Источники питания сварочной дуги

УДК 621.791.75
ББК 34.641
 
Л85

Рец енз ент ы : методическая комиссия преподавателей и мастеров производственного обучения металлообрабатывающих профессий  УО «Бобруйский 
государственный машиностроительный профессионально-технический колледж» (директор колледжа В.Н. Аушев); доктор технических наук, профессор 
Л.С. Денисов

Выпуск издания осуществлен при финансовой поддержке Министерства 
образования Республики Беларусь.

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части не может быть осуществлено без разрешения изда те льства.

      Лупачёв, В. Г.
Л85 
Источники питания сварочной дуги : пособие / В. Г.  Лу пачёв, С. В. Болотов. – Минск : Вышэйшая школа, 2013. – 
207 с.: ил.
ISBN 978-985-06-2366-9.

Представлены сведения о современных источниках питания сварочной дуги для ручной дуговой сварки, механизированной и автоматической сварки и наплавки в защитных газах и под флюсом, электрошлаковой и плазменной сварки. Описаны устройства сварочных трансформаторов, выпрямителей, генераторов, преобразователей, а также 
инверторных и специализированных источников питания. Показаны 
особенности выбора, эксплуатации и технического обслуживания источников питания различного типа. Изложены требования безопасности при эксплуатации источников питания.
Для учащихся учреждений профессионально-технического образования, будет полезно учащимся учреждений среднего специального 
образования, студентам учреждений высшего образования, а также 
специалистам сварочного производства.

УДК 621.791.75
ББК 34.641

ISBN 978-985-06-2366-9 
© Лупачёв В.Г., Болотов С.В., 2013
 
© Оформление. УП «Издательство “Вы шэйшая
  школа”», 2013

ОТ АВТОРОВ

Сварка широко используется при изготовлении и ремонте 
различных металлических конструкций в машиностроении, 
строительстве, энергетике, при сооружении трубопроводов различного назначения и др. 
Постоянно совершенствуются сварочное оборудование и сварочные технологии. Ежегодно возрастают объемы применения 
сварочных работ. Это обусловливает необходимость использования современных источников питания сварочной дуги. В последние годы разработаны и широко применяют в промышленности при изготовлении сварных конструкций новые высокоэффективные энергосберегающие источники питания сварочной 
дуги.
Высокий технический уровень сварочного производства 
предполагает и высокий уровень общеобразовательной и специальной подготовки сварщиков.
В пособии содержатся сведения, которые позволят сварщикам изучить устройство и принципы действия сложных современных источников питания и эффективно их использовать для 
различных сварочных работ.
В главе 1 описана сварочная дуга, даны сведения об источниках ее питания, классификация и обозначение источников питания, приведены требования к источникам питания и рассмотрены основные параметры источников питания. В  главах 2–5 изложены устройство, принципы действия и назначение различных источников питания. Даны необходимые сведения о 
принципах действия различных устройств, входящих в конструкции источников питания, что облегчит понимание их устройства 
и принципов работы. Представлены технические характеристики различных источников питания, а также их внешний вид. Глава 6 содержит сведения по выбору и особенностям эксплуатации 
источников питания сварочной дуги, а также требования безопасности при их эксплуатации. В главе 7 приведены краткие сведения из электротехники и электроники, позволяющие лучше 
понимать изложенные темы. 
В конце каждой главы даны тестовые задания для самопроверки изученного материала.
Цель данного пособия – помочь сварщикам в изучении различных сложных по конструкции и устройству современных источников питания сварочной дуги.
Введение, главы 1, 2, 6 написаны В.Г. Лупачёвым, главы 4, 5, 7 – 
С.В. Болотовым, глава 3 написана авторами совместно.

Пособие предназначено для обучения сварщиков в учреждениях профессионально-технического образования, может 
быть использовано при подготовке и повышении квалификации 
сварщиков на производстве, при самостоятельном изучении и 
освоении современного сварочного оборудования, а также при 
подготовке к аттестации и сертификации сварщиков.

ВВЕДЕНИЕ

С момента своего появления человек наблюдал мощные атмосферные электрические разряды, их световое и тепловое действие. Однако прошло очень много лет, прежде чем наука позволила использовать электрическую энергию для разогрева и плавления металлов.
Главной проблемой было отсутствие мощного источника электрической энергии. В 1779 г. итальянский ученый Алессандро Вольта изобрел первый химический источник тока, который был 
представлен в виде сосуда с соленой водой и опущенными в него 
цинковой и медной пластинками. Собранная батарея из этих элементов была названа вольтовым столбом.
В 1802 г. русский ученый Василий Владимирович Петров с помощью созданного им крупнейшего для того времени вольтова 
столба смог зажечь электрическую дугу между двумя кусочками 
древесного угля. Заменив один из угольков металлической проволокой, Петров заметил, что вспыхивающая электрическая дуга 
быстро ее расплавляет. Так ученый пришел к выводу о возможности использования электрической дуги для плавления металлов.
Химические источники не позволяли вырабатывать электроэнергию в достаточном количестве, и практическое использование электрической дуги было отложено.
В 1821 г. знаменитым английским ученым Майклом Фарадеем 
был открыт принцип электромагнитной индукции. Это позволило ему создать электромашинный генератор, преобразовывающий механическое движение в электрический ток. Изобретение 
мощных электромашинных генераторов послужило толчком для 
использования электричества в промышленности. При этом требовалась технология, позволяющая осуществлять быстрое и дешевое сваривание металлов.
Многие ученые пытались применить высокую температуру 
электрической дуги для сваривания металлов, но только в 1891 г. 
русскому изобретателю Николаю Николаевичу Бенардосу удалось 
разработать промышленно пригодный способ электродуговой 
сварки металлов. Он использовал присадочный пруток, расплавляемый в пламени дуги, горящей между угольным электродом и 
изделием. Для питания сварочной дуги Бенардос использовал 
аккумуляторы собственной конструкции, заряжаемые от слаботочного электрического генератора.
В 1888 г. русский инженер-изобретатель Николай Гаврилович 
Славянов разработал новый способ сварки с помощью металлического плавящегося электрода. Замена угольного электрода металлическим позволила значительно повысить качество соеди

нения. Славянов изготовил генератор постоянного тока, обеспечивающий «напрямую» питание процесса сварки.
После того как начали разрабатывать специальные источники, учитывающие особенности дуговой сварки, еще в отдельных 
случаях несколько десятилетий использовали источники тока 
обоих изобретателей.
Однако известные к началу XX в. генераторы общего назначения имели серьезные недостатки: 
 • низкий КПД;
 • недостаточную устойчивость дуги;
 • сложность управления. 
Перед электротехниками возникла задача создания специальных сварочных генераторов, обладающих лучшими эксплуатационными характеристиками. Первый специальный сварочный генератор разработал австрийский профессор Э. Розенберг в 1905 г. 
Это был один из самых первых шагов в развитии регулируемых 
источников питания. В 1907 г. на заводе Lincoln Electric (США) 
был выпущен генератор с изменяемым напряжением.
Почти одновременно с разработкой специальных генераторов для сварки были созданы моторы для их вращения. Появились производственные электрические, бензиновые и керосиновые 
двигатели. Некоторые из них были самоходными, часть снабжали компрессорами для пневматического оборудования. Такие 
установки применяли для дуговой сварки в полевых условиях 
еще с 1910 г. Во время Первой мировой войны в войсках Германии, Великобритании и США использовали грузовики, оборудованные сварочными генераторами.
Электротехники в разных странах мира пытались осваивать 
переменный ток для дуговой сварки. Его применение сулило большие преимущества, и в первую очередь – упрощение источников 
энергии. Недостатками являлись низкое качество сварного соединения и трудность поддержания горения дуги. Разработанные 
штучные электроды с обмазкой, в состав которой входили вещества с низким потенциалом ионизации (калий, натрий, кальций), позволяли облегчить возбуждение и поддержание дугового 
разряда.
Для сварки на переменном токе использовалось специальное 
электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения сети в переменное напряжение 
необходимое для сварки – трансформатор. 
Первые трансформаторы для дуговой сварки на переменном 
токе были выпущены в 1923 г. фирмой «Веко», сначала небольшой мощности, а спустя два года – на силу тока до 1000 А при 
напряжении 90 В. Трансформаторы оказались проще в управлении и дешевле в изготовлении, чем генераторы.

В России серийное производство источников питания для дуговой сварки (генераторов и трансформаторов) началось в 1924 г. 
на заводе «Электрик» (Петроград) под руководством Василия 
Петро вича Никитина. 
Дальнейшее развитие электросварочного машиностроения 
связано, главным образом, с созданием новых способов и разновидностей сварки. В 1930-х гг. в США был разработан способ аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом, для которого источник питания был дополнительно укомплектован горелкой и 
газовой аппаратурой. К концу 1930-х гг. в Институте электросварки (Киев) под руководством Евгения Оскаровича Патона 
были разработаны установки для автоматической сварки под 
флюсом, хорошо зарекомендовавшие себя в Великую Отечественную войну (1941–1945) при изготовлении военной техники.
Другое направление качественного совершенствования источников связано с появлением новой элементной базы. Успехи 
в развитии полупроводниковой техники позволили перейти в 
начале 1950-х гг. к выпуску сварочных выпрямителей взамен генераторов, что улучшило энергетические показатели источников. 
В 1950-х гг. московскими учеными Константином Васильевичем 
Любавским и Николаем Михайловичем Новожиловым был изобретен 
способ механизированной сварки в углекислом газе и предложены 
первые полуавтоматы. 
К концу 1950-х гг. в Институте электросварки коллективом 
ученых под руководством Георгия Зосимовича Волошкевича была 
разработана технология электрошлаковой сварки и создано оборудование для ее реализации – аппараты и мощные трансформаторы с витковым регулированием. 
С появлением силовых управляемых вентилей – тиристоров – 
в 1960-х гг. стали выпускаться универсальные выпрямители, а позднее трансформаторы с электрическим фазовым управлением. Это 
позволило плавно регулировать сварочный ток, получать требуемые внешние характеристики источника. 
С начала 1980-х гг. в сварочных источниках стали использоваться силовые транзисторы, существенно улучшающие такие 
сварочные свойства, как характер переноса электродного металла, настройка и стабильность параметров режима. На базе управляемых вентилей (тиристоров и транзисторов) созданы выпрямители с промежуточным высокочастотным звеном – инвертором, что позволило существенно уменьшить их массу и габариты 
и улучшить динамические свойства источника.
В 1977 г. на рынке сварочного оборудования появился источник питания Hiiark-250 финской фирмы Kemppi, собранный на 
базе скоростных тиристоров, обеспечивших преобразование постоянного тока в переменный с частотой 2–3 кГц. Это стало началом развития инверторных источников питания в сварочной 

технике. Если у обычных сварочных выпрямителей отношение 
сварочного тока к единице массы около 1–1,5 А/кг, то у инверторов на скоростных тиристорах этот показатель равен 4–5 А/кг.
С появлением модульных биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT – Insulated-gate bipolar transitor) сварочные 
трансформаторы стали работать на частоте до 20 кГц. При этом отношение сварочного тока к единице массы источника питания повысилось вдвое. На базе IGBT-транзисторов стали выпускать маленькие бытовые источники питания для различных способов дуговой 
сварки.
Последующая стадия развития сварочных инверторов связана 
с появлением в 1990-х гг. полевых МОП (металл–оксид–
полупроводник)-тран зисторов серии MOSFET (metal–oxide–semiconductor–field–effect–transistor). Частота за счет силовых полевых 
транзисторов повысилась до нескольких десятков килогерц. На 
их базе шведская фирма ESAB стала выпускать установки для ручной дуговой сварки Power lnvert-315 с частотой 24 кГц и малогабаритные источники Caddi-130, 140 и 200. Дальнейшее развитие инверторной техники пошло по пути совершенствования MOSFETтранзисто ров. Выпущенный той же фирмой источник Caddi-250 
массой 11 кг работал на частоте 49 кГц. В 2001 г. в Эссене фирма 
KEMPPI продемонстрировала малогабаритные переносные сварочные инверторы Minarc-110 и 140 массой 4,2 кг и рабочей частотой 80 кГц. 
Революционный прогресс в разработке источников питания 
принесли системы с полностью цифровым управлением. Применение такого оборудования позволяет легко механизировать и 
автоматизировать не только процесс сварки, но и весь технологический процесс производства сварных конструкций. Появляется возможность выполнять контроль над точным соблюдением 
режимов и технологии сварки. Такой подход обусловил появление на рынке принципиально новых сварочных аппаратов с синергетическим управлением. Сварщику требуется на панели источника выбрать программу сварки по виду свариваемого материала, диаметру проволоки, составу защитного газа, а синергетика выставляет заранее подобранный оптимальный режим сварки 
и контролирует его соблюдение. Такая интеллектуальная система 
не требует высокой квалификации сварщика. Один из первых 
полностью цифровых источников – TSP 5000 австрийской фирмы FRONIUS – инверторный преобразователь на основе MOSFETтранзисторов с рабочей частотой 100 кГц. При диапазоне сварочного тока 3–500 А источник имеет массу 35,6 кг, что в 10 раз 
меньше традиционного выпрямителя. Инверторы с синергетическим управлением выпускает ряд фирм: ESAB (Швеция), 
KEMPPI (Финляндия), FRONIUS (Австрия), LINCOLN ELECTRIC (США), MERKLE (Германия) и др. 

Мировое производство оборудования для дуговой сварки к 
2012 г. превысило 5 млрд дол., из них около 80% приходится на 
инверторные источники. Их доля как наиболее перспективных с 
каждым годом увеличивается.
В странах СНГ ручная дуговая сварка занимает до 70% от общего объема. В тоже время ее уровень должен составлять не более 20%, механизированной – 40–60%. Остальную часть должна 
занимать автоматическая сварка.
В прогнозах развития сварочного производства в странах 
СНГ не отмечается существенного количественного роста производства сварочных источников – в этом нет необходимости. 
Основным направлением их развития является качественное совершенствование. Будет меняться структура выпуска источников, при этом существенно снизится доля трансформаторов, возрастет доля выпрямителей, особенно инверторных и транзисторных, значительно увеличится номенклатура и объем выпуска 
специализированных источников. Непрерывно ведется работа 
по улучшению сварочных свойств источников. Необходимо решить вопросы улучшения возбуждения дуги и уменьшения разбрызгивания металла, управления переносом электродного металла и формирования шва. 

Г Л А В А 1. СВАРОЧНАЯ ДУГА И ИСТОЧНИКИ 
ЕЕ ПИТАНИЯ

1.1. Общие сведения об источниках питания

Нагрев металла при дуговой сварке происходит за счет тепловой энергии электрической дуги или шлаковой ванны. Для получения сварного соединения с надлежащими прочностными и 
иными характеристиками необходимо правильно выбрать энергетические параметры источника нагрева – дуги или шлаковой 
ванны – и добиться стабильности протекания процесса. Стабильность как дугового, так и электрошлакового процесса зависит от большого числа факторов и в том числе – от параметров 
электрической сварочной цепи.
В общем случае сварочная цепь содержит три элемента: 
 • преобразователь энергии;
 • регулятор режима сварки;
 • потребитель энергии (нагрузка Rн), в котором происходит 
дозируемое регулятором преобразование электрической энергии в 
тепловую (рис. 1.1).
Источником энергии (ИЭ) может служить:
 • электрическая сеть переменного напряжения (380/220 В, с 
частотой 50 Гц) – источник электрической энергии;
 • двигатель (внутреннего сгорания или электродвигатель) – источник механической энергии. 
Конструктивно 
преобразователь 
энергии и регулятор режима сварки 
могут быть выполнены весьма разнообразно. В простейшем случае источник энергии – это электрическая сеть 
переменного тока, преобразователь – 
понижающий трансформатор Т, регулятор режима – дроссель с регулируемой индуктивностью L (см. рис. 1.1). 
Потребитель энергии (нагрузка)  – 
это электрическая сварочная дуга 
или шлаковая ванна. Устройство, к которому подключаются зажимы потребителя (нагрузки), принято называть источником питания (ИП).
В данном примере род энергии (электрическая) в процессе 
преобразования трансформатором не изменяется. Для безопасности работы использование непосредственно энергии электрической сети для сварки не представляется возможным. По
Рис. 1.1. Простейшая схема 
источника питания со сварочным трансформатором