Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

А.М. Болдырев, А.С. Орлов, Е.Г. Рубцова,

А.С. Померанцев

Источники питания сварочной дуги

Учебное пособие

Под общей редакцией Заслуженного деятеля науки Российской Федерации,

чл.-корр. РААСН, доктора технических наук, профессора

А.М. Болдырева

Рекомендовано научно-методическим советом Воронежского ГАСУ

в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлениям «Строительство», «Наземные транспортно-технологические комплексы», «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей»

Воронеж 2013

УДК 621.791

ББК 34.64

Б791

Рецензенты:

кафедра «Технология сварки и покрытий»

Липецкого государственного технического университета;

В.Ф. Лукьянов, д.т.н., проф., директор ООО «Головной орган по сертификации сварочного производства Южного региона»

Б791	Болдырев, А.М. Источники питания сварочной дуги : учеб. пособие / А.М. Болдырев, А.С. Орлов, Е.Г. Рубцова, А.С. Померанцев; под общ. ред. А.М. Болдырева; Воронежский ГАСУ. – Воронеж, 2013. ‑ 113 с.

ISBN 678-5-89040-461-9

В пособии приведены сведения о свойствах сварочной дуги, рассмотрены вопросы устойчивости ее горения в системе «источник питания – сварочная дуга». Сформулированы требования к источникам питания дуги при различных способах дуговой сварки. Рассмотрены принципы получения необходимых вольт-амперных характеристик источников питания, способы регулирования режимов сварки, принципиальные схемы сварочных трансформаторов, выпрямителей и сварочных генераторов. Дан краткий анализ тенденций развития теоретических вопросов и производства источников питания сварочной дуги.

Материал, изложенный в настоящем издании, полезен при выборе источников питания для выполнения сварочных работ при изготовлении и сооружении объектов различного назначения, а также при эксплуатации источников.

Пособие предназначено для студентов и аспирантов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Строительство». Оно может быть использовано также специалистами сварочного производства в практической деятельности и при подготовке к аттестации на II, III и IV уровни профессиональной подготовки.

Ил. 69. Табл. 1. Библиограф: 13 назв.

УДК 621.791

ББК 34.64

ISBN 678-5-89040-461-9  Болдырев А.М., Орлов А.С.,

Рубцова Е.Г., Померанцев А.С.

 Воронежский ГАСУ, 2013

ВВЕДЕНИЕ

Электродуговая сварка является одним из ведущих технологических процессов при изготовлении изделий машиностроения и металлических конструкций различного назначения.

Источник питания, сварочная дуга и сварочная ванна составляют единую систему, от стабильности и устойчивости работы которой зависит качество, а следовательно, и надежность сварных соединений. Для специалиста, работающего в сфере производства продукции с применением электродуговой сварки, необходимо иметь представление о работе этой системы, о факторах, влияющих на стабильность и устойчивость ее работы, и оборудовании, обеспечивающем процесс сварки. Настоящее пособие призвано в минимальном объеме дать такие сведения.

В пособии приведены сведения о свойствах сварочной дуги, рассмотрены вопросы устойчивости ее горения в системе «источник питания – сварочная дуга». Сформулированы требования к источникам питания дуги при различных способах дуговой сварки. Рассмотрены принципы получения необходимых вольтамперных характеристик источников питания, способы регулирования режимов сварки, принципиальные схемы сварочных трансформаторов, выпрямителей и сварочных генераторов. Дан краткий анализ тенденций развития теоретических вопросов и производства источников питания сварочной дуги.

Материал, изложенный в настоящем издании, полезен при выборе источников питания для выполнения сварочных работ при изготовлении и сооружении объектов различного назначения, а также при эксплуатации источников.

Пособие предназначено для студентов и аспирантов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям «Строительство», «Наземные транспортно-технологические комплексы», «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей». Оно может быть использовано также специалистами сварочного производства в практической деятельности и при подготовке к аттестации на II, III и IV уровни профессиональной подготовки.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ

Сварка относится к числу прогрессивных и непрерывно развивающихся технологий. Электродуговая сварка, с помощью которой выполняется более 90 % сварных соединений, является русским изобретением. Благодаря труду и таланту русских инженеров Н.Н. Бенардоса и Н.Г. Славянова Россия открыла миру одно из замечательных созидающих средств – электродуговую сварку металлов. Многие выдающиеся достижения научно-технической мысли XX века, такие как атомная энергетика, реактивная авиация, ракетная техника, космические полеты человека и космическая связь, трубопроводный транспорт и другие, смогли быть реализованы лишь благодаря применению неразъемных соединений, выполненных электродуговой сваркой.

Открыл и впервые в 1803 г. описал явление электрического разряда (электрическую дугу) профессор Санкт-Петербургской медико-хирургической академии, член-корреспондент Петровской академии наук (с 1809 г. – академик) Василий Владимирович Петров. Английский физик Дэви опубликовал свои исследования по электрической дуге спустя 9 лет, в 1812 году. Одновременно с открытием явления электрической дуги Василий Владимирович указал на возможность ее применения для расплавления металла. Академик Павел Николаевич Яблочков применил электрическую дугу для освещения. В 1849 г. с помощью созданных им электродуговых ламп освещался Невский проспект и прилегающие к нему улицы в Петербурге, а в конце 70-х годов XIX века во всех столицах Европы горели такие лампы, которые называли «свеча Яблочкова», «русский свет», «русское солнце».

В 1882 году Николай Николаевич Бенардос (1842 – 1905 гг.) – автор более 100 изобретений – запатентовал в России, Франции, Бельгии, Великобритании, Италии, Германии, Швеции, Норвегии, Дании, Испании, Швейцарии, Австро-Венгрии и США «Способ соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока». По современной терминологии это был способ электродуговой сварки и резки металлов неплавящимся электродом. При этом способе, как записано в патенте, «…Вольтова дуга образуется в месте, где должна быть произведена одна из вышеупомянутых работ (сварка, резка, наплавка), приближением угля (или другого проводящего вещества) к обрабатываемой части, причем этот уголь будет положительным или отрицательным полюсом, а другим полюсом будет обрабатываемая часть».

Через 9 лет, в августе 1891 года, горный инженер, начальник Пермских пушечных заводов Николай Гаврилович Славянов (1854 – 1897 гг.)^) получил привилегию на «Способ и аппараты для электрической отливки металлов который «…характеризуется существенно тем, что одним или обоими электродами служат стержни из самого материала…, а также совокупностью устройств, употребляемых при сем способе регуляторов». Таким образом, Н.Г. Славянов создал способ электродуговой сварки плавящимся электродом. Николай Гаврилович получил патенты на свой способ сварки в России, Франции, Великобритании, Германии, Австро-Венгрии, Бельгии, сделал заявки на изобретение в США, Италии и Швеции.

Свои изобретения по «электрической отливке металлов» Н.Г. Славянов демонстрировал в 1893 г. в Петербурге на IV электрической выставке, где получил высшую награду – медаль и почетный диплом. В 1893 г. на Всемирной выставке в Чикаго (США) за изобретение дуговой сварки плавящимся электродом ему была присуждена золотая медаль. Николай Гаврилович неустанно стремился к внедрению своих изобретений в практическое производство. К этому его обязывало также условие, на котором выдается привилегия на изобретение. Согласно Уставу Департамента торговли и мануфактур «… изобретение должно быть приведено в полное действие не позже как в продолжение четверти срочного времени, на которое выдана привилегия, в противном случае право его прекращается.» Только в течение 2-х лет (а привилегия была выдана на 10 лет) в 1890-1892 гг. на Пермских пушечных заводах под руководством Н.Г. Славянова было отремонтировано с помощью электродуговой сварки 1631 изделие.

В настоящее время соединение металлических изделий по методу Н.Н. Бенардоса называется сваркой неплавящимся электродом, а по методу Н.Г. Славянова – сваркой плавящимся электродом.

Сварка по методу Н.Н. Бенардоса применяется в усовершенствованном виде в среде инертных газов (аргоне или гелии) с неплавящимся вольфрамовым электродом (аргонодуговая сварка). Этот способ сварки используется в авиации, ракетостроении и автомобильном производстве при соединении тонкостенных деталей из легированных сталей (нержавеющих, жаропрочных, кислотостойких и др.), а также из алюминиевых, титановых, магниевых и др. сплавов. В строительстве соединение металлических элементов производится по методу Н.Г. Славянова с помощью электродуговой сварки плавящимся электродом.

Широкое применение дуговой сварки с момента ее изобретения сдерживалось отсутствием мощных специальных источников тока для питания сварочной дуги. Не было и теоретических представлений о требованиях, предъявляемых к таким источникам. Обычно для сварки приспосабливали источники постоянного тока общего назначения. Так, Н.Н. Бенардос для питания сварочной дуги использовал мощную батарею свинцово-кислотных аккумуляторов^*). Н.Г. Славянов в 1888 г. разработал и построил генератор постоянного тока, с помощью которого было выполнено большое количество сварочных и литейных работ. При этом было установлено, что включение в сварочную цепь последовательно с дугой дополнительного сопротивления (балластный реостат) существенно повышает стабильность горения дуги.

В 1903 году американский инженер Розенберг изобрел генератор постоянного тока специальной конструкции для питания сварочной дуги. В это же время в США, Англии и Германии были проведены большие работы по изучению свойств электрической дуги, ее устойчивости, установлены основные требования к источникам питания.

Питание дуги постоянным током обеспечивало более стабильное ее горение и, следовательно, более высокое качество сварного соединения. Поэтому на Западе при электродуговой сварке, как правило, применяли сварочные генераторы постоянного тока. А источники переменного тока использовали только при сварке неответственных узлов.

В годы первых пятилеток в связи с индустриализацией нашей страны электродуговая сварка стала широко применяться в строительстве, машиностроении и других отраслях народного хозяйства. Сварочные генераторы постоянного тока, закупаемые за границей, хотя и обладали хорошими сварочными свойствами, но по сравнению со сварочными трансформаторами - источниками переменного тока - были намного дороже. В связи с этим советские ученые сосредоточили свое внимание на изучении процесса сварки дугой переменного тока. Было исследовано влияние дополнительного активного и индуктивного сопротивлений в сварочной цепи на стабильность горения дуги, сформулированы требования, предъявляемые к сварочным трансформаторам, разработаны специальные электродные покрытия, повышающие устойчивость горения дуги на переменном токе. Советские ученые первыми доказали, что при правильно выбранном оборудовании и электродах можно получить сварные соединения, выполненные дугой переменного тока, не уступающие по качеству соединениям на постоянном токе.

Первый отечественный сварочный трансформатор был спроектирован под руководством профессора (в будущем академика АН СССР) Московского механико-машиностроительного института им. Н.Э. Баумана (ныне МГТУ им. Н.Э. Баумана) Василия Петровича Никитина. В 1924 г. на Петербургском заводе «Электрик» начали выпускать созданный под руководством В.П. Никитина первый отечественный сварочный генератор СМ-1, а затем в 30-х годах и сварочный трансформатор СТН в комбинации с реактивной катушкой. В начале 40-х годов прошлого века с появлением автоматической сварки под флюсом в СССР были разработаны и изготовлены мощные сварочные трансформаторы с дистанционным управлением. В 50-е годы в СССР под руководством профессора Константина Васильевича Любавского был разработан новый способ сварки сталей в углекислом газе. Для питания дуги при сварке этим способом были разработаны источники постоянного тока с жесткими характеристиками и улучшенными динамическими свойствами.

Успехи в развитии полупроводниковой техники позволили перейти в начале 50-х годов к выпуску сварочных выпрямителей взамен генераторов.

Последние годы характеризуются существенным усложнением электрических схем источников и широким внедрением устройств автоматики, позволяющих снизить материалоемкость источников и обеспечивающих их универсальность, стабилизацию режима, программное и дистанционное управление, защиту от перегрузок.

В настоящее время в производстве источников наметились существенные изменения. Прекращен выпуск преобразователей, но в большом количестве производятся агрегаты с двигателями внутреннего сгорания для производства сварочных работ в полевых условиях (монтажные работы, сооружение нефте- и газопроводов и т.п.). В сфере производства уменьшается доля сварочных трансформаторов, хотя они находят спрос в строительстве и в быту. Увеличивается доля универсальных выпрямителей и инверторных источников. Традиционным направлением совершенствования источников является снижение затрат при их изготовлении и эксплуатации, что достигается использованием более совершенных материалов (применение трансформаторной стали малой толщины, мощных циклоустойчивых вентилей, стойкой кремнийорганической изоляции и др.). Непрерывно ведется работа по совершенствованию технологических характеристик источников (улучшение возбуждения дуги, уменьшение разбрызгивания электродного металла, управление переносом электродного металла и формированием шва).

Источник питания входит в состав любой установки для дуговой сварки на постоянном или переменном токе как при непрерывной, так и при импульсной подаче энергии. В зависимости от вида энергии и характера ее преобразования различают следующие типы источников питания.

Трансформатор – источник переменного тока, понижает переменное напряжение сети до необходимого при сварке.

Выпрямитель преобразует энергию сетевого переменного тока в энергию постоянного сварочного тока.

Генератор преобразует механическую энергию вращения его вала в электрическую энергию постоянного сварочного тока.

Преобразователь является комбинацией трехфазного асинхронного двигателя переменного тока и сварочного генератора. Асинхронный двигатель вращает ротор генератора, преобразуя сетевую электроэнергию в энергию постоянного тока.

Агрегат – это комбинация двигателя внутреннего сгорания и сидящего с ним на одном валу сварочного генератора постоянного тока. В агрегате химическая энергия сгорания жидкого топлива преобразуется в электрическую.

Глава 1

СВОЙСТВА СВАРОЧНОЙ ДУГИ И ТРЕБОВАНИЯ,

Предъявляемые к источникам питания

1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДУГИ И ИСТОЧНИКА

1. Процессы, протекающие в сварочной дуге

Сварочная дуга (рис. 1.1) является источником тепла и представляет собой один из видов устойчивого электрического разряда через газовый промежуток, состоящий из смеси нейтральных атомов, электронов и ионов. В дуге электрическая энергия преобразуется в тепловую в небольшом объеме, что позволяет обеспечить весьма концентрированный ввод тепла в свариваемое изделие. Из применяемых в настоящее время источников сварочного тепла по плотности энергии, выделяемой в пятне нагрева, электрическая дуга занимает третье место (после лазерного и электронного лучей). При этом максимальная плотность энергии в пятне нагрева дугой достигает 10⁶ Вт/см² при минимальной площади нагрева 10^-4 см², а температура столба дуги может изменяться от 5000-8000 К (свободногорящая дуга) до 50000 К (сжатая дуга).

Рис. 1.1. Модель сварочной дуги и распределение потенциала

по ее длине

В процессе горения дуги электрический ток протекает через газовый промежуток между двумя электродами, присоединенными к источнику питания. Электрод, соединенный с отрицательным полюсом источника, называется катодом, а электрод, соединенный с положительным полюсом, – анодом. Под действием напряжения источника, приложенного к электродам, электроны и отрицательно заряженные ионы перемещаются к аноду, а положительно заряженные ионы – к катоду. Электрическое поле между анодом и катодом распределено неравномерно и состоит из трех областей: катодной, анодной и столба дуги (см. рис. 1.1).

Количество тепловой энергии и температура в этих областях не одинакова. Наибольшее тепловыделение происходит в столбе дуги, и температура в нем максимальна. В приэлектродных областях температура постепенно снижается до температуры кипения материала электродов. Процессы образования заряженных частиц и их переноса в приэлектродных областях существенно отличаются от таковых в столбе дуги.

Катодная область. Здесь под действием высокой температуры и электрического поля протекает процесс эмиссии (выхода электронов) с поверхности катода в газовый промежуток (термо- и автоэлектронная эмиссия). Для выхода электрона из катода в газовый промежуток требуется затратить энергию U_вых, величина которой зависит от строения атомов материала катода. Для металлов работа выхода электрона U_вых колеблется от 2 до 5 эВ. Электроны, преодолевшие энергетический барьер приповерхностной зоны, ускоряются электрическим полем и движутся в направлении столба дуги. При столкновении с нейтральными атомами они отдают свою кинетическую энергию, выбивая новые электроны и обеспечивая ионизацию и нагрев газа в столбе дуги:

, (1.1)

где е – отрицательно заряженная частица – электрон;

А^о и А⁺ ‑ нейтральный атом и положительно заряженный ион.

Положительно заряженные частицы движутся в сторону катода. В результате электронной эмиссии в катодной области создается высокая концентрация электронов. Протяженность катодной области l_k очень мала (порядка 10^-4 – 10^-3 мм), а величина падения напряжения U_k в этой области находится в пределах 5-20 эВ. Следовательно, градиент напряжения (напряженность электрического поля) в катодной области очень велик:

Анодная область. В анодной области электроны е и отрицательно заряженные ионы А^-, вырвавшись из столба дуги, движутся в сторону анода и достигнув его поверхности, отдают свою избыточную энергию.

Протяженность анодной области сопоставима с длиной свободного пробега электрона при атмосферном давлении и составляет около 10^-3 мм. В общем случае в зависимости от материала анода и типа ионизирующих присадок в газовом промежутке U_а  2-10 В. Градиент напряжений в анодной области Е_к  10³ В/мм, то есть на 1-2 порядка ниже, чем в катодной области.

Столб дуги. Эта часть дуги расположена между катодной и анодной областью. Длина столба дуги (l_ст) и падение напряжения на этом участке (U_ст) зависят от режимов сварки и состава газовой среды и находятся в следующих пределах: l_ст = 1-30 мм, U_ст = 5-15 В, а градиент напряжений в столбе дуги колеблется в пределах 1-15 В/мм, то есть в тысячу и десятки тысяч раз меньше, чем в анодной и катодной областях соответственно.

Заряженные частицы поступают в столб дуги в основном из катодной и анодной областей, а также образуются за счет термической ионизации нейтральных частиц. В нагретом газе возрастает скорость движения, а следовательно, и кинетическая энергия нейтральных частиц и при их столкновении образуются заряженные частицы:

(1.2)

Образование заряженных частиц по реакции (1.2) в результате термической ионизации в столбе дуги играет второстепенную роль. Например, степень ионизации паров железа в сварочной дуге не превышает 4 %, то есть в столбе дуги основную роль играет электронная составляющая, ток в дуге осуществляется в основном за счет электронов.

Тепловой баланс дуги. Заряженные частицы, получившие энергию в процессе эмиссии электронов и ионизации нейтральных частиц, при достижении поверхности анода и катода выделяют избыточную энергию в виде тепла. Исследования распределения количества теплоты, выделяемой на аноде и катоде, показали, что на аноде тепла выделяется в 1,5 – 8 раз больше, чем на катоде (рис. 1.2).

Поэтому при сварке плавящимся электродом на постоянном токе для увеличения скорости плавления электродной проволоки используют обратную полярность (плюс на электроде). При сварке вольфрамовым неплавящимся электродом для предотвращения его перегрева и ускоренного износа применяют прямую полярность (минус на электроде).

При аргонодуговой сварке неплавящимся электродом алюминия и его сплавов очистка зоны сварки от тугоплавкой пленки Al₂O₃ осуществляется путем ее катодного распыления в процессе горения дуги на обратной полярности. Поэтому для сохранения вольфрамового электрода от перегрева в этом случае, дуга питается от специального источника переменного тока. В момент горения дуги на обратной полярности происходит чистка зоны сварки от оксидной пленки, а в полупериод прямой полярности температура вольфрамового электрода понижается, электрод «отдыхает» (см. раздел 5.2.2).

Рис. 1.2. Распределение теплоты между анодом и катодом

в вольфрамовых дугах в зависимости от величины тока I_д