Источники питания для сварки


В. В. Овчинников










                ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ СВАРКИ





Учебник















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 621.791
ББК 34.641
0-35

Рецензент:
Шаров В. М., кандидат технических наук, генеральный директор ООО «НПО „Источник”»







     Овчинников, В. В.
0-35      Источники питания для сварки : учебник / В. В. Овчинников.       Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 244 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0446-4

     Изложены принципы действия типовых источников питания для дуговой и электрошлаковой сварки. Приведены примеры современных и перспективных источников и установок российского и иностранного производства. Рассмотрены правила эксплуатации источников. Сформулированы требования к сварочным свойствам источников.
     Для студентов вузов машиностроительных специальностей.

УДК 621.791
ББК 34.641







ISBN 978-5-9729-0446-4

  © В. В. Овчинников, 2020
  © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

ПРЕДИСЛОВИЕ

     Дуговая сварка занимает ведущее место в сварочном производстве. Повышения качества и производительности при изготовлении сварных конструкций можно достичь как путем совершенствования и разработки новых технологических процессов дуговой сварки, так и в результате роста уровня механизации и автоматизации сварочных работ. Важнейшая роль в этом принадлежит разработке и освоению в производстве оборудования, отвечающего современным требованиям.
     В нашей стране разработано и выпускается электросварочное оборудование для всех основных способов дуговой сварки: покрытыми электродами, под флюсом, плавящимся электродом в защитных и инертных газах, неплавя-щимся электродом.
     Прогресс, достигнутый в области производства силовой полупроводниковой техники, микроэлектроники, новых электротехнических материалов, позволил разработать широкую номенклатуру современного электросварочного оборудования, отличающегося расширенными технологическими возможностями, повышенной надежностью и меньшими массой и габаритами. Освоено серийное производство новых трансформаторов, выпрямителей, агрегатов, специального оборудования для дуговой сварки. Это оборудование успешно эксплуатируется в различных отраслях промышленности.
     Имеющиеся данные по различным видам источников питания для дуговой сварки разбросаны в различных литературных источниках, что затрудняет их использование при изучении и выборе оборудования.
     Методика изложения предусматривает изучение студентами дисциплины «Электротехника и электроника» по современным учебникам. Главы учебника точно соответствуют типовой программе дисциплины.
     Учебник «Источники питания для сварки» по содержанию и методике изложения соответствует учебной дисциплине того же названия. В учебнике отражены также итоги научных и технических разработок, выполненных на передовых отечественных предприятиях и иностранных фирмах. Примеры типового сварочного оборудования выбраны из номенклатуры российских заводов-изготовителей, а в случае отсутствия качественных отечественных аналогов приняты лучшие источники ведущих иностранных фирм.


3

Овчинников В. В.

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ СВАРКИ

      Автор настоящего учебника считал своей основной задачей отбор и систематизацию наиболее важных сведений об источниках питания для дуговой сварки и достаточно популярное их изложение, рассчитанное широкий круг читателей - студентов высших учебных заведений, инженеров-технологов, проектировщиков и других специалистов электросварочного производства.

4

        Глава 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА И ЕЕ СВОЙСТВА

    1.1. Природа сварочной дуги

     Любое вещество характеризуется типом взаимосвязи молекул и атомов. Известны три основных состояния веществ - твердое, жидкое и газообразное, они отличаются расстояниями между атомами или молекулами. В твердом и жидком состояниях эти расстояния малы, этим объясняют малую сжимаемость твердых и жидких веществ и их общее название - «конденсированное состояние». В газах расстояние между молекулами значительно больше, поэтому они могут сравнительно легко сжиматься под воздействием внешнего давления. Электропроводность газов также существенно отличается от электропроводности веществ, находящихся в конденсированном состоянии. В твердых и жидких веществах электроны внешних оболочек легко теряют связь с ядром и свободно перемешаются по веществу. Свободные электроны, называемые электронами проводимости, являются носителями тока в конденсированных проводниках. Газы, в которых электроны связаны со своими ядрами, в обычных условиях ток не проводят, но в электрической дуге ионизируются и приобретают электропроводность.
     Электрическая дуга представляет собой один из видов электрических разрядов в газах, при котором наблюдается прохождение электрического тока через газовый промежуток под воздействием электрического поля. Прохождение электрического тока через газ возможно только при наличии в нем заряженных частиц - электронов и ионов. Возникновение заряженных частиц в дуговом промежутке обусловливается эмиссией (испусканием) электронов с поверхности отрицательного электрода (катода) и ионизацией находящихся в промежутке газов и паров. Электрическую дугу, используемую для сварки металлов, называют сварочной дугой. В отличие от обычной дуги сварочная дуга представляет собой электрический дуговой разряд в ионизированной смеси не только газов, но и паров металла и компонентов, входящих в состав электродных покрытий, флюсов и т.д.
     Если ионизированный воздушный промежуток находится в электрическом поле, то подвижные газовые ионы приходят в движение и создают электрический ток. Однако при ионизации наступает динамическое равновесие, заключающееся в том, что в каждую единицу времени восстанавливается столько 5

Овчинников В. В.

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ СВАРКИ

же молекул из ионов (молизация, рекомбинация), сколько распадается. Таким образом, как только прекращается действие ионизирующих факторов, исчезает электропроводность и ток прекращается.
      Дуга является частью электрической сварочной цепи. При сварке на постоянном токе электрод, подсоединенный к положительному полюсу источника питания дуги, называют анодом, а к отрицательному - катодом. Если сварку ведут на переменном токе, то каждый из электродов является попеременно анодом или катодом. Промежуток между электродами называют областью дугового разряда, или дуговым промежутком; длину дугового промежутка - длиной дуги. 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 и 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 электрического поля высокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). Наличие электронной эмиссии с поверхности катода считают непременным условием существования дугового разряда.
      Зажигание дуги при сварке плавящимся электродом также начинается с короткого замыкания. Из-за шероховатости поверхностей касание электрода с основным металлом происходит отдельными выступающими участками, которые мгновенно расплавляются под действием выделяющейся теплоты, образуя жидкую перемычку между основным металлом и электродом. При быстром разведении электродов расплавленные перемычки растягиваются и сужаются, вследствие чего плотность тока в них доходит в момент разрыва до такой величины, что обращает их в пар. При высокой температуре паров металла ионизация промежутка столь значительна, что при сравнительно небольшой разности потенциалов между концами электродов возникает дуговой разряд. Разряд поддерживается далее как стационарная устойчивая дуга в том случае, если сохраняются факторы, поддерживающие ионизацию дугового промежутка.
      По длине дугового промежутка можно выделить три области (рис. 1.1): катодную, анодную и находящийся между ними столб дуги. Катодная область включает в себя нагретую поверхность катода, называемую катодным пятном,

6

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА И ЕЕ СВОЙСТВА

и часть дугового промежутка, примыкающую к ней. Протяженность катодной области мала, но она характеризуется повышенной напряженностью и протекающим в ней процессом эмиссии электронов, являющимся необходимым условием существования дугового разряда, Температура катодного пятна на стальных электродах достигает 2400...2700 °C.


Рис. 1.1. Строение электрической дуги и распределение напряжений в ней:
1 и 3 - катодная и анодная области; 2 - столб дуги

     В катодном пятне выделяется до 38 % общей теплоты дуги. Основным физическим процессом в этой области является разгон электронов. Падение напряжения в катодной области UK составляет 10...20 В.
     Анодная область состоит из анодного пятна на поверхности анода и части дугового промежутка, примыкающего к нему. Анодное пятно - место 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. Для дуг с плавящимся электродом анодное падение напряжения составляет 2...6 В. Протяженность этой области также мала.
     Столб дуги, расположенный между катодной и анодной областями, имеет наибольшую протяженность в дуговом промежутке. Основным процессом здесь является ионизация, или образование заряженных частиц газа. Этот процесс происходит в результате соударения электронов и нейтральных частиц газа. При достаточной энергии соударения частицы газа теряют электроны 7

Овчинников В. В.

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ СВАРКИ

и образуют положительные ионы. 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 их часть не достигает катода и, присоединяя к себе отрицательно заряженные электроны, образует нейтральные атомы. Такой процесс нейтрализации частиц называют рекомбинацией. В столбе дуги при всех условиях горения наблюдается устойчивое равновесие между процессами ионизации и рекомбинации. В целом столб дуги нейтрален, так как в каждом его сечении одновременно находятся равные количества противоположно заряженных частиц. Температура столба дуги достигает 6000...8000 °С и более - в зависимости от плотности сварочного тока. Падение напряжения в столбе изменяется в пределах 10...50 В/см, зависит от состава газовой среды и уменьшается с введением в нее легкоионизующихся компонентов. К ним относятся щелочные и щелочноземельные металлы (Са, Na, К и др.).
     Общее падение напряжения в дуге Uд = UK + Uc + Ua .
     Падение напряжения в столбе дуги можно представить как
Uc = Elст ,                        (1.1)
где   Е - напряженность по длине;
       l СТ - длина столба дуги.

     Значения UK, 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 l СТ = lд, где lд - длина дуги. Тогда справедливо выражение Uд = а + blд, где а = UK + Ua; b = Е. Отсюда следует, что напряжение дуги прямым образом зависит от ее длины.
     Сварочные дуги классифицируются:
     •   по применяемым электродам - с плавящимся и неплавящимся;
     •   по степени сжатия дуги - свободная и сжатая;
     •   по схеме подвода сварочного тока - прямого и косвенного действия (рис. 1.2);
     •   по роду тока - постоянного и переменного (однофазного или трехфазного) тока;
     •   по полярности постоянного тока - прямой и обратной полярности.

8

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА И ЕЕ СВОЙСТВА

      Дугу называют короткой, если длина ее составляет 2...4 мм. Длина нормальной дуги составляет 4...6 мм. Дугу длиной более 6 мм называют длинной.

Рис. 1.2. Сварочные дуги прямого (а) и косвенного (б) действия


    1.2. Условия зажигания и устойчивость горения дуги

     Для получения качественного сварного соединения необходимо устойчивое горение дуги, или ее стабильность. Под стабильностью дуги подразумевают не только устойчивое горение, но и быстрое зажигание, малую чувствительность к изменениям длины дуги в определенных пределах, быстрое повторное зажигание (возбуждение) после обрыва, необходимое проплавление основного металла.
     Условия зажигания и устойчивого горения дуги зависят от таких факторов, как род тока (постоянный или переменный), прямая или обратная полярность при сварке на постоянном токе, диаметр электрода, состав обмазки при сварке штучными электродами, температура окружающей среды.
     Для зажигания дуги требуется большее напряжение, чем напряжение для горения дуги. Напряжение, подводимое от источника питания к электродам при разомкнутой сварочной цепи, является напряжением холостого хода. При сварке на постоянном токе напряжение холостого хода не превышает 90 В, а на переменном - 80 В. В момент горения дуги напряжение, подаваемое от источника питания, значительно снижается и достигает значения, необходимого для устойчивого горения дуги. В процессе горения дуги ток и напряжение находятся в определенной зависимости.
     Зависимость напряжения дуги от тока в сварочной цепи при Условии постоянной длины дуги называют статической вольт-амперной характеристикой дуги. Такая характеристика представлена на рис. 1.3.


9

Овчинников В. В.

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ СВАРКИ

Рис. 1.3. Статическая вольт-амперная характеристика дуги

     В области 1 (до 100 А) с увеличением тока напряжение значительно уменьшается, так как при повышении силы тока увеличивается поперечное сечение столба дуги и его проводимость. Вольт-амперная характеристика является падающей.
     В области 2 (100... 1000 А) при увеличении тока напряжение сохраняет постоянную величину, так как поперечное сечение столба дуги и площади анодного и катодного пятен увеличиваются пропорционально току. Вольт-амперная характеристика является жесткой, дуга горит устойчиво, обеспечивается нормальный процесс сварки.
     В области 3 (свыше 1000 А) увеличение силы тока вызывает возрастание напряжения, так как из-за ограничения размеров катодного пятна площадью поперечного сечения электрода растет плотность тока. При этом вольт-амперная характеристика становится возрастающей. Дугу с падающей вольт-амперной характеристикой используют при ручной дуговой сварке штучными электродами и неплавящимся электродом в инертных газах, а с жесткой и возрастающей - при автоматической и механизированной сварке под флюсом и в защитных газах плавящимся электродом.
     При механизированной сварке плавящимся электродом иногда оперируют вольт-амперной характеристикой дуги, снятой не при постоянной ее длине, а при постоянной скорости подачи электродной проволоки (рис. 1.4). Как видно из рис. 1.4, 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.

10