В чем заключаются особенности горения сварочной дуги переменного тока?

Устойчивость горения сва­рочной дуги переменного тока, ниже, чем дуги постоянного тока. Это связано с тем, что переменный ток частотой 50 Гц в дуге 100 раз в секунду (через каждые 0,01 с) проходит через нуль (рис. 1.3). В про­цессе перехода тока через нуль и изменения полярности в начале и конце каждого полупериода дуга угасает. При этом снижается температура дуги, снижается ионизация газовой смеси в приэлектродных областях и в столбе дуги, уменьшается проводимость дугового промежутка.

Какие способы повышения стабильности сварочной дуги переменного тока Вы знаете и, какие из них используются при ручной дуговой сварке?

Повысить стабильность горения дуги переменного тока, т. е. уменьшить время перерыва τ _в+ τ _у в горе-нии сварочной дуги, можно осуществить:

1) увеличением амплитудного значения напряжения источ-ника питания U _т, т. е. напряжения холостого хода U _х сварочного трансформатора. Однако повышение напряжения холостого хода ограничено условиями электробезопасности при проведении свароч-ных работ и технико-экономическими показателями источников пита-ния (увеличение габаритных размеров источника питания, расход обмоточных материалов и т. д.). Поэтому для источников питания переменного тока принято отношение между напряжением холо-стого хода источника и напряжением дуги U _х/ U _д > 1,8…2,5. Напря-жение холостого хода не должно превышать 80…90 В;

2) увеличением частоты переменного тока, что требует допол-нительных устройств (см. работу № 2 – инверторные источники);

3) снижением напряжения зажигания дуги за счет введения в состав покрытия электродов веществ с низким потенциалом ионизации.

Наиболее приемлемым способом повышения стабильности горения дуги при ручной электродуговой сварке является использование электродов со специальными покрытиями, содержащими компоненты с низким потенциалом ионизации.

Почему электроды с качественным покрытием обеспечивают большую стабильность горения дуги?

Для получения высококачественного сварного соединения необходимо правильно подобрать электроды для ручной дуговой сварки. Только в этом случае стык получится прочным, герметичным и долговечным. Электроды для ручной дуговой сварки изготавливают в виде стержней, выполненных из холоднотянутой калиброванной сварочной проволоки, на которую наносят слой защитного покрытия. В зависимости от толщины покрытия электроды разделяются на тонкопокрытые, с толщиной слоя обмазки 0,1…0,3 мм и толстопокрытые, с толщиной слоя обмазки до 2 мм.

Почему стабильность горения дуги возрастает с увеличением сварочного тока?

При введении химических элементов с низким потенциалом ионизации в сварочную дугу снижается значение напряжения повторного возбуждения, улучшаются условия горения сварочной дуги. Это объясняется сохранением проводимости дугового промежутка в течение длительного времени после угасания дуги за счёт сохранения тлеющего разряда.

Для чего предназначено тонкое покрытие электродов?

Тонкие покрытия предназначаются для увеличения устойчи-вости горения дуги и поэтому часто называются ионизирующими покрытиями. Наиболее распространённым ионизирующим покры-тием является меловое, состоящее по массе из 80…85 % мелко просеянного мела СаСО₃ и 15…20 % жидкого натриевого стекла Na₂O·SiO₂. Сварные швы, выполненные этими электродами, из-за отсутствия защиты расплавленного металла обладают низким пределом прочности и низкой пластичностью.

Какие функции выполняет качественное покрытие электродов?

Для получения сварных швов с высокими показателями прочности и пластичности пользуются электродами с толстым покрытием. Поэтому эти покрытия называют качественными. Качественное покрытие выполняет следующие функции: обеспечивает устойчивое горение дуги; защищает расплавленный металл шва от воздействия кислорода и азота воздуха; раскисляет образующиеся в металле шва оксиды и удаляет невосстанавливаемые оксиды в шлак; изменяет состав наплавляемого металла вводом в него легирующих примесей; удаляет серу и фосфор из расплавленного металла шва; образует шлаковую корку над металлом шва, замедляет его охлаждение и тем самым способствует выходу газов и неметаллических включений на поверхность металла шва.

Какие компоненты входят в состав тонких и качественных покрытий?

Тонкое покрытие: наиболее распространённым ионизирующим покры-тием является меловое, состоящее по массе из 80…85 % мелко просеянного мела СаСО₃ и 15…20 % жидкого натриевого стекла Na₂O·SiO₂. Качественное покрытие: должно содержать компоненты, которые условно можно разделить на четыре группы.

К первой группе можно отнести ионизирующие вещества, которые вводятся для снижения эффективного потенциала ионизации (табл. 1.1). Они обеспечивают стабильное горение дуги.

 

Таблица 1.1

Значение потенциалов ионизации металлов, применяемых в покрытиях

 

Элементы	К	Na	Ba	Li	Al	Ca	Cr	Ti	Mn
U, В	4,32	5,12	5,19	5,37	5,96	6,03	6,74	6,81	7,4
Элементы	Fe	Si	С	Н*	О*	N*	Ar*	Не*
U, В	7,83	7,94	11,22	13,53	13,56	14,51	15,7	21,5
*) элементы, содержащиеся в воздухе (в межэлектродном промежутке)

 

В основном это соли щелочных и щелочноземельных металлов (К, Na, Ca, Ва, Li и др.). Они чаще применяются в виде:

1) углекислых солей: мел (мрамор) СаСО₃, поташ К₂СО₃, углекислый барий ВаСО₃, сода Na₂CO₃;

2) соединений: хромата калия K₂CrO₄, титанового концентрата (FeO∙TiO₂), марганцевой руды (MnO₂∙Mn₂O₃), полевого шпата (К₂О∙Al₂O₃∙6SiO₂), плавикового шпата (CaF₂) и др.

Ко второй группе относятся газообразующие, и шлакообра-зующие вещества, которые создают в зоне дуги газовую защитную оболочку, а в зоне шва – шлаковую защиту расплавленного металла шва. К газообразующим можно отнести неорганические (мрамор СаСО₃, магнезит МgСО₃ и др.) и органические (крахмал, древесная мука и т. п.) вещества. Все эти вещества образуют защитный барьер из CO₂ вокруг сварочной ванны.

Третью группу представляют легирующие вещества, которые в процессе сварки переходят из покрытия в металл шва и легируют его для придания тех или иных физико-механических свойств. К этой же группе можно отнести раскисляющие вещества, которые благо-даря большому сродству к кислороду очищают металл шва от окислов и выводят их в шлак. Легирующие элементы и раскислители – кремний, марганец, титан, алюминий и другие, а также сплавы этих элементов с железом в виде ферромарганца, ферросилиция и ферротитана.

К четвёртой группе - связующие вещества для придания покрытию монолитности и определенной прочности после его высыхания. В качестве связующего вещества, как уже упоминалось, часто применяют водные растворы силикатов натрия, называемые жидким стеклом Na₂O·SiO₂.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

 

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ДЛЯ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ

 

Цель работы

1.1. Изучить устройство и принцип действия сварочных транс-форматоров и выпрямителей.

1.2. Освоить способы получения внешней вольтамперной харак-теристики и регулирования сварочного тока современных источников питания для ручной дуговой сварки.

1.3. Снять внешнюю характеристику сварочного трансформа-тора с повышенным магнитным рассеянием.

 

Теоретическая часть

Несмотря на широкое использование механизированных спосо-бов сварки, ручная электродуговая сварка (РДС) электродами с качественным покрытием остаётся наиболее распространённым видом сварки. В промышленности наиболее широко применяются следующие источники питания сварочной дуги: 1) переменного тока – сварочные трансформаторы; 2) постоянного тока – сварочные выпрямители; 3) высокочастотные источники – инверторы.

Современные сварочные трансформаторы

Несмотря на то, что дуга переменного тока менее устойчива, чем дуга постоянного тока, сварочные трансформаторы находят широкое применение. Трансформаторы экономичны: их КПД достигает 85 %, имеют меньшую стоимость.

Особенностью конструкции трансформаторов с повышенным магнитным рассеянием является то, что первичная и вторичная обмотки расположены на общем магнитопроводе на некотором уда-лении друг от друга. Причем одна из обмоток является подвижной.

Принцип действия трансформаторов этих серий иллюс-трирует рис. 2.1. Они имеют стержневой удлинённый магнитопровод 3, цилиндрическую первичную 1 и вторичную 2 обмотки с числами витков W₁ и W₂ соответственно.

Каждая из обмоток разбиты на две катушки, охватывающие стержни магнитопровода.

Основной магнитный поток трансформа-тора Ф _т замыкается по магнитопроводу, а потоки рассеяния Ф _1р и Ф _2р - по воздуху в пространстве между первичной и вторичной обмоткам. Поэтому значительная часть магнитных потоков рассеяния первичной обмотки не достигает витков вторичной и они рассеиваются. Другими словами, на пути движения магнитного потока из первичной обмотки во вторичную имеется значительное индуктивное сопротивление. Индуктивное сопротивление трансфо-рматора х _т сильно зависит от числа витков вторичной обмотки W ₂, а также конструктивных параметров трансформатора: ширины магни-топровода b, высоты катушек h _1об, h _2об и расстояния между ними C_ок:

(2.1)

В уравнении (2.1) все геометрические размеры по рис. 2.4 приведены в сантиметрах. Зависимость индуктивного сопротивления трансформатора х _т от расстояния между обмотками l _об линейная. В режиме нагрузки (рис. 2.2) сила тока во вторичной обмотке трансформатора будут соответствовать следующей зависимости:

(2.2)

где х _т - полное индуктивное сопротивление трансформатора (вклю-чающее индуктивное сопротивление рассеяния);

U ₂ – напряжение во вторичной обмотке трансформатора. Для сварочных трансформаторов оно по условиям электро-безопасности при проведении сварочных работ не должно превышать 80 В. Чем выше напряжение холостого хода трансформа-тора, тем легче возбуждается дуга; U _{д -} – напряжение сварочной дуги.

Из выражения (2.2) следует, что регулировку тока при сварке можно осуществлять изменением напряжения холостого хода U ₂, т. е. изменением соотношения числа витков W ₁ /W ₂и изменением х _т. Однако параметры U ₂ и W ₁ /W ₂ заложены в конструкцию трансформатора и имеют зависимость . Поэтому регулировку сварочного тока осуществляют изменением индуктивного сопротивления х _т, которое достигается изменением расстояния между обмотками.

Для регулирования режима сварки в обойму крепления катушек вторичной обмотки вмонтирована неподвижная гайка 6, в которую ввинчивается или вывинчивается из неё ходовой винт 4 при вращении рукоятки. При этом изменяется расстояние между подвижной и неподвижной обмотками трансформатора l _об, что приводит к измене-нию магнитных потоков рассеяния Ф _р. Так происходит плавное регулирование силы сварочного тока.

Падающая внешняя характеристика у трансформатора с подвиж-ными обмотками получается благодаря увеличенному магнитному рассеянию.

Сварочные выпрямители [1]

Для ручной сварки предназначены выпрямители с крутопадаю-щими характеристиками, которые формируются различными спосо-бами: 1) увеличением индуктивного сопротивления трансформатора (выпрямитель с трансформатором с подвижными обмотками или с магнитным шунтом); 2) использование обратной связи по току (тиристорный, транзисторный и инверторный выпрямители). Наибо-лее простой способ заключается в том, что сварочный выпрямитель комплектуется силовым трансформатором с падающей характерис-тикой. В любом сварочном выпрямителе можно выделить следующие элемен-ты: силовой понижающий трансформатор, выпрямительный блок и пускозащитную аппаратуру.

Сварочный выпрямитель ВД–306 С1. В него входят силовой трансформатор с подвижными катушками (рис. 2.2). На метал-лической раме 10 размещены выпрямительный блок 1 и трехфазный понижающий трансформатор 2 с усиленными магнитными полями рассеяния.

На лицевой панели трансформатора расположены кнопки 4 «Пуск» и «Стоп», переключатель 5 диапазонов сварочного тока, амперметр 6, два разъема 8 для подключения сварочного кабеля, имеющих соответствующую полярность (+) и (—), и штепсельный разъем 9 для подключения выпрямителя к сети. Металлическая рама 10 установлена на двух колесах 7. Грубая регулировка тока осуществляется одновременным переключением первичной и вторичной обмоток трансформатора переключателем 5.

Рис. 2.2. Выпрямитель ВД – 306 С1: а – вид сбоку со снятым кожухом; б – общий вид

При включении по схеме «звезда-звезда» (Y/Y), обеспечивается ступень малых токов, а по схеме «треугольник-треугольник» (Δ/Δ) - ступень больших токов. В пределах каждой ступени плавное регули-рование тока производится изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками поворотом рукоятки 3. Значение сварочного тока определяется по указателю со шкалой 12, расположенные сбоку кожуха трансформатора. Упрощенная принципиальная схема выпрямителя ВД – 306 С1 приведена на рис. 2.3.

Внешние характеристики выпрямителя приведены на рис. 2.4.

Рис. 2.3. Упрощенная электрическая принципиальная схема выпрямителя ВД – 306 С1: Тр – трансформатор с падающей характеристикой; В – выпрямительный блок на кремниевых диодах

Выпрямители серий ВД – 201 и ВД – 306 просты в изготовлении и эксплуатации. Их недостатки - в отсутствии стабилизации режима при изменении напряжения сети и невозможности дистанционного управления.

Рис. 2.4. Внешняя характе-ристикавыпрямителя ВД – 306 С1

Инверторные источники питания [1,3]

Основным отличием инверторных источников питания от традиционных сварочных выпрямителей является наличие в его конструкции специальных устройств – инверторов.

Инверторы – это устройства, которые преобразуют энергию постоянного тока в энергию переменного тока с заданной формой импульсов, частотой, амплитудой и выходным напряжением.

На практике в сварочных источниках питания наиболее часто применяются однофазные инверторы. Частота переменного тока инвертора f = 1/ Т (1…60 кГц). С повышением частоты напряжения питания сварочной дуги при уменьшаются размеры и масса трансфо-рматора, а также увеличивается индуктивное сопротивление его обмоток. Такой инвертор называют автономным.

Инверторный сварочный аппарат ИН – 200ИУ2. Аппарат выполнен в металлическом корпусе (рис. 2.5), с воздушной принуди -

а – с лицевой стороны; б – с задней стороны

Функциональная схема инверторного сварочного аппарата Рис. 2. 6.

тельной системой охлаждения полупроводниковых элементов. Входной выпрямитель В _вх преобразует переменное напряжение сети 220 В (~ 50 Гц) в постоянное (рис. 2.6). Инвертор Ин на четырёх

транзисторах преобразует постоянное напряжение в переменное высокочастотное (~ 50 кГц). Далее напряжение (~ 220 В) понижается высокочастотным трансформатором Тр до сварочного (~ 85 В), выпрямляется выходным выпрямителем В _вых и сглаживается росселем Др (фильтром) L – C.

Кроме снижения массы выпрямителя большая частота транс-формируемого тока приводит к сокращению длительности пере-ходных процессов с 0,02 сек до 0,001 сек, что уменьшает разбрызгивание металла при сварке. Регулировка режима сварки осуществляется путём изменения частоты. Падающая внешняя характеристика обеспечивается сле-дующим образом: с увеличением I _св автоматически снижается часто-та f, что влечет уменьшение выходного напряжения. Для его стабилизации вводится обратная связь по напряжению.

Таким образом, воздействие на параметры инвертора по­зволяет регулировать режим сварки и формировать внешние характеристики выпрямителя.

Практическая часть

Оборудование и материалы

Сварочный трансформатор ТС – 500, сварочный выпрямитель ВД – 306 С1, балластный реостат РБ–301, инверторный сварочный аппарат ИН – 200ИУ2.

Последовательность выполнения работы:

1. Разобраться с электрическими схемами опытных установок для снятия внешних характеристик трансформатора и выпрямителя

2. Снять внешнюю характеристику сварочного выпрямителя

ВД–306 С1. Для этого убедиться, что вторичная обмотка трансформатора подключена к балластному реостату РБ–301.

Снятие характеристики осуществляется в следующей последо-вательности:

а) включить рубильник Р, смонтированный на стене лабора-тории. «Пуск»-на передней стенке, включить выпрямитель ВД-306 С1. Убедиться в срабатывании вентилятора;

б) переключателем ступеней тока 2 вправо (ступень 2) вклю-чить обмотку трансформатора в область больших токов;

в) вращением рукоятки 3 установить по шкале указателя вы-прямителя определенную силу сварочного тока (например, 250 А);

г) при выключенных ножах балластного реостата включить кнопкой 1 выпрямитель, затем снять по вольтметру напряжение холостого хода. При этом показание амперметра будет равно нулю.

д) последовательно включая (справа налево) контактные ножи балластного реостата РБ–301 снять показания амперметра и вольт-метра. Амперметр располагается на передней стенке выпрямителя, а вольтметр – на балластном реостате. Данные занести в таблицу;

3. Снять внешнюю характеристику сварочного трансформа-тора ТС – 500. Для этого:

а) переключить входные провода балластного сопротивления

РБ -301 на выходные клеммы вторичной обмотки трансформатора;

б) вращением рукоятки 4 (см. рис. 2.1) установить ток короткого замыкания 250 А.

в) при выключенных ножах балластного реостата РБ–301 включить трансформатор, затем снять по вольтметру, расположен-ному на балластном реостате, напряжение холостого хода.

г) переключая контактные ножи РБ–301, снять показания вольтметра и амперметра. Данные занести в таблицу 2.1. При этом используется амперметр, установленный на реостате.

ж) с помощью кнопки «стоп» и рубильника Р выключить источник питания. Отключить контакты реостата.

4. По полученным данным построить внешнюю характерис-тику выпрямителя и трансформатора. Характеристику выпрямителя сравнить с характеристикой, на рис. 2.4.