Требования, устройство и принцип работы источника питания для сварки сжатой дугой
Сжатая (плазменная) дуга используется при сварке, наплавке, резке и напылении, а также при плазменно-механической обработке.
Плазменная сварка и наплавка выполняются с помощью плазмотрона, изображенного на рис. 5.22. Дуга, горящая между вольфрамовым электродом и
деталью, сжимается потоком аргона, проходящего по каналу сопла диаметром от 0,5 до 6 мм. По сравнению со свободной дугой сжатая дуга имеет более высокую температуру (до 20000 К по оси столба), повышенную проплавляющую способность и высокую пространственную устойчивость.
Рис. 5.22. Схемы плазменных процессов: а – сварка на постоянном токе; б – сварка на переменном токе; в – резка; - г – наплавка
Увеличение глубины проплавления в 1,5-2 раза по сравнению со сваркой свободной дугой позволяет соединить за один проход металл толщиной до 20-30 мм. Малые размеры и высокая пространственная стабильность сжатой дуги позволили рекомендовать ее и для соединения сверхтонких материалов (до 0,05 мм) без прожогов и непроваров. Эта разновидность сварки (при токе ниже 25 А) названа микроплазменной. Сжатая дуга зажигается поэтапно. Сначала зажигается дежурная дуга 1 между электродом и соплом. Выдуваемая из сопла плазменная струя касается детали, в результате чего между электродом и деталью возникает основная дуга 2. После этого дежурная дуга гаснет. При неблагоприятных условиях сварки (малый диаметр сопла, малый расход газа, резкое нарастание тока) основная дуга может перейти на сопло, при этом возникает каскадная (двойная) дуга 3, быстро разрушающая сопло. Начальное возбуждение дежурной дуги, выполняется осциллятором или возбудителем G1, обычно последовательного включения. Источник G2 - выпрямитель с крутопадающей характеристикой обеспечивает небольшой ток дежурной дуги через балластный реостат (до 20 А). После погасания дежурной дуги включается в работу основной источник постоянного тока G3, при этом обычно применяется прямая полярность тока, как и при сварке свободной дугой. Внешняя характеристика источника должна быть крутопадающей, при этом обеспечивается устойчивость дуги и стабильность проплавления. Плавное или ступенчатое нарастание основного тока снижает опасность образования двойной дуги. Основной импульсный источник может применяться при сварке сжатой пульсирующей дугой. Основной источник переменного тока рекомендуется для сварки алюминиевых сплавов, но из-за низкой стойкости вольфрамового электрода его применение ограничено.
Оригинальное решение найдено при микроплазменной сварке тонколистового алюминия (см. рис.5.22,б). В этом случае от сварочного трансформатора Т через тиристор VS1 питается основная дуга 2 прямой полярности между электродом и деталью. От того же трансформатора, но уже через тиристор VS2 питается дуга 4 обратной полярности, горящая между соплом и деталью. Высокая стойкость электрода гарантируется здесь использованием его только в полупериоде прямой полярности. Надежному повторному зажиганию способствует непрерывно горящая дежурная дуга 1.
Плазменная резка (см. рис. 5.22,в) выполняется за счет расплавления металла сжатой дугой и удаления его из полости реза благодаря кинетической энергии плазменной струи. Для повышения плавящей способности дуги плазмообразующими газами служат двухатомные (водород, азот), обладающие большой теплопроводностью. После разработки электродов с химически стойкими циркониевыми и гафниевыми вставками резка выполняется в основном дешевым сжатым воздухом. Длина дуги при плазменной резке с учетом большой внутрисопловой составляющей (не менее 10 мм) и участка внутри реза, имеющего протяженность около 2/3 толщины детали, очень велика (20-200 мм). Градиент потенциала в столбе дуги также велик - внутри сопла до 20 В/мм. Поэтому напряжение режущей дуги достигает 65-350 В, т.е. существенно выше, чем при сварке.
Высокое напряжение холостого хода 180-500 В - специфическое требование к источнику для плазменной резки. Режущая дуга непрерывно перемещается по глубине реза, при этом амплитуда колебаний напряжения дуги может достигать 40-60 % от его среднего значения. В этом случае устойчивость дуги может быть достигнута не просто при положительной, но еще и сравнительно большой величине коэффициента устойчивости системы "источник - дуга" (Ку=rд -rи>>0). Внешняя характеристика источника должна быть вертикально падающей с величиной дифференциального сопротивления, не ниже | rи | = 5 В/А. Остальные требования к источнику совпадают с требованиями для плазменной сварки.
Плазменно-механическая обработка (токарная, строгальная) - процесс родственный плазменной резке. Плазматрон разогревает поверхность обрабатываемой детали, в результате чего значительно повышается подача, а следовательно, и производительность черновой обработки, особенно труднообрабатываемых твердых металлов. Требования к источнику те же, что и при плазменной резке.
Плазменное напыление(см. рис. 5.22,г) происходит при косвенном нагреве детали и плавлении порошка плазменной струей.
Дуга горит только в плазматроне между электродом и соплом. Отдельный источник дежурной дуги не нужен, в остальном требования к источнику совпадают с изложенными для других способов плазменной обработки деталей. Технические характеристики источников питания для плазменной сварки, наплавки и напыления приведены в приложении.
Принцип работы источника питания для сварки сжатой дугой.
Принципиальная схема установки УПНС-З04 приведена на рис. 5.23. Она предназначена для сварки большинства металлов сжатой дугой током прямой полярности и алюминиевых сплавов током обратной полярности как в непрерывном, так и в импульсном режиме. В состав установки входит: порошковый питатель и насадка на плазматрон, позволяющие выполнять плазменную наплавку. Установка может использоваться и для аргонодуговой сварки (свободной дугой). Ее источник питания имеет автоматический выключатель QF, мощный пускатель К, понижающий трансформатор Т, силовой блок выпрямления V4-V9, блок выпрямлении дежурной дуги V1-V3 с балластным реостатом, переключатель диапазонов S и блок поджигания с возбудителем G.
Рис 5.23. Упрощенная принципиальная электрическая схема (а) и внешние характеристики в диапазоне больших токов (б), малых токов (в) специальной установки УПНС-304
В диапазоне больших токов (315 А) основная дуга "электрод-деталь" питается от вторичных обмоток Т2, соединенных треугольником, и полууправляемой трехфазной мостовой схемы, собранной из диодов V4-V6 и тиристоров V7-V9. Крутопадающие внешние характеристики (см. рис.5.23,б) формируются тиристорами за счет обратной связи по току.
Диапазон малых токов (18 А) обеспечивается после перестановки разъема в положение 18 А, благодаря включению в цепь силового блока выпрямления балластного реостата R2. Полученные при этом крутопадающие характеристики показаны на рис .5.15,в. Сглаживание сварочного тока осуществляется в обоих диапазонах фильтром V10, L1. Так как при большом угле управления тиристоров ток сглаживается неэффективно, дополнительно используется подпитка, которую по совместительству обеспечивает блок питания дежурной дуги. В этом случае вторичные обмотки Т.2 и Т.З образуют треугольник с продолжительными сторонами, что приводит к увеличению напряжения холостого хода. Выпрямленный ток подпитки создается трехфазной мостовой схемой, собранной из диодов V1-V6, а крутопадающая характеристика формируется балластный реостатом R1 и R6 (пунктирная линия на рис. 5.23,в).
Зажигание дуги выполняется возбудителем по цепи в G-Cl-C2-L2-сопло-электрод-G, после чего появляется ток дежурной дуги в цепи V1,V2,V3,-R1-R2-R3-L2-сопло-электрод-G-V4,V5,V6. В момент касания потоком плазмы поверхности изделия возникает основная дуга "электрод-деталь", ее ток плавно нарастает. В конце сварки предусмотрено плавное снижение тока. Модуляция тока при сверке пульсирующей дугой осуществляется с помощью тиристоров V7-V9.
Аналогичный принцип действия имеют источники питания, входящие в состав установок УПН-303-I для механизированной плазменной наплавки, УПВ-301 для плазменной сварки и наплавки, а также УПС-302 - для сварки, наплавки, химического упрочнения.
Для плазменной сварки может применяться специализированный источник типа ВСВУ, который предназначен для аргонодуговой сварки как непрерывной, так и пульсирующей дугой. Установка ВСВУ-400 выпускается с микропроцессорным устройством. Подобное устройство имеет и выпрямитель ВПН-630, который входит в состав установки для плазменного напыления УПУ-8Д.