Источники питания сварочной дуги

В качестве источника питания дуги переменным током используют сварочные трансформаторы и инверторы, постоянным током - сварочные выпрямители и генераторы. Все источники сварочного тока должны обеспечивать возможность короткого замыкания, надежность зажигания и горения дуги, возможность регулирования сварочного тока.

Сварочные трансформаторы (рис.58) переменного тока состоят из понижающего трансформатора и специального устройства, создающего падающую внешнюю характеристику и регулирующего сварочный ток.

Сварочный трансформатор имеет магнитопровод, на обоих стержнях которого расположены по две катушки: одна с первичной обмоткой, а вторая со вторичной обмоткой. Катушки первичной обмотки закреплены неподвижно в нижней части сердечника, катушки вторичной обмотки перемещаются по стержням с помощью винтовой пары. Сварочный ток регулируют изменением расстояния между первичными и вторичными обмотками. При увеличении этого расстояния магнитный поток рассеяния возрастает, а сварочный ток уменьшается. По этому принципу изготовлены сварочные аппараты типа ТС, ТСК, ТД с алюминиевыми обмотками.

Рисунок 58 - Внешний вид сварочного трансформатора

Сварочные аппараты типа ТСК имеют конденсаторы, которые включены параллельно первичным обмоткам. Они способствуют повышению коэффициента мощности. Трансформатор типа ТД имеет два диапазона сварочных токов: большие токи – при параллельных соединениях (катушек первичной (ОП) и вторичной (ОВ) обмоток, и малые токи – при последовательных соединениях обмоток. При этом небольшая часть первичной обмотки отключается, и этим повышают напряжение холостого хода, что обеспечивает устойчивое зажигание и горение дуги при малых токах. Переключение обмоток производится одновременно пакетным переключателем (ПД). В каждом диапазоне сварочный ток плавно регулируют, изменяя расстояние между катушками первичной и вторичной обмоток.

Работа инверторного сварочного аппарата (рис.59) основана на инверсии - фазовом сдвиге напряжения (отсюда и название «инверторный»), осуществляемое электронным микропроцессором аппарата, с покаскадным увеличением частоты и силы тока на выходе.

Сначала обычный сетевой переменный ток с напряжением 220 вольт и частотой 50 Гц преобразуется в постоянный. Потом, на втором преобразователе, ток снова становиться переменным, но уже с низким напряжением, большой силой тока ивысокой частотой.

Рисунок 59 - Инверторный источник питания

Сварочные выпрямители – это статические преобразователи энергии трехфазной сети переменного тока в энергию выпрямленного (пульсирующего постоянного) тока (рис.60).

Рисунок 60 - Внешний вид сварочного выпрямителя:

1 – выпрямительный блок; 2 – выдвижные ручки; 3 – предохранители; 4 – блок аппаратуры; 5 – вентилятор; 6 – ветровое реле; 7 – силовой трансформатор; 8 – вторичная обмотка; 9 – первичная обмотка; 10 – амперметр; 11 – лампа; 12 кнопки выключателя; 13 – скобы; 14 – рукоятка регулирования тока; 15 – переключатель диапазона тока; 16 – шины заземления обратного провода; 17 – токовые разъемы; 18 – болт заземления; 19 – штепсельный разъем для подключения к сети

В настоящее время разработаны и выпускаются сварочные выпрямители для ручной или механизированной дуговой сварки под флюсом, сварки в защитных газах и др. Они получили широкое применение благодаря их большим конструктивным и технологическим преимуществам:

- высокий к.п.д. и относительно небольшие потери холостого хода;

- высокие динамические свойства при меньшей электромагнитной индукции;

- отсутствие вращающихся частей и бесшумность в работе;

- равномерность нагрузки фаз;

Сварочные выпрямители состоят из двух основных блоков: понижающего трехфазного трансформатора с устройствами для регулирования напряжения или тока и выпрямительного блока. Кроме того, выпрямитель имеет пускорегулирующее и защитное устройства, обеспечивающие нормальную его эксплуатацию. Выпрямление тока производится с помощью свойства полупроводниковых элементов (селеновых или кремниевых вентилей) проводить ток только в одном направлении.

Сварочные выпрямители подразделяются на однопостовые с падающими, жесткими, пологопадающими и универсальными характеристиками и многопостовые с жесткими характеристиками.

Падающая характеристика в выпрямителе создается включением в сварочную цепь реактивной катушки или применением трансформатора с усиленным магнитным рассеянием. У многопостовых сварочных выпрямителей для создания падающей внешней характеристики и регулирования сварочного тока в сварочную цепь каждого поста включают балластный реостат типа РБ (рис. 61).

Рисунок 61 - Внешний вид балластного реостата:

1 – корпус; 2 – тумблер диапазонов; 3 – рубильник секций сопротивления; 4 – клеммы сварочного кабеля; 5 – секции нихромовой проволоки или ленты

Выпрямители типа ВД, предназначенные для ручной и механизированной сварки и наплавки, имеют крутопадающую внешнюю характеристику. Регулирование сварочного тока производят ступенчато (два диапазона) и плавно (в пределах каждого диапазона). Переключатель диапазонов сварочного тока расположен на лицевой панели выпрямителя и производит одновременное переключение первичной и вторичной обмоток со «звезды» (диапазон малых токов) на «треугольник» (диапазон больших токов). Переключение производят только после отключения выпрямителя от силовой сети. При переключении со «звезды» на «треугольник» пределы изменения тока увеличиваются примерно в три раза. Плавное регулирование тока в пределах каждого диапазона производится изменением расстояния между катушками первичной и вторичной обмоток. Катушки вторичной обмотки закреплены неподвижно у верхнего ярма, а катушки первичной обмотки с помощью ходового винта перемещаются по стержню сердечника трансформатора. Вращая рукоятку ходового винта по часовой стрелке, сближают катушки обмоток, уменьшают индуктивность рассеяния обмоток и, как следствие, увеличивают сварочный ток.

Сварочные выпрямители с жесткими и пологопадающими внешними характеристиками применяются при сварке плавящимся электродом в углекислом газе, под флюсом, порошковой проволокой. Они различны как конструктивно, так и по электрической схеме.

Сварочные преобразователи (рис. 62) состоят из генератора и электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания. Сварочные генераторы обеспечивают падающую внешнюю характеристику и ограничение тока короткого замыкания. Это специальные генераторы постоянного тока, внешняя характеристика которых позволяет получать устойчивое горение дуги, что достигается изменением магнитного потока генератора в зависимости от сварочного тока.

Рисунок 62 - Внешний вид сварочного преобразователя:

1 – медные пластинки коллектора; 2 – щетки генератора; 3 – регулировочный реостат; 4 – распределительное устройство; 5 – зажимы; 6 – вольтметр; 7 – вентилятор; 8 – трехфазный асинхронный двигатель; 9 – тяга; 10 – магнитные полюсы;11 – корпус; 12 – якорь

Сварочный генератор постоянного тока состоит из статора с магнитными полюсами и якоря с обмоткой и коллекторами. При работе генератора якорь вращается в магнитном поле, создаваемом полюсами статора. Обмотка якоря пересекает магнитные линии полюсов генератора, и поэтому в витках обмотки возникает переменный ток, который с помощью коллектора преобразуется в постоянный. Вращение якоря сварочного генератора обеспечивается в сварочных преобразователях электродвигателем, а в сварочных агрегатах – двигателем внутреннего сгорания. К коллектору прижаты угольные щетки, через которые постоянный ток подводится к зажимам. К этим зажимам присоединяют сварочные провода, идущие к электрододержателю и изделию.

Для выполнения сварочных работ при отсутствии электроэнергии (на новостройках, на монтажных работах в полевых условиях, при сварке газопроводов, нефтепроводов и других работах) применяют подвижные сварочные агрегаты (рис.63), состоящие из сварочного генератора и двигателя внутреннего сгорания.

Рисунок 63 - Внешний вид сварочного агрегата:

1 – генератор; 2 – двигатель; 3 – регулятор скорости вращения; 4 – бак с горючим

ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ СВАРКИ

Электроды для ручной дуговой сварки представляют собой стержни длиной до 450 мм, изготовленные из сварочной проволоки, на поверхность которых наносится слой покрытия различной толщины и состава. Один из концов электрода на длине 20…30 мм освобожден от покрытия для зажатия его в электрододержателе с целью обеспечения электрического контакта. Торец другого конца очищают от покрытия для возможности возбуждения дуги контактным методом. Допускается нанесение специального ионизирующего состава (слой графита) для облегчения первоначального поджога дуги. Исполнительные размеры электродов приведены в табл. 7.

Таблица 7 - Исполнительные размеры электродов, мм

Диаметр электрода, определяемый диаметром стержня	Длина электрода со стержнем из сварочной проволоки
углеродистой или легированной	высоколегированной
1,6; 2,0	200 или 250	225 или 250
2,5; 3,0
4,0	400 или 450
5,0; 6,0; 8,0; 10,0; 12,0		350 или 450

Важным этапом при разработке технологии ручной электродуговой сварки является выбор типа и марки электрода.

Тип электрода обозначается буквой Э и цифрой (табл.8), показывающей гарантируемый предел прочности металла шва (временное сопротивление σ_в). Буква А в обозначении указывает, что металл шва, наплавленный этим электродом, имеет повышенные пластические свойства. Такие электроды применяют при сварке наиболее ответственных швов.

Таблица 8 - Классификация электродов по назначению

Тип электрода	Назначение	Обозначение
Э38,Э42,Э42А,Э46,Э46А, Э50А,Э55,Э60 (9 типов)	Сварка углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с временным сопротивлением разрыву до 600 Мпа	У
Э70,Э85,Э100,Э125,Э150 (5типов)	Сварка углеродистых и низколегированных сталей с временным сопротивлением разрыву свыше 600 Мпа	Л
Э09М,Э09МХ и др. (9типов)	Сварка легированных теплоустойчивых сталей	Т
Э12Х13,Э11Г3,Э16Г2ХМ (49 типов)	Сварка высоколегированных сталей с особыми свойствами	В
Э10Г2,Э11Г3,Э16Г2ХМ и др. (44 типов)	Наплавка поверхностных слоев с особыми свойствами	Н

Для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей предусмотрено девять типов электродов (Э38, Э42, Э42А, Э46, Э46А, Э50, Э50А, Э55, Э60); для сварки легированных и конструкционных сталей повышенной и высокой прочности – пять типов (Э70, Э85, Э100, Э125, Э150).

В обозначение типов электродов для сварки легированных теплоустойчивых сталей входит марочный состав наплавленного металла (Э-09М, Э-09МХ, Э-05Х2М, Э-09Х1МФ, Э-10Х1М1НФБ, Э-10Х5МФ и др.). Первый индекс из двузначного числа соответствует среднему содержанию углерода в наплавленном металле в сотых долях процента. Порядок расположения буквенных обозначений химических элементов определяется уменьшением среднего содержания соответствующих элементов в наплавленном металле. Химические элементы, содержащиеся в наплавленном металле, обозначают следующими буквами: Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, М – молибден, Н – никель, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, X –хром, Ю – алюминий.

Каждому типу электрода соответствует несколько марок, на каждую из которых разработаны технические условия. Марка электрода − это его промышленное обозначение, характеризующее стержень и покрытие. Электродные по толщине покрытия ( табл.9) делят на три группы: тонкие (стабилизирующие). средние и толстые (качественные).

Назначение тонкого покрытия − облегчить возбуждение дуги и стабилизировать ее горение. Оно не создает защиты для расплавленного металла шва, и поэтому при сварке происходит его окисление и азотирование. Шов получается хрупким, пористым, с различными неметаллическими включениями. Поэтому электроды с тонким покрытием используют при выполнении неответственных сварных швов.

Сварные соединения высокого качества выполняют электродами с толстым покрытием.

Таблица 9 - Классификация электродов по толщине покрытия

	Толщина покрытия	Обозначение
С тонким покрытием D/d ≤ 1,2	М
Со средним покрытием 1,2 < D/d ≤ 1,45	С
С толстым покрытием 1,45 < D/d ≤ 1,8	Д
С особо толстым покрытием D/d > 1,8	Г

Электродные покрытия (обмазки) состоят из ионизирующих, шлакообразующих, газообразующих, раскисляющих, легирующих и связующих компонентов.

1. Ионизирующие вещества предназначены для снижения эффективного потенциала ионизации, что обеспечивает стабильное горение дуги. В качестве ионизирующих компонентов в покрытия вводят такие вещества, как мел, мрамор, поташ, полевой шпат и др.

2. Газообразующие вещества, которые при сварке разлагаются или сгорают, выделяя большое количество газов, создающих в зоне дуги газовую оболочку. Благодаря этой оболочке металл шва предохраняется от воздействия атмосферного кислорода и азота. Такими газообразующими веществами являются крахмал, древесная мука, целлюлоза и др.

3. Раскисляющие вещества, которые обладают большим сродством с кислородом и поэтому восстанавливают металл шва. Раскислителями служат ферросплавы, алюминий, графит и др.

4. Шлакообразующие вещества создают шлаковую защиту расплавленного металла шва, а также капель электродного металла, проходящих через дуговой промежуток. Кроме того, шлаки активно участвуют в металлургических процессах при сварке и способствуют получению качественного шва. В качестве шлакообразующих веществ применяют полевой шпат (K₂O×Al₂O₃×6SiO₂), кварц (SiO₂), мрамор, рутил, марганцевую руду и др.

5. Легирующие вещества, которые в процессе сварки переходят из покрытия в металл шва и легируют его для придания тех или иных физико-механических качеств. Хорошими легирующими веществами являются ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферротитан. Реже применяют различные оксиды металлов (меди, хрома и др.).

6. Связующие вещества предназначены для связки всех компонентов покрытия в виде пасты, а также для связывания пасты на сердечнике электрода и придания определенной прочности после высыхания покрытия. Таким веществом является жидкое стекло. Реже применяется декстрин.

Качественное покрытие 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, легирует наплавляемый металл, 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.

По виду покрытия электроды подразделяются на следующие: А − с кислым покрытием, Б − с основным покрытием, Р − с рутиловым покрытием, Ц − с целлюлозным покрытием, смешанного типа (табл.10).

Кислые покрытия (А) содержат руды в виде оксидов железа и марганца, при плавлении они выделяют кислород, способный окислить металл ванны и легирующие примеси. Для ослабления действия кислорода в покрытие вводят раскислители в виде ферросплавов.

Кислые покрытия имеют хорошие сварочно-технические свойства, высокопроизводительны, позволяют сваривать металл с окисленными кромками и окалиной и получать плотные швы. Однако наплавленный металл имеет относительно малую ударную вязкость и пластичность и пониженное содержание легирующих элементов, к тому же эти электроды токсичны. К этому виду относятся покрытия ОММ-5, ЦМ-7, ЦМ-8 и др.

Таблица 10 - Классификация электродов по виду покрытия

Вид покрытия	Назначение	Обозначение
Кислые	Сварка во всех пространственных положениях постоянным и переменным током. Не рекомендуется для сталей с повышенным содержанием серы и углерода. Недостаток: возможны трещины в швах, сильное разбрызгивание	А
Рутиловые	Сварка во всех пространственных положениях постоянным и переменным током.	Р
Основные	Сварка постоянным током обратной полярности во всех пространственных положениях металла большой толщины.	Б
Целлюлозные	Сварка во всех пространственных положениях постоянным и переменным током. Не допускают перегрева. Большие потери на разбрызгивание	Ц
Смешанного типа	Сварка конструкций и трубопроводов во всех положениях шва, кроме потолочного.	РЦЖ*

* с железным порошком

В рутиловых покрытиях (Р) основным компонентом является рутил TiO₂. Благодаря высоким сварочно-технологическим свойствам, механическим свойствам металла шва и благоприятным санитарно-гигиеническим характеристикам электроды с рутиловым покрытием нашли широкое применение, в том числе и взамен электродов с кислым покрытием. К рутиловым относятся покрытия ЦМ-9, МР-3, АНО-3, АНО-5, ОЗС-3 и др.

Основные покрытия (Б) составлены на основе плавикового шпата CaF₂ и мрамора. Эти электродные покрытия дают высокое качество металла шва и применяются для сварки ответственных швов. Так как основные электродные покрытия адсорбируют влагу при хранении, перед применением их нужно прокаливать. Кромки свариваемых изделий необходимо тщательно очищать от окалины и загрязнений, иначе в сварном шве будут поры. Широко используются электроды марок УОНИ-13/45, УОНИ-13/55, СМ-11, АНО-7, АНО-8 и др.

Целлюлозные покрытия (Ц) содержат большое количество органических составляющих, разлагающихся в процессе плавления и обеспечивающих газовую защиту расплавленного металла. Эти покрытия придают хорошее качество сварному шву при соблюдении теплового режима. Их недостаток − большие потери от разбрызгивания. К этой группе покрытий относятся ОМА-2, ЦЦ-1, ВСЦ-4 и др.

Электроды характеризуют по свойствам наплавленного ими металла, к которым относятся: прочность, пластичность, удлинение, ударная вязкость, твердость, коррозионная стойкость, стойкость против старения, – а при наплавочных работах и износостойкость.

Наряду с качеством металла шва, полученного при сварке данным электродом, важное значение имеют и его технологические свойства. К основным технологическим свойствам электрода относят его производительность, пригодность для сварки в различных пространственных положениях, стабильность горения дуги при постоянном и переменном токе, допустимую максимальную и минимальную длину дуги, форму шва, коэффициенты наплавки, расплавления и потерь.

Стандартное условное обозначение покрытых электродов для дуговой сварки представляет собой дробь (рис.64). Где в числителе записаны: тип, марка, диаметр, назначение, толщина покрытия, группа по качеству изготовления. В знаменателе дроби: индексы характеристик металла шва, вид покрытия, допустимое пространственное положение шва, род тока, полярность.

Рисунок 64 - Условное обозначение электродов для сварки