (рис. 6, в). В этот момент происходит короткое замыкание сварочной цепи. Резкое возрастание тока приводит к разрыву шейки и в следующее мгновение вновь возникает дуга (рис. 6, г), но уже между торцом электрода и каплей. Под давлением паров и газов зоны дуги капля с ускорением внедряется в жидкий металл сварочной ванны. При этом часть металла разбрызгивается. Затем процесс каплеобразования повторяется.

Рис. 6

Установлено, что время горения дуги короткого замыкания составля­ет примерно 0,02…0,05 с. Частота и  продолжительность короткого замыкания в значительной степени зависит от длины сварочной дуги. Чем меньше длина дуги, тем больше коротких замыканий и тем они продолжительнее.

Форма и размеры капель металла определяется силой тяжести и силами поверхностного натяжения. При сварке в нижнем положении сила тяжести способствует отрыву капли, а при потолочной сварке препятствует перено­су металла электрода в шов. На раз­меры капель большое влияние оказывают состав и толщина электродного покрытия, а также сварочный ток. Электродное покрытие, как правило, снижает поверхностное натяжение металла почти на 25…30%. Кроме того, газообразующие компоненты покрытия выделяют большое количество газов и создают в зоне дуги повышен­ное давление, которое способствует размельчению капель жидкого металла. При повышении сварочного тока размер капель уменьшается. Перенос электродного металла крупными каплями имеет место при сварке на малых токах электродами с тонким покрытием. При больших плотностях сварочного тока и при использовании электродов с толстым покрытием перенос металла осуществляется в виде потока маленьких капель (струйный перенос металла).

Рис. 7

На скорость переноса капель металла в дуге действует газовое дутье, представляющее собой поток газов, направленный вдоль дуги в сторону сварочной ванны. При сварке электродом с толстым покрытием стер­жень 1 электрода (рис. 7) плавится быстрее и торец его оказывается несколько прикрытым «чехольчиком» 3 покрытия 2. Интенсивное газообразо­вание в небольшом объеме «чехоль­чика» приводит к явлению газового дутья, ускоряющего переход капель металла в сварочную ванну.

Основным фактором, влияющим на скорость переноса металла в дуге, является электромагнитное поле. Магнитное поле оказывает сжи­мающее действие и ускоряет образо­вание и сужение шейки капли, а сле­довательно, и отрыв ее от торца элек­трода. Электрическое поле, напряжен­ность которого направлена вдоль дуги в сторону сварочной ванны, также ускоряет процесс отрыва капель. При потолочной сварке перенос капель электродного металла в сварной шов обеспечивается в основном действием магнитного и электрического полей, а также явлением газового дутья в дуге.

Капли металла, проходящие черёз дугу, имеют шлаковую оболочку, кото­рая образуется от плавления веществ, входящих в покрытие электрода. Эта оболочка защищает металл капли от окисления и азотирования, обеспе­чивая хорошее качество металла шва.

Доля электродного металла в сос­таве металла шва различна и зависит от способа и режима сварки, а также от вида сварного шва. При ручной сварке доля электродного металла ко­леблется в широких пределах (30…80%), а при автоматической сварке она составляет 30…40%.

Производительность сварки в зна­чительной степени зависит от скорости расплавления электродного металла, которая оценивается коэффициентом расплавления αρ.

• Коэффициент расплавления численно равен массе электродного металла в граммах, расплавленной в течение од­ного часа, отнесенной к одному амперу сварочного тока.

Коэффициент расплавления зави­сит от ряда факторов. При обратной полярности коэффициент расплавления больше, чем при прямой поляр­ности, так как температура анода вы­ше, чем катода. Состав покрытия электрода и его толщина также влия­ют на коэффициент расплавления. Это объясняется, вопервых, значением эффективного потенциала ионизации газов, а во-вторых, изменением тепло­вого баланса дугового промежутка. Коэффициент расплавления при руч­ной дуговой сварке составляет 6,5… 14,5 г/(А • ч). Меньшие значения имеют электроды с тонким покрытием, а большие — электроды с толстым покрытием.

• Для оценки скорости сварки пользуются коэффициентом наплавки αн. Этот коэффициент оценивает массу электродного металла, введенного в сварной шов.

Коэффициент наплавки меньше коэффициента расплавления на вели­чину потерь электродного металла из-за угара и разбрызгивания. Эти потери при ручной сварке достигают 25…30%, а при автоматической сварке под флю­сом составляют только 2…5% от коли­чества расплавленного электродного металла. Знание этих коэффициентов позволяет произвести расчет потреб­ного количества электродного металла для сварки шва установленного сече­ния и определить скорость сварки шва.

Количество металла (кг), необхо­димое для получения сварного шва, gн = LFρ, где L — длина свариваемо­го шва, м; F — площадь поперечного сечения шва, м2; ρ — плотность элек­тродного металла, кг / м3.

Выражая это же количество ме­талла (кг) через коэффициент наплав­ки, получим gн = 10-3 анIt, где ан — коэффициент наплавки, г/(А • ч); I — сварочный ток, A; t — время горения дуги, ч. Отсюда: время горения ду­ги (ч) t = 10-3 gн/(αнI); скорость сварки (м/ч) v = L/t.

Зная gн, можно определить необхо­димое количество электродного ме­талла:   gэ=gн(1+Ψ), где Ψ — коэффициент потерь металла на угар и разбрызгивание.

Кроме того, потребное количество электродного металла (кг) можно оп­ределить, зная коэффициент расплавления αρ:gэ=10-3αρIt.

Задавшись диаметром и длиной электрода, по gэ вычисляют потреб­ное количество электродов. Диаметр стержня электрода должен соответст­вовать значению сварочного тока, дли­на стандартизована.

soedenimetall.ru

Электрическая дуговая сварка - это... Что такое Электрическая дуговая сварка?

Электродуговая ручная сварка покрытым электродом

Электросварка — один из способов сварки, использующий для нагрева и расплавления металла электрическую дугу.

Температура электрической дуги (до 5000°С) превосходит температуры плавления всех существующих металлов.

История электросварки

(См. Электротехника)

1802 год — В. В. Петров открыл явление вольтовой 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».

1803 год — В. В. Петров опубликовал книгу «Известия о гальвани-вольтовых опытах…», 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.

1888 год — Н. Г. Славянов впервые в мире применил на практике дуговую сварку металлическим (плавящимся) электродом под слоем флюса. В присутствии государственной комиссии он сварил коленчатый вал паровой машины.

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.

1932 год — К. К. Хреновым впервые в мире в Советском Союзе осуществлена дуговая сварка под водой.[1]

1939 год — Е. О. Патоном разработаны технология автоматической сварки под флюсом, сварочные флюсы и головки для автоматической сварки, электросварные башни танков, электросварной мост.

Описание процесса

К электроду и свариваемому изделию для образования и поддержания электрической дуги от сварочного трансформатора подводится электроэнергия. Под действием теплоты электрической дуги (до 7000°С) кромки свариваемых деталей и электродный металл расплавляются, образуя сварочную ванну, которая некоторое время находится в расплавленном состоянии. В сварочной ванне металл электрода смешивается с расплавленным металлом изделия (основным металлом), а расплавленный шлак всплывает на поверхность, образуя защитную плёнку. При затвердевании металла образуется сварное соединение. Энергия, необходимая для образования и поддержания электрической дуги, получается от специальных источников питания постоянного или переменного тока.[2]

В процессе электросварки могут быть использованы плавящиеся и неплавящиеся электроды. В первом случае формирование сварного шва происходит при расплавлении самого электрода, во втором случае — при расплавлении присадочной проволоки (прутков и т. п.), которую вводят непосредственно в сварочную ванну.

Для защиты от окисления металла сварного шва применяются защитные газы (аргон, гелий, углекислый газ и их смеси), подающиеся из сварочной головки в процессе электросварки.

Различают электросварку переменным током и электросварку постоянным током. При сварке постоянным током шов получается с меньшим количеством брызг металла, поскольку нет перехода через нуль и смены полярности тока.

В аппаратах для электросварки постоянным током применяются выпрямители.

Классификация

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 определённой длины дуги, манипуляция электродом для придания шву нужной формы, перемещение электрода по линии наложения шва и прекращения процесса сварки.

При ручной дуговой сварке (ММА -Manual Metal Arc) указанные операции, необходимые для образования шва, выполняются человеком вручную без применения механизмов.

При полуавтоматической дуговой сварке (MIG/MAG -Metal Inert/Active Gas) 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:

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) (MIG-MAG)
• 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.

Наибольшее применение имеют средне — и толстопокрытые сварочные электроды, предназначенные для ручной дуговой сварки и наплавки, изготовляемые в специальных цехах или на заводах.

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.

Аргонодуговая сварка относится к виду сварки плавлением. Сварка плавлением разделяют на сварку плавящимся и не плавящимся электродом. Аргонодуговая сварка это сварка не плавящимся электродом. В качестве электрода применяют вольфрамовые стержни. Они имеют различный диаметр.

При аргонодуговой сварке вольфрамовые электроды выбирают от толщины металла. Вольфрам относят к тугоплавким металлам. Поэтому, назначение вольфрамовых электродов в зажигании и поддержании сварочной дуги.

Аргонодуговую сварку относят к видам газоэлектрической сварки. Газы защищают сварочную зону от воздействий ветра, осадков и других погодных явлений. Так же алюминий, титан, никель подвержены окислению. Применение газов защищает их от окислительных процессов. В аргонодуговой сварке применяют инертные газы: аргон, гелий и их смеси. Основным газом считают аргон. Поэтому, сварка получила название аргонодуговая сварка. Аргон производят трех сортов. Сорт аргона, для аргонодуговой сварки, зависит от содержания в нем чистого аргона. Для разного вида стали, применяют различный сорт аргона. Аргон поставляют в баллонах. Электрическая часть аргонодуговой сварки, предназначена для образования сварочной дуги и ее параметров. Основным элементом ее является источник питания (сварочный аппарат). На нем выставляют силу и напряжение сварочного тока. Основным рабочим органом аргонодуговой сварки есть газоэлектрическая сварочная горелка. В нее, вставляют вольфрамовый электрод и подают аргон из баллона. Аргон подается по резиновым шлангам. Электрод из вольфрама, закрепляют механическим способом. Так же, в сварочную горелку кабелями подают ток. Рабочий процесс аргонодуговой сварки состоит в том, что сварщик нагревает электрической дугой кромки свариваемых деталей. Затем, подносит сварочную проволоку и расплавляет ее и кромки до получения сварного шва. Сварочную проволоку, для аргонодуговой сварки, подбирают по составу свариваемой марки и вида стали. Ее поставляют на производство в мотках. Сварщик нарезает ее, для удобства, по размерам сварочного шва. На производстве сварочную проволоку называют присадкой. Она должна быть без ржавчины и обезжирена. Используют аргонодуговую сварку не только для цветных металлов, но для нержавеющих и углеродистых сталей. Аргонодуговую сварку применяют в промышленных цехах и на стройплощадке. На стройплощадках, в избегание попадания ветра в зону сварки, устанавливают сварочную палатку. Выполняют аргоновую сварку в специальных кожаных перчатках. В процессе аргонодуговой сварки, сварщик использует две руки. Это требует высокой квалификации сварщика. На производстве, сварщики аргонодуговой сварки имеют 5-6 разряды. Преимуществом аргонодуговой сварки считают геометрически однородный качественный шов. Шов получают без дефектов. Так же исключены шлаковые образования . Шов выдерживает большие нагрузки на изгиб, сжатие и растяжение. Аргонодуговая сварка выделяет меньше вредных газов в работе для сварщика. Сведен риск получения ожогов, работников при сварке. Аргонодуговая сварка это один из эффективных и высококачественных видов сварки на производстве!

Примечания

1. ↑ «Справочник молодого электросварщика по ручной сварке», Г. Г. Чернышов, В. Б. Мордынский, Москва, «Машиностроение», 1987; стр. 66
2. ↑ «Сварочное дело: Сварка и резка металлов: учебник для нач. проф. образования/Г. Г. Чернышов.- М.: Издательский центр "Академия", 2008г.- стр. 496

Источники

Ссылки

dic.academic.ru

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ СВАРКИ

2.1. ПРИРОДА СВАРОЧНОЙ ДУГИ

Электрическая дуга представляет собой один из видов электриче­ских разрядов в газах, при котором наблюдается прохождение электри­ческого тока через газовый промежуток под воздействием электрическо­го поля. Электрическую дугу, используемую для сварки металлов, назы­вают сварочной дугой. Дуга является частью электрической сварочной цепи, и на ней происходит падение напряжения. При сварке на постоян­ном токе электрод, подсоединенный к положительному полюсу источ­ника питания дуги, называют анодом, а к отрицательному — катодом. Если сварка ведется на переменном токе, каждый из электродов является попеременно то анодом, то катодом.

Промежуток между электродами называют областью дугового разряда или дуговым промежутком. Длину дугового промежутка на­зывают длиной дуги. В обычных условиях при низких температурах га­зы состоят из нейтральных атомов и молекул и не обладают электриче­ской проводимостью. Прохождение электрического тока через газ воз­можно только при наличии в нем заряженных частиц — электронов и ионов. Процесс образования заряженных частиц газа называют иониза­цией, а сам газ — ионизованным. Возникновение заряженных частиц в дуговом промежутке обусловливается эмиссией (испусканием) элек­тронов с поверхности отрицательного электрода (катода) и ионизацией находящихся в промежутке газов и паров. Дуга, горящая между элек­тродом и объектом сварки, является дугой прямого действия. Такую дугу принято называть свободной дугой в отличие от сжатой, попереч­ное сечение которой принудительно уменьшено за счет сопла горелки, потока газа, электромагнитного поля. Возбуждение дуги происходит следующим образом. При коротком замыкании электрода и детали в местах касания их поверхности разогреваются. При размыкании элек­тродов с нагретой поверхности катода происходит испускание электро­нов — электронная эмиссия. Выход электронов в первую очередь связы­вают с термическим эффектом (термоэлектронная эмиссия) и наличием у катода электрического поля высокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). Наличие электронной эмиссии с поверхности катода является непременным условием существования дугового разряда.

По длине дугового промежутка дуга разделяется на три области (рис. 2.1): катодную, анодную и находящийся между ними столб дуги.

© Рис. 2.1. Строение электрической дуги и распределение напряжения в ней: 1 — катодная область; 2 — столб дуги; 3 — анодная область

Катодная область включает в себя нагретую поверхность катода, называемую катодным пятном, и часть дугового промежутка, примы­кающую к ней. Протяженность катодной области мала, но она характе­ризуется повышенной напряженностью и протекающими в ней процес­сами получения электронов, являющимися необходимым условием для существования дугового разряда. Температура катодного пятна для стальных электродов достигает 2400-2700 °С. На нем выделяется до 38 % общей теплоты дуги. Основным физическим процессом в этой об­ласти является электронная эмиссия и разгон электронов. Падение на­пряжения в катодной области ик составляет порядка 12-17 В.

Анодная область состоит из анодного пятна на поверхности анода и части дугового промежутка, примыкающего к нему. Ток в анодной области определяется потоком электронов, идущих из столба дуги. Анодное пятно является местом входа и нейтрализации свободных электронов в материале анода. Оно имеет примерно такую же темпера­туру, как и катодное пятно, но в результате бомбардировки электронами на нем выделяется больше теплоты, чем на катоде. Анодная область также характеризуется повышенной напряженностью. Падение напря­жения в ней Ua составляет порядка 2-11 В. Протяженность этой области также мала.

Столб дуги занимает наибольшую протяженность дугового проме­жутка, расположенную между катодной и анодной областями. Основ­ным процессом образования заряженных частиц здесь является иониза­ция газа. Этот процесс происходит в результате соударения заряженных (в первую очередь электронов) и нейтральных частиц газа. При доста­точной энергии соударения из частиц газа происходит выбивание элек­тронов и образование положительных ионов. Такую ионизацию назы­вают ионизацией соударением. Соударение может произойти и без ио­низации, тогда энергия соударения выделяется в виде теплоты и идет на повышение температуры дугового столба. Образующиеся в столбе дуги заряженные частицы движутся к электродам: электроны — к аноду, ионы — к катоду. Часть положительных ионов достигает катодного пятна, другая же часть не достигает и, присоединяя к себе отрицательно заря­женные электроны, ионы становятся нейтральными атомами.

Такой процесс нейтрализации частиц называют рекомбинацией. В столбе дуги при всех условиях горения ее наблюдается устойчивое равновесие между процессами ионизации и рекомбинации. В целом столб дуги не имеет заряда. Он нейтрален, так как в каждом сечении его одновременно находятся равные количества противоположно заряжен­ных частиц. Температура столба дуги достигает 6000-8000 °С и более. Падение напряжения в нем (Uc) изменяется практически линейно по длине, увеличиваясь с увеличением длины столба. Падение напряжения зависит от состава газовой среды и уменьшается с введением в нее лег­ко ионизующихся компонентов. Такими компонентами являются ще­лочные и щелочно-земельные элементы (Са, Na, К и др.). Общее паде­ние напряжения в дуге Uд=Uк+Ua+Uc. Принимая падение напряжения в столбе дуги в виде линейной зависимости, его можно представить формулой Uc=Elc, где Е — напряженность по длине, lc — длина столба. Значения ик, Ua, E практически зависят лишь от материала электродов и состава среды дугового промежутка и при их неизменности остаются постоянными при разных условиях сварки. В связи с малой протяжен­ностью катодной и анодной областей можно считать практически 1с=1д. Тогда получается выражение

II}{ = а + Ы}{, (2.1)

показывающее, что напряжение дуги прямым образом зависит от ее длины, где а=ик+иа; b=E. Непременным условием получения качест­венного сварного соединения является устойчивое горение дуги (ее ста­бильность). Под этим понимают такой режим ее существования, при ко­тором дуга длительное время горит при заданных значениях силы тока и напряжения, не прерываясь и не переходя в другие виды разрядов. При устойчивом горении сварочной дуги основные ее параметры — сила тока и напряжение — находятся в определенной взаимозависимости. По­этому одной из основных характеристик дугового разряда является за­висимость ее напряжения от силы тока при постоянной длине дуги. Графическое изображение этой зависимости при работе в статическом режиме (в состоянии устойчивого горения дуги) называют статической вольтамперной характеристикой дуги (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Статическая вольтамперная характеристика дуги

С увеличением длины дуги ее напряжение возрастает и кривая ста­тической вольтамперной характеристики поднимается, выше с уменьше­нием длины дуги опускается ниже, качественно сохраняя при этом свою форму. Кривую статической характеристики можно разделить на три области: падающую, жесткую и возрастающую. В первой области уве­личение тока приводит к резкому падению напряжения дуги. Это обу­словлено тем, что с увеличением силы тока увеличивается площадь сечения столба дуги и его электропроводность. Горение дуги на режимах в этой области отличается малой устойчивостью. Во второй области увеличение силы тока не связано с изменением напряжения дуги. Это объясняется тем, что пло­щадь сечения столба дуги и активных пятен изменяется пропорциональ­но силе тока, в связи с чем плотность тока и падение напряжения в дуге сохраняются постоянными. Сварка дугой с жесткой статической харак­теристикой находит широкое применение в сварочной технологии, осо­бенно при ручной сварке. В третьей области с увеличением силы тока напряжение возрастает. Это связано с тем, что диаметр катодного пятна становится равным диаметру электрода и увеличиваться далее не может, при этом в дуге возрастает плотность тока и падает напряжение. Дуга с возрастающей статической характеристикой широко используется при автоматической и механизированной сварке под флюсом и в защитных газах с применением тонкой сварочной проволоки.

Щ. в

Рис. 2.3. Статистическая вольтамперная характеристика дуги при разных скоростях подачи электродной проволоки: а — малая скорость; б — средняя скорость, в — большая скорость

При механизированной сварке плавящимся электродом иногда применяют статическую вольтамперную характеристику дуги, снятую не при постоянной ее длине, а при постоянной скорости подачи элек­тродной проволоки (рис. 2.3).

Как видно из рисунка, каждой скорости подачи электродной про­волоки соответствует узкий диапазон токов с устойчивым горением ду­ги. Слишком малый сварочный ток может привести к короткому замы­канию электрода с изделием, а слишком большой — к резкому возраста­нию напряжения и ее обрыву.

hssco.ru

Сварочная дуга – природа, свойства, применение + Видео

Сварочная дуга: природа явления

Более легкому получению разряда способствует разогрев материалов, смыкание на короткое время и постепенное раздвигание электродов. Качественным методом получения разряда может считаться достижение в электрическом разрядном промежутке пробоя в результате короткого резкого повышения межэлектродного напряжения. Такой стабилизатор сварочной дуги возникает при условиях нормы атмосферного давления, благодаря искровому разряду.

Сварочная, или электрическая, дуга, образуется благодаря прохождению электротока через газовую среду в зоне сварки или резки. Разряд между электродами является наиболее развитой формой разряда в газах. Для него характерно невысокое напряжение и большая величина тока. Строение сварочной дуги таково, что в ее пространстве имеет место очень высокая ионизация газов.

При этом в роли катода выступает сварочный электрод, анода – обрабатываемый материал, между ними столбом проходит дуговой разряд, окруженный пламенем сварки.

Ионизируемый газ в столбе разряда имеет яркое свечение, вредное для глаз. В осевой части такого столба развивается температура сварочной дуги от шести до десяти тысяч градусов по Цельсию. Основным фактором ионизации является именно такая высокая температура, поддерживается она за счет притока энергии запитывающих цепей.

Сварочная дуга и ее свойства – почему следует быть осторожными?

Напряжение разряда – по сути, межэлектродное напряжение – напрямую зависит от межэлектродного расстояния, то есть от того, какие имеются показатели длины дуги, силы тока, размеров сварочных электродов, физических свойств и характера (состава) газа среды в зоне дуги.

Сварочная дуга и ее свойства управляются регулированием межэлектродного расстояния (от 0,01 до 10 мм), силой тока источника напряжения (от половины до трех тысяч ампер), давления газа (до одного кгс/см2), формой и размером электродов, защитой зоны горения инертными газами, сжиманием дуги и многими другими способами.

Тепловая мощность, которой обладает электрическая дуга, просто невероятна, она занимает диапазон от десяти до сотен тысяч ватт. И концентрация ее достигает от одной сотни до сотен тысяч ватт на кубический сантиметр. Мощности в таком широком диапазоне позволяют применять разряд для сварки и резки различных металлов при толщине от сотых долей миллиметров до десятков сантиметров за один или несколько проходов.

Формы и виды сварочных дуг чрезвычайно разнообразны. Разряд может возникать при любом давлении газов, напряжение может иметь значения от нескольких до нескольких тысяч вольт. Дуга возникает между электродами независимо от того, постоянное или переменное напряжение подается. И это понятно, поскольку время возникновения разряда чрезвычайно мало, в каждый положительный полупериод один из электродов работает как катод, а второй – анод. При смене полупериодов электроды «меняют» полярность.

Дуговой разряд может возникнуть при любом давлении газа, разности потенциалов электродов, постоянном или переменном межэлектродном напряжении. Особенностью, характерной для дуги, является очень высокая катодная плотность тока наряду с малым напряжением.

Вообще, зависимость, которую показывает напряжение сварочной дуги и ток в разряде, имеет удивительную особенность: с ростом тока падает напряжение. Говорят о падающей вольт-амперной характеристике, это значит, что с увеличением тока в разряде падает и сопротивление в дуговом промежутке, и напряжение, что объясняет необходимость применения балластных сопротивлений для стабилизации разряда.

Источники питания сварочной дуги – где мы увидим их применение?

И самое главное – практическое применение. Источники питания сварочной дуги, или аппараты для сварки, как уже понятно, могут работать на постоянном и переменном токе, поэтому и бывают соответствующего типа. При этом катодом (электродом с отрицательной полярностью) будет электрод, а вот рабочая поверхность выступит в роли анода.

При обратной полярности на электроде оказывается плюсовой потенциал. В технике сварки могут применяться плавящиеся и неплавящиеся (уголь, вольфрам) электроды. Защита сварочной зоны может осуществляться парами электродных флюсов, подаваемыми газами, порошковыми составами на проволоках.

И о способах: до сих пор широко применяется ручная сварка, полуавтоматическая механизированная сварка, полный автомат. По аббревиатуре это, соответственно: ММА (ручная), MIG/MAG (полуавтоматы), TIG (аргонно-дуговая). Но об этом можно написать еще пару-тройку статей, а о сварочной дуге, пожалуй, изложено все.

ogodom.ru

Сварочная дуга как элемент электрической

Стр 1 из 9Следующая ⇒

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

Санкт-Петербургский институт машиностроения

(ВТУЗ-ЛМЗ)

 

______________________________________________________

Кафедра «Оборудование технология сварочного производства»

 

 

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ИОБЛРУДОВАНИЕ

ДЛЯ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

 

Конспект лекций

 

Для студентов специальности 12.05.00

 

 

Санкт-Петербург

Источники питания и оборудование для сварки плавлением. Конспект лекций для студентов специальности 12.05.00 – «Оборудование и технология сварочного производства».- СПб.: ПИМаш, 2008. с.

Конспект составлен на основе курса лекций, читаемых студентам специальности 12.05.00 в ПИМаше. В конспекте освещены вопросы по оборудованию для дуговой, электрошлаковой и электроннолучевой сварки и его технологические возможности. Приведены сведения о технических параметрах оборудования, особенностях его конструкций и электрических схем. Рассмотрены вопросы источников переменного тока, постоянного тока, инверторных источников питания.

 

Составитель – к.т.н. Н.Г.Кобецкой

 

Научный редактор – к.т.н. К.А.Синяков

 

Рецензент

 

Редактор

 

Сварочная дуга как элемент электрической

Цепи.

При дуговой сварке для нагрева металла используется тепловая энергия дуги. Стабильность горения дуги зависит от многих факторов и, в первую очередь, от правильного выбора параметров сварочной цепи.

Свойства сварочной дуги зависят от рода тока (постоянный, переменный), среды и материала электродов.

Дуги с плавящимися и неплавящимися электродами.

По характеру среды различают:

а) открытая дуга

б) закрытая дуга, горящая под слоем флюса

в) дуга, защищенная различными газами.

Среда, в которой горит дуга, оказывает существенное влияние на ее свойства, а следовательно и на выбор типа и параметров источника питания.

 

Особенности сварочных дуг переменного тока.

 

При питании сварочной дуги переменным током полярность электродов, а также условия существования дугового разряда периодически изменяются. (Гаснет 100 раз/сек). Длительность перерывов в горении дуги при прочих равных условиях зависит от параметров сварочной цепи. Напряжение зажигания дуги после перехода тока через ноль носит название напряжения повторного зажигания. В зависимости от условий горения дуги напряжение повторного зажигания может быть в несколько раз выше, чем напряжение на дуге (рис. 1.3).

 

Рис.1.3. Напряжение на дуге при питании ее переменным током.

 

Экспериментальным путем выявлено два основных механизма повторного возбуждения дуги: возбуждение остаточной плазмой и током термоэлектронной эмиссии. В первом случае дуга возбуждается при напряжении, достаточном для возникновения в катодной области ионного тока минимальной величины, необходимой для формирования катодных процессов (4 –7а). Чем выше степень ионизации плазмы, тем ниже напряжение, при котором зажигается дуга. Во втором случае ток термоэлектронной эмиссии подогревает межэлектродный газ и создает плазму, необходимую для создания минимального преддугового тока.

При пониженной степени ионизации дугового промежутка и уменьшении температуры активных пятен повторное зажигание происходит при повышенном напряжении, называемом пиком зажигания Uз > Ud (рис.1.3). Из-за более интенсивного охлаждения активного пятна на свариваемом изделии величина пика зажигания больше в тех случаях, когда катодное пятно находится на изделии. Uз в 3—4 раза больше Ud .

Таким образом, повторному возбуждению дуги способствуют снижение эффективного потенциала ионизации (первый механизм), повышение температуры плавящегося электрода (второй механизм) и увеличение напряжения на дуговом промежутке.

Трехфазная сварочная дуга.

Сварка трехфазной дугой проводится двумя электродами, причем две фазы подключаются к электродам, а третья к сварочному изделию, причем все три дуги горят в общем плавильном пространстве.

Последовательность и длительность горения каждой из этих дуг зависит от последовательности чередования фаз и параметров сварочной цепи (рис.1.8).

Рис.1.8. Трехфазная дуга, а – схема сварки; б – схема горения дуги через –каждые 1/6 периода; в – кривые токов и напряжений дуг; г – кривые линейных токов.

 

В каждый момент времени может гореть не более двух дуг. Это объясняется тем, что на торцах электродов не могут одновременно существовать анодное и катодное пятна.

Важнейшей технологической особенностью трехфазной сварочной дуги является возможность регулирования распределения мощности и теплоты, расходуемой на плавление электродов и основного металла. Это

достигается за счет изменения соотношения между токами напряжениями отдельных дуг.

Режимы трехфазной дуги и ее технологические возможности характеризуются соотношениями между действующими значениями токов и напряжений:

Km1 = Ic/Ia Km2 = Ic/Ib Ku1 = Uab/Ubc Ku2 = Uab/Uca .

Изменяя эти коэффициенты, можно существенно регулировать глубину проплавления основного металла и скорости плавления электродов. В пределе можно вообще исключить плавление основного металла.

В трехфазной сварочной дуге в любой момент времени горит, по крайней мере, одна дуга, вследствие чего ее устойчивость выше, чем однофазной дуги. Здесь значительно облегчены условия повторных возбуждений, т.к. непрерывно сохраняется достаточно высокая температура активных пятен и дуговой промежуток всегда ионизирован.

 

Сжатая дуга.

В последние годы получают развитие методы повышения температуры дугового разряда за счет принудительного сжатия столба дуги, которое производится в плазменных горелках или плазмотронах. С помощью этих устройств можно получить температуры, достигающие 300000С. Наиболее распространенный способ сжатия состоит в том, что диаметр столба дуги

ограничивают специальным соплом (рис.1.9).

Защитный газ, подаваемый внутрь горелки, вытекая через сопло, сжимает столб дуги, изолируя его от стенок, и выносит нагретые до высоких температур газы (плазму) за пределы горелки. Этот газ называется плазмообразующим. Чтобы сопло не плавилось, его выполняют из материала с высокой теплопроводностью (чаще всего из меди) и охлаждают проточной водой. В горелках типа анод – сопло (рис.1.9,б) дуга горит внутри замкнутой камеры, и образующаяся плазма выдувается из сопла (плазменная сварка косвенной дугой).

При горении дуги в узком водоохлаждаемом сопле наружные слои газа, соприкасающиеся со стенками сопла, имеют более низкую температуру, чем центральные слои. В результате проводимость наружных слоев гораздо ниже,

чем центральных, что приводит к увеличению плотности тока в центральной части плазменной струи. В свою очередь, это приводит к повышению температуры.

Степень ионизации газа в центральной части сопла при сильном сжатии дуги приближается к единице. Поэтому столб дуги как элемент электрической цепи по своим свойствам приближается к линейному сопротивлению, вольтамперная характеристика его имеет возрастающий характер.

В качестве плазмообразующего газа используются как инертные газы (аргон, гелий, азот) так и кислородсодержащие смеси (сжатый воздух).

 

 

Рис.1.9. Схемы плазмотронов, а – с изолированным соплом; б – сопло-анод; 1

- электрод; 2 – токоподводящий мундштук; 3 – сопло; 4 – плазменная струя; 5 – изделие.

 

В реальных условиях сварки или резки длина разрядного промежутка может изменяться в широких пределах. Поэтому применяются источники с крутопадающими характеристиками. В связи с высоким значением напряженности электрического поля в сжатой дуге требуются специальные источники питания с повышенным напряжением (до 500 В). Для первоначального возбуждения дуги в плазмотронах используются высоковольтные разряды высокой частоты (от осцилляторов), либо вспомогательные маломощные дуги, горящие между электродом и соплом горелки (дежурная дуга).

 

1.6 Устойчивость сварочной дуги и требования

Сварочные трансформаторы

Трансформатором называется электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной—первичной—системы переменного тока в другую—вторичную, имеющую другие характеристики, в частности другое напряжение.

Трансформатор состоит из замкнутого сердечника (рис.2.1), выполненного из специальной листовой электротехнической стали, и двух или нескольких

электрически не связанных между собой обмоток. Если одна из обмоток (первичная) включена в сеть с переменным напряжением u1 , то переменный ток i1 этой обмотки создает в стальном сердечнике переменный магнитный поток j0, сцепляющийся с обеими обмотками трансформатора. По закону электромагнитной индукции этот поток наводит ЭДС в обеих обмотках. К зажимам вторичной обмотки можно подключить приемник электроэнергии (нагрузку). Тогда в замкнутой цепи, состоящей из обмотки 2 и нагрузки, под влиянием ЭДС будет переменный ток i2 и на зажимах обмотки—переменное напряжение u2 . Магнитный поток при нагрузке создается токами i1 и i2 и по-прежнему обеспечивает магнитную связь между обмотками трансформатора, благодаря которой осуществляется передача электроэнергии от первичной обмотки ко вторичной.

Рис.2.1. Схема трансформатора.

 

Величины, характеризующие условия работы, на которые рассчитан трансформатор, называются номинальными. Основные из них указываются на паспортном щитке.

Номинальной мощностью трансформатора называется полная мощность трансформатора на зажимах вторичной обмотки.

Номинальным напряжением обмотки трансформатора, не имеющей ответвлений, называется напряжение между зажимами обмотки при холостом ходе трансформатора.

Номинальный ток обмотки трансформатора соответствует номинальной мощности и номинальному напряжению.

Коэффициентом трансформации называется отношение числа витков первичной обмотки w1 к числу витков вторичной обмотки w2

K = w1/w2 .

При этом U1 = k* U2 , a I1 = I2/ k .

 

Изучение работы трансформатора под нагрузкой основывается на изучении двух предельных режимов его работы: холостого хода и короткого замыкания.

Под холостым ходом трансформатора понимают такой режим его работы, при котором к зажимам первичной обмотки подводится номинальное напряжение, а вторичная обмотка разорвана, т. е. вторичный ток равен нулю (дать схему). При этом измеряются ток первичной обмотки I0 и потребляемая мощность (активная) Р0 .

Под коротким замыканием трансформатора понимают такой режим работы, при котором его вторичная обмотка замкнута накоротко и вторичное напряжение равно нулю. При этом первичное напряжение уменьшают с таким расчетом, чтобы токи в первичной и вторичной обмотках были равны номинальным. Измеряют напряжение короткого замыкания Uкз, токи в первичной и вторичной обмотках I1, I2 , а также потребляемую мощность Pкз.

Изучение режимов холостого хода и короткого замыкания трансформатора важно в двух отношениях. Во-первых, можно рассматривать любой нагрузочный режим трансформатора как промежуточный между двумя предельными режимами его работы и получить этот нагрузочный режим путем наложения одного предельного режима на другой. Во-вторых, холостой ход и короткое замыкание трансформатора позволяют определить ряд величин, имеющих весьма важное значение для эксплуатации трансформатора. Эти режимы позволяют определить расчетным или опытным путем следующие характерные для трансформаторов величины: потери холостого хода, ток холостого хода, намагничивающий ток, полное сопротивление трансформатора.

При холостом ходе под действием напряжения U1 по первичной обмотке потечет ток I0 , называемым током холостого хода. Этот ток создает намагничивающую силу I0w1 , где w1 – количество витков первичной обмотки. Последняя вызывает появление магнитного потока, большая часть которого замыкается по стали сердечника и, будучи сцеплена с обеими обмотками тр-ра, образует основной магнитный поток φ0 . Значительно меньшая часть потока замыкается вне сердечника и сцепляется только с первичной обмоткой. Эта часть потока образует первичный поток φσ1 рассеяния. Уравнение напряжений и ЭДС при холостом ходе трансформатора

U1 = E1 + Eσ1 + I0R1 ,

где U1 – первичное напряжение, приложенное к трансформатору, В; E1 – э.д.с первичной обмотки, В; Eσ1 – э.д.с рассеяния первичной обмотки, В; I0 – ток холостого хода, А; R1 – активное сопротивление первичной обмотки, Ом.

При включении нагрузки ток во вторичной обмотке i2 также создаст магнитный поток, часть которого сцепляется только со вторичной обмоткой. Эта часть потока вторичный поток рассеяния φσ2. Первичная обмотка с первичным потоком рассеяния и вторичная обмотка с вторичным потоком рассеяния представляют собой катушки с индуктивностями рассеяния Lσ1 и Lσ2, которым соответствуют индуктивные сопротивления рассеяния

xσ1 = 2πfLσ1; xσ2 = 2πfLσ2.

Для облегчения рассмотрения работы трансформатора пользуются способом, при котором обе обмотки трансформатора приводятся к одному и тому же числу витков. Обычно вторичную обмотку приводят к первичной. Для этого пересчитывают вторичную обмотку, имеющую W 2 витков, на эквивалентную ей приведенную обмотку, имеющую такое же количество витков как и первичная обмотка, с условием, чтобы эта операция приведения вторичной обмотки к первичной не отразилась на режиме работы первичной цепи, т.е. магнитный поток и мощность трансформатора сохранились без изменений. Все величины, относящиеся к приведенной вторичной обмотке, называются приведенными и обозначаются теми же символами, что и действительные величины, но со штрихом сверху:

E’2 , I’2 , r’2 , x ‘2 и т.д.

Тогда приведенные ЭДС, ток и сопротивления вторичной обмотки

Е’2 = Е2w1/w2 = E2k; I’2 = I2/k; r’2 = r2k2; x’2 = x2k2 .

Наличие магнитной связи между обмотками затрудняет исследование работы трансформатора, поэтому для определения изменения вторичных величин при нагрузке используется электрическая схема замещения трансформатора (рис. 2.2).

 

Рис. 2.2. Схема замещения трансформатора.

 

Серийные трансформаторы

 

Сварочные трансформаторы изготавливаются для трех видов сварки: ручной дуговой сварки штучными электродами, для автоматической сварки под флюсом, для аргонодуговой сварки неплавящимся электродом алюминия и его сплавов.

Подавляющее большинство – трансформаторы для ручной дуговой сварки, они используются практически во всех отраслях народного хозяйства.

Трансформаторы для сварки под флюсом входят, как правило, в состав стационарных сварочных установок.

Трансформаторы для аргонодуговой сварки – это либо серийные трансформаторы для ручной дуговой сварки, входящие в состав поста, либо трансформаторы, входящие в состав серийных сварочных установок.

 

Рис. 2.3. Конструкции сварочных трансформаторов.

 

Трансформаторы серии ТДМ

 

Эти трансформаторы (табл. 2) связанны на основе новых материалов и некоторых конструктивных решений для замены трансформаторов серии ТД. По принципу регулирования, схеме соединения катушек, конструктивному исполнению они близки к передвижным трансформаторам серии ТД.

У ТДМ улучшена конструкция переключателя диапазонов и использованы разъемы для подключения сети и сварочных проводов. Расширена номенклатура.

Имеются модификации с ограничителем напряжения холостого хода УСНТ-06-01, с конденсатором для повышения коэффициента мощности -02, с УСНТ и конденсатором -03, с ВСД-01-04.

Таблица 2.

	ТДМ-165	ТДМ-254	ТДМ-317	ТДМ-401	ТДМ-503-1	-2	-3
Iном, А
Uном, В
Диапазон токов, А	55-170	85-250	60-370	80-460	90-560
Диапазон рабочих напряжений, В	22-27	23-30	23-34	23-38	24-42
Номинальный режим работы (ПН), %
КПД, %
Коэффициент мощности	0,54	0,56	0,56	0,6	0,65	0,85	0,85
Uхх, В
Климатическое исполнение и категория размещения	У2
Габариты, мм
Масса, кг

 

Трансформатор типа ТДЭ-402

 

Трансформатор с электрической регулировкой тока для питания дуги прерывистым током с импульсной стабилизацией тока имеет два диапазона тока, в пределах каждого диапазона регулирование происходит с пульта дистанционного управления.

Фазорегулятор обеспечивает также и функцию ограничения напряжения холостого хода.

 

Трансформаторы серии ТДФ

В основу конструкции положен трансформатор с магнитным шунтом, подмагничиваемый постоянным током (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Схема трансформатора с магнитным шунтом.

 

На каждом стержне магнитопровода расположены витки первичной W1 и вторичной W20+W2д обмоток. Магнитный шунт с обмоткой управления Wу расположен в окне главного магнитопровода между обмотками W20 и W1 на пути основного потока рассеяния. Трансформатор имеет две ступени регулирования. В диапазоне больших токов отключается часть витков основной вторичной обмотки W20 и подключается дополнительная часть. С увеличением тока в обмотке управления индуктивное сопротивление трансформатора снижается и сварочный ток возрастает. Плавное регулирование осуществляется подмагничиванием шунта. Большему току управления соответствует больший сварочный ток.

У трансформаторов ТДФ предусмотрена возможность местного и дистанционного (с пульта) включения сварочного тока и его регулирование. Внешние характеристики – падающие. Эти характеристики дают хорошее формирование шва при работе с автоматами с зависимой от напряжения на дуге скоростью подачи проволоки.

 

Трансформаторы серии ТДФЖ

 

Трансформаторы соответствуют ГОСТ 7012-77. Они имеют тиристорное регулирование и обеспечивают импульсную стабилизацию процесса сварки.

Первичная и вторичная обмотка состоят из двух катушек, разделенных на две последовательно соединенные секции. Между секциями вторичной обмотки расположена обмотка импульсной стабилизации, в окне трансформатора расположены две катушки реактивной обмотки, позволяющей производить ступенчатое регулирование тока.

В трансформаторе ТДФЖ-1002 две ступени, ТДФЖ-2002 – три ступени регулирования тока, третья ступень обеспечивает возможность работы при больших (до 40 В) падениях напряжения в сварочных проводах.

В трансформаторах реализована возможность стабилизации тока при колебаниях напряжения питающей сети.

Жесткость внешних характеристик обеспечивает поддержание постоянного напряжения дуги. Значение сварочного тока определяется скоростью подачи электродной проволоки. Параллельность внешних характеристик позволяет ориентировочно устанавливать рабочее напряжение по холостому ходу.

 

Общие сведения

Большой прогресс, достигнутый в области полупроводниковой техники (диодов и тиристоров) на значительные напряжения и токи, привел к разработке и широкому распространению однопостовых и многопостовых выпрямителей для всех видов дуговой сварки. Сварочные выпрямители обладают значительными преимуществами перед электромашинными преобразователями: высокими сварочными качествами за счет повышения стабильности горения дуги и уменьшения разбрызгивания металла; высоким КПД и меньшими потерями холостого хода; широкими пределами регулирования тока и напряжения; возможностью автоматизации и программирования сварочного процесса; отсутствием вращающихся частей и потребности в фундаментах.

Однопостовые выпрямители могут быть разделены на следующие группы:

с падающими внешними характеристиками для ручной дуговой сварки и механизированной сварки под флюсом;

с жесткими внешними характеристиками для механизированной сварки плавящимся электродом в защитных газах и под флюсом;

с универсальными внешними характеристиками, крутопадающими и жесткими, для всех видов сварки.

Выпускаемые выпрямители имеют различные системы регулирования тока и напряжения. Наибольшее распространение получили механическое регулирование, регулирование дросселями насыщения, тиристорное, ступенчатое за счет изменения коэффициента трансформации силового трансформатора и балластными реостатами.

 

Схемы выпрямления

Подавляющее большинство выпрямителей для дуговой сварки выпускаются с питанием от трехфазной сети и, соответственно, с применением трехфазных и шестифазных схем выпрямления.

Основными параметрами и соотношениями, характеризующими схему выпрямления, являются:

действующие значения фазного (линейного) вторичного напряжения трансформатора U2ф (U2л) в зависимости от напряжения холостого хода выпрямителя Uхх;

амплитудное значение обратного напряжения на вентиле Uобр m;

действующее значение фазного (линейного) тока вторичных обмоток трансформатора I2 в зависимости от номинального выпрямленного тока Id с учетом работы вентилей и угла коммутации;

среднее значение выпрямленного тока через вентиль Iв.ср;

действующее IВ и максимальное Iвm значение тока через вентиль;

действующее значение тока первичной обмотки I1;

расчетные мощности первичных Р1 и вторичных Р2 обмоток трансформатора, определяемые напряжением холостого хода выпрямителя и током нагрузки.

Трехфазная мостовая схема выпрямления. Это наиболее распространенная схема в выпрямителях с жесткими и падающими внешними характеристиками. Схема обеспечивает простую конструкцию трансформатора, состоящего из трех первичных и трех вторичных обмоток, и наиболее эффективное его использование. Обмотки трансформатора могут включаться треугольником или звездой.

На рис.3.1 приведена трехфазная мостовая схема выпрямления. Как видно из рисунка в точке 1 включается вентиль VD1, как имеющий наибольший положительный потенциал вентилей катодной группы по отношению к нулевой точке сетевого напряжения трансформатора (катодной группой называются вентили с общим катодом, а анодной группой – с общим анодом). С этим диодом в паре работает вентиль VD5 фазы В, имеющий наибольший отрицательный потенциал из всех вентилей анодной группы.

Рис 3.1. Трехфазная мостовая схема выпрямления.

В точке 2 происходит коммутация тока в вентилях анодной группы – включается VD6 фазы С. В точке 3 происходит коммутация в вентилях катодной группы – включается вентиль VD2 фазы В и т.д. Коммутация с одного вентиля на другой происходит в моменты пересечения синусоид фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, при отсутствии индуктивного сопротивления в цепях вентилей они работают попарно с углом проводимости 2π/3. В действительности из-за наличия некоторой индуктивности в контуре коммутации угол проводимости больше, чем 2π/3, на угол коммутации γ.

Пульсация выпрямленного напряжения – шестифазная с частотой 300 Гц. Длительность анодных токов каждого вентиля 1200. Среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе Uxx выпрямителя определяется по формуле

где U2ф – фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора; U2л линейное напряжение той же обмотки.

Обратное напряжение на вентиле определяется амплитудой линейного напряжения вторичной обмотки:

Uобр m = 2,45U2ф = 1,41U2л = 1,045Uхх.

 

Действующее значение вторичного тока одной фазы трансформатора:

,

где Id – выпрямленный ток выпрямителя.

При работе управляемого тиристорного выпрямителя (если вместо диодов установлены тиристоры для плавного регулирования выходного напряжения выпрямителя) угол управления (регулирования) α отсчитывается от точки естественной коммутации (точка перехода тока с вентилей одной фазы на вентиль другой фазы для неуправляемого выпрямителя).

Тиристорные выпрямители выполняются с применением трансформаторов, имеющих незначительное сопротивление рассеяния. В этом случае при работе на активную нагрузку выпрямленный ток является непрерывным при α ≤ 600 и прерывистым при α > 600:

Uxxα = Uxxcosα при α ≤ 600;

Uxxα = Uxx[1 + cos(π/3 + α)] при α > 60,

где Uxxα – напряжение холостого хода при заданном угле регулирования.

Тиристорные выпрямители имеют специальный дроссель для сглаживания формы выпрямленного тока, в этом случае выпрямленное напряжение определяется по формуле:

Ud = 2,34U2ф cosα = 1,35U2лcosα.

Двойная трехфазная схема с уравнительным реактором. Наибольшее распространение эта схема нашла в тиристорных сварочных выпрямителях на токи до 500А. По такой схеме выполнены выпрямители с универсальными характеристиками ВДУ – 504, ВДУ – 505, ВДУ – 506 и др. По сравнению с другими шестифазными схемами выпрямления эта схема обеспечивает наиболее эффективное использование вентилей (наименьшие потери, наибольшая нагрузочная способность, минимальные Iв max). Трансформатор в таком выпрямителе имеет шесть вторичных обмоток (рис. 3.2), образующих две трехфазные группы, каждая из которых соединена в звезду; ЭДС соответствующих сдвинуты на 1800. Обе группы соединены между собой уравнительным реактором, обеспечивающим их параллельную работу за счет выравнивания напряжения между ними. Уравнительный реактор представляет собой дроссель с замкнутым ферромагнитным магнитопроводом, имеющим две одинаковые обмотки.

Действие реактора видно из рис. 3.2. Сплошными линиями показаны фазные напряжения одной звезды, а штриховыми – другой. Разницу мгновенных значений фазных напряжений в процессе их чередования характеризуют ординаты заштрихованных площадок. Эта разница напряжений наводится в секциях уравнительного реактора Lур, если хотя бы одной из них проходит намагничивающий ток. В секциях реактора наводятся напряжения Uу1 = Uу2 = 1/2Uу, имеющие разные знаки по отношению к общему выводу; в связи с этим анодные напряжения одной звезды уменьшаются на Uу1, а другой – возрастают на Uу2. Фазные напряжения выравниваются, что и приводит к параллельной работе трехфазных групп.

Рис. 3.2. Двойная трехфазная схема выпрямления с уравнительным реактором.

 

Кривая выпрямленного напряжения Ud приведена на рис. 3.2. Длительность анодных токов (без учета коммутационных участков) равна 1200, а амплитуда токов в вентилях – половине амплитудного значения выпрямленного тока. Выпрямитель имеет две коммутирующие группы вентилей: VD1, VD2, VD3 и VD4, VD5, VD6. Коммутация осуществляется только между вентилями одной трехфазной группы. Пульсация выпрямленного напряжения имеет частоту 300 Гц.

Среднее значение выпрямленного напряжения:

Uxx = 1,35U2фcosα.

Следует отметить, что угол управления α, в рассматриваемой схеме, отсчитывается от точки естественной коммутации для трехфазных, а не в шестифазных системах, что находится в соответствии с работой схемы в двойном трехфазном режиме.

Обратное напряжение на вентиле

Uобр m = 2,09Uxx.

Действующее значение вторичного тока

I2 = 0,29Id.

Кольцевая схема выпрямления. Это одна из наиболее распространенных схем выпрямления в однопостовых и многопостовых сварочных выпрямителях на большие токи. Не имея уравнительного реактора (рис.3.3), схема обеспечивает аналогично двойной трехфазной схеме с уравнительным реактором хорошее использование сварочного трансформатора при несколько худшем использовании вентилей по току. Как видно из рис. 3.3, трансформатор выпрямителя имеет шесть вторичных обмоток, а блок вентилей замкнут в кольцо.

Рис. 3.3. Кольцевая схема выпрямления.

 

Продолжительность работы вентилей без учета коммутации составляет 600. в то же время каждая из вторичных обмоток, как видно из диаграммы фазных токов iф (рис. 3.3), работает на протяжении 1200. первичная обмотка трансформатора может быть соединена треугольником или звездой.

Амплитудное значение обратного напряжения на вентиле

Uобр m = 4,9U2ф.

 

Выходного напряжения

Эти выпрямители относятся к категории наиболее простых источников питания, получивших значительное распространение. Они состоят (рис. 3.7) из трехфазного понижающего трансформатора с секционированной первичной обмоткой, переключателей ступеней, выпрямительного блока, дросселя в сварочной цепи.

Рис. 3.7. Схема выпрямителя со ступенчатым регулированием выходного напряжения.

 

Выпрямительный блок собирается по трехфазной мостовой схеме выпрямления. Регулирование выходного напряжения производится путем изменения коэффициента трансформации с помощью переключателей. Охлаждение воздушное принудительное. Это выпрямители типа ВС-300А и ВС-600М. ВС-300А имеет три грубых и восемь плавных ступеней регулирования. ВС-600М – три грубых и девять плавных. Индуктивность дросселя 150 и 450 мкГн.

Недостатки: плохое использование магнитных материалов и отсутствие дистанционной регулировки.

 

 

Рис. 3.8. Типовая функциональная схема универсального тиристорного выпрямителя. Т – трансформатор; СТВ – силовой тиристорный выпрямитель; ДТ – датчик тока; БП – блок подпитки; L – дроссель в цепи выпрямленного тока; СФУ – система импульсно-фазового управления тиристорами выпрямителя.

Силовой трансформатор Т изготавливается с нормальным рассеянием. Тиристорный выпрямитель СТВ выполняется по различным многофазным схемам выпрямления. Наиболее целесообразные схемы, обеспечивающие минимальную пульсацию сварочного тока: трехфазная мостовая, двойная трехфазная с уравнительным реактором и шестифазная кольцевая схема выпрямления. Из трехфазных мостовых схем более предпочтительна симметричная, полностью управляемая схема, обеспечивающая по сравнению с полууправляемой схемой (три диода и три тиристора) меньшую пульсацию сварочного тока.

Система импульсно-фазового управления СФУ предназначена для формирования синхронизированных с сетью импульсов на управляющие электроды тиристоров. Угол управления этих импульсов зависит от сигнала задания и сигнала обратной связи. Для получения падающих характеристик используется обратная связь по току сварки, а для жестких характеристик – обратная связь по напряжению.

 

Транзисторный инвертор

Схема транзисторного инвертора показана на рис.4.2:

Рис. 4.2. Схема транзисторного инвертора.

 

На базу транзисторов VT1, VT2 попеременно с заданной частотой подается сигнал, который их отпирает (работают в ключевом режиме), поэтому в первичной обмотке трансформатора течет переменный ток, который трансформируется во вторичную цепь.

Регулирование режима сварки осуществляется изменением режима работы транзисторов. Как правило, это реализуется либо за счет изменения длительности управляющих импульсов, подаваемых на базы транзисторов, либо изменением их частоты.

В связи с тем, что на высокой частоте индуктивное сопротивление трансформатора велико:

где частота;

число витков вторичной обмотки;

коэффициент магнитной связи;

магнитное сопротивление магнитопровода.

Внешняя характеристика источника – падающая.

Внешние характеристики, поэтому формируются за счет отрицательной обратной связи:

1. По току – для падающих характеристик;

2. По напряжению – для жестких характеристик.

В инверторном выпрямителе энергия претерпевает, по крайней мере, 4 ступени преобразования. Несмотря на то, что его схема значительно сложнее, чем у обычных выпрямителей, он экономичен и имеет малую материалоемкость. Сердечник трансформатора имеет сечение в 10÷15 раз меньше, чем при Гц. Это дает возможность достичь удельной массы – 0,1 .

Выпрямитель может весить в 5÷8 раз меньше обычного на те же показатели. Выпрямитель ВДУИ-302 имеет размеры осциллографа С1-19. Кроме того, очень удобно, оказывается, вводить сигналы обратной связи и сигналы, задающие программируемое изменение режима.

Из-за отсутствия транзисторов на большие мощности, в настоящее время, приходится соединять их параллельно, что снижает надежность схемы и ухудшает массогабаритные показатели. Поэтому строят тиристорные схемы.

 

Тиристорные инверторы

Основная сложность тиристорных инверторов заключается в том, что тиристор невозможно выключить, снизив до нуля ток управления. Необходимо для этого снизить до нуля анодное напряжение. Это возможно, если последовательно с тиристором включить конденсатор, который, зарядившись, прекратит пропускать ток.

Общая схема тиристорного источника показана на рис. 4.3:

Рис. 4.3. Схема тиристорного инвертора.

 

Сетевое напряжение выпрямляется выпрямителем В1 и сглаживается фильтром L1-C1.

Тиристорный инвертор работает так:

При подаче управляющего сигнала на тиристор V7 он отпирается и в цепи V7-TP-L2-C3 появляется ток. После того, как конденсатор С3 зарядится, ток упадает до нуля и тиристор закроется, поэтому конденсатор называется коммутирующим. Затем управляющий сигнал поступает на тиристор V8 – он отпирается и ток течет по цепи С2-L2-TР-V8, т.е. в обратном направлении через трансформатор ТР.

Читайте также:

lektsia.com

Сварочный аппарат. Типы и особенности. Сварка. Дуга. Применение

Издавна люди имеют дело с металлическими изделиями: предметы быта, украшения, оружие, техника и т.д. Люди научились делать кованые изделия, плавить и штамповать чугун. А когда появилась сталь, то из металлических изделий стали строить трубопроводы, корабли, дома, автомобили и другие конструкции. В настоящее время из всего объема расходуемого металла сталь составляет 90%. В черной металлургии научились выплавлять конструкционные материалы высокого качества.

Уже в то время необходимо было создать надежный способ соединения крупных металлических элементов, болты и заклепки уже не могли справиться с большими нагрузками. В 1882 году русский инженер Бенардос создал дуговую сварку металлических деталей с помощью угольного электрода. А через четыре года он оформил патент на технологию сварки металлов. Так появился первый сварочный аппарат.

Инженер Славянов в 1888 году показал публично дуговую сварку плавящимся электродом под флюсом, которая получила название электрической отливки металла. Славянов доказал, что дуговая сварка дает возможность сваривать черные и цветные металлы. В последующие годы металлы стали сваривать уже трехфазным переменным током, и использовать эту технологию в масштабах промышленного производства.

Особенности процесса сварки

Дуговая технология сваривания распространена очень широко, так как с помощью этой технологии образуется прочное неразъемное соединение металлических деталей. Высокая прочность соединения объясняется непрерывностью полученных молекулярных структур и сцеплений металла.

Главный фактор процесса сварки — высокая температура. В теории такие соединения между атомами металла достигаются повышенным механическим давлением. Однако такой способ не подходит для стали, а годится только для металлов с низкой твердостью, например, свинца.

Как возникает электрическая дуга

Сварочный аппарат способен создать высокую температуру для плавления металла с помощью электрической дуги. Она образуется при коротком замыкании двух электродов, которые находятся на близком расстоянии. Напряжение на электродах постепенно повышают до тех пор, пока не возникает воздушный пробой. При этом возникает эмиссия электронов катода, которые повышают температуру от воздействия электрического тока, и перемещаются к ионизированным атомам анода.

Далее события развиваются с большой скоростью: возникает электрическая дуга и цепь замыкается. В результате воздушный зазор ионизируется и формируется плазма, которая является особым свойством газа. Воздушный зазор уменьшает свое сопротивление, в результате чего ток повышается, и температура дуги увеличивается, дуга начинает проводить ток и замыкает цепь. Это явление называют розжигом. Путем регулировки необходимого зазора между электродами дуга стабилизируется.

Процесс сварки

Если электрический разряд создается между электродами, независимыми от свариваемых деталей, то она действует при сварке косвенным путем. Обычно дуга разжигается непосредственно между электродом и деталью, являющейся частью цепи. От сварочного аппарата электрический ток подключают к заготовке, температура электрической дуги повышается и оплавляет детали. При этом создается «сварочная ванна», в которой металл какое-то время находится в жидком виде. В эту же ванну попадает расплавленный металл электрода.

В процессе сварки горящее покрытие электрода создает вокруг дуги газовую оболочку и жидкую шлаковую ванну. При постепенном удалении из рабочей зоны электрической дуги, создается сварочный шов, на поверхности которого образуется корка из шлака в виде своеобразного панциря.

Существуют методы сварки с неплавящимся электродом, изготовленным из вольфрама или графита. Например, во время аргоновой сварки шов наполняется расплавленной сварочной проволокой. Выбор качественных электродов для сварки является важным фактором, обуславливающим надежность и прочность будущего шва. Здесь имеется ввиду не диаметр электрода, а состав его материала. Проволока и электроды разных марок могут лучше сочетаться с различной глубиной плавки, длиной дуги. Обмазка электродов способна в значительной степени влиять на ход сварки, а также менять химический состав и параметры шва.

В процессе сварки место сваривания должно защищаться от воздуха для предотвращения окисления металла. Поэтому вокруг рабочей зоны необходимо формировать защитную среду.

Для решения этой задачи существуют два варианта:

1. Технология MIG – MAG, при которой в зону сварки подается инертный газ.
2. Сгорание оболочки электрода. При этом вокруг зоны сварки создается газовый купол, защищающий ее от воздуха. Оболочка электрода во время сгорания выводит кислород из зоны шва. В покрытии электрода имеются вещества, ионизирующие электрическую дугу, очищающие и легирующие шовный металл, чем улучшают его физические параметры.

Сварка металла является своеобразным процессом, так как необходимый режим температуры зависит непосредственно от параметров электроэнергии. Чтобы получить качественный шов, необходимо создать условия для устойчивой электрической дуги. Постоянная равномерная дуга способна избежать дефектов шва. Чем больше размер свариваемых деталей, тем электроды для сваривания требуются толще, а также необходима большая сила тока.

Особенностью сварки является то, что при постоянном токе электрическая дуга более стабильная, так как нет изменения полярности тока. При этом шов формируется более качественным. Хотя алюминий и его сплавы лучше сваривает сварочный аппарат переменного тока. Навык работы сварщика при сварке играет большую роль, так как сварщик должен выбирать длину дуги, поддерживать ее горение и правильно двигать электрод по шву, аккуратно расплавляя металл деталей. От профессиональных качеств сварщика зависит прочность, качество и внешний вид шва.

Виды и особенности устройства

Любой сварочный аппарат электродуговой сварки должен принять электрический ток из сети и уменьшить его напряжение, повысив силу тока до необходимой величины (от 100 до 200 ампер). При этом может изменяться частота тока, либо из переменного образуется постоянный ток. Исключением являются только аппараты, в которых электрическая дуга создается от энергии батарей аккумуляторов, либо генераторов с двигателем внутреннего сгорания.

Другими словами, каждый сварочник является своеобразным преобразователем энергии. Существует несколько различных устройств для сварки металлов электрической дугой. Каждый из них имеет свои особенности устройства, достоинства и недостатки, которые следует учитывать при выборе аппарата в торговой сети.

Трансформаторный сварочный аппарат

Это наиболее распространенный вид сварочных аппаратов. Такие устройства недорого стоят, надежны в эксплуатации и имеют простое устройство. Электрическая энергия в этом устройстве преобразуется с помощью трансформатора, действующего на бытовой частоте тока 50 герц. Величина тока настраивается механическим устройством изменения магнитного потока в магнитопроводе.

Получая от электрической сети энергию, первичная обмотка намагничивает сердечник. В это время на вторичной обмотке образуется переменный ток низкого напряжения около 70 вольт, с большой силой тока, которая может достигать 200 ампер. Этот ток создает электрическую дугу для выполнения сварки деталей. Величина напряжения и тока на вторичной обмотке зависит от числа ее витков. Чем меньше витков, тем больше сила тока, и меньше напряжение.

Преимущества

• Неприхотливость и надежность в работе.
• Отсутствие электронных элементов.
• Удобное выполнение ремонта и обслуживания из-за простого устройства.
• Невысокая стоимость, по сравнению с инверторными моделями.

Недостатки

• Большие габаритные размеры и вес.
• Небольшой КПД, расходует много электроэнергии, что не позволяет подключать его к бытовой сети.
• При отсутствии опыта в сварочных работах трудно удерживать электрическую дугу.
• Качество шва невысокое, так как сварочный аппарат работает от переменного тока.

Из-за невысокой стоимости такие модели используются в промышленности, в бытовых условиях, где мощность сети достаточна.

Выпрямители для сварки

Такие устройства по своей конструкции схожи со сварочными трансформаторами. В них электрический ток не изменяет частоту, и формируется на обмотках трансформатора низкого напряжения. После понижения напряжения, электрический ток проходит по блоку селеновых или кремниевых выпрямителей, которыми являются полупроводниковые диоды, пропускающие электрический ток в одну сторону. В результате на сварочный электрод поступает постоянный ток. Поэтому при сварке деталей электрическая дуга стабильная, не прерывается и обеспечивает качественный шов.

Устройство выпрямителей сложнее, в отличие от трансформаторного сварочника, так как чаще всего необходимо создавать вентиляторное охлаждение полупроводниковых элементов. Обычно такие устройства оснащаются вспомогательными дросселями, что дает возможность создания необходимых параметров выходного тока – он фильтруется и сглаживается.

В комплект сварочных выпрямителей могут входить измерительные защитные и пускорегулирующие устройства. В работе выпрямителя для сварки важна токовая и температурная стабильность. Для этого в него встраивают плавкие предохранители, реле, термостаты и т.д. Наиболее популярными стали трехфазные выпрямители, как наиболее функциональные устройства.

Преимущества

• Качественный шов.
• Наименьшее разбрызгивание материала присадок.
• Легко удерживается дуга.
• Возможность сварки чугуна, цветных металлов и термостойкой стали.
• Значительная глубина плавления.
• Небольшие габаритные размеры и масса, в отличие от трансформаторных сварочников.

Недостатки

• Сложное устройство.
• Нельзя подключать к бытовой сети.
• Высокая стоимость, сравнимая с инверторами.
• Малый КПД.
• Необходимость постоянного контроля за работоспособностью системы охлаждения.

Популярными моделями сварочных выпрямителей стали зарубежные образцы. Например, итальянский сварочный аппарат BlueWeld SPACE 280 отличается своей универсальностью. Он может работать на постоянном и переменном токе в большом интервале 10-220 ампер. Это устройство имеет длительный срок службы, может сваривать детали из чугуна и нержавеющей стали, хорошо подходит для применения в частном хозяйстве.

Профессионалы обычно выбирают выпрямительный сварочник BLUE WELD KING TIG 280 / 1, который имеет высокую мощность и способен сваривать даже алюминий, титан и т.д. Он наиболее удобен и универсален в работе, имеет встроенный цифровой экран на передней панели.

Похожие темы:

 

electrosam.ru

---

• 
  Инновации в технологиях
• 
  Шу озк
• 
  Куда звонить если течет труба отопления
• 
  Кто создал электричество и когда
• 
  Принцип работы вольтметра и амперметра
• 
  Днат 400 как подключить
• 
  Самодельные зарядные устройства для автомобильного аккумулятора
• 
  Какие аккумуляторы лучше для солнечных батарей
• 
  Бензогенератор инверторный или обычный недостатки
• 
  Характеристики трансформатора
• 
  Когда включат горячую воду на макаренко