Глава 3 сварочные выпрямители

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРОЧНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЯХ

В настоящее время, наряду с источниками переменного тока (сварочными трансформаторами), при дуговой сварке все более широкое применение находят источники постоянного тока – сварочные выпрямители. Это вызвано многими преимуществами питания дуги постоянным током, главное из которых – высокая стабильность ее горения, особенно при сварке на малых токах, а также при ручной сварке электродами с основным покрытием и при сварке в углекислом газе.

Сварка на малом токе характерна при соединении элементов малой толщины. Она во избежание прожогов осуществляется маломощной дугой, когда концентрация заряженных частиц и объем столба дуги невелики. Поэтому при смене полярности температура столба дуги быстро снижается, интенсивно протекает процесс нейтрализации заряженных частиц (деионизация) и повторное зажигание дуги весьма затруднительно. При питании дуги постоянным током смены полярности не происходит, поэтому дуга горит устойчиво даже при малых токах.

При ручной сварке электродами с основным покрытием (например, УОНИ-13) стабильность горения дуги на переменном токе значительно ниже, чем при сварке электродами с кислым (железорудным) или рутиловым (на основе TiO₂) покрытием. Это связано с тем, что при сварке сталей, содержащих легирующие элементы (Cr, Ti, Ni и др.), необходима более надежная защита от окружающей среды сварочной ванны и остывающего металла шва от окружающего воздуха. Поэтому в состав электродной обмазки в этом случае для улучшения шлаковой защиты и рафинирования металла шва, наряду с раскислителями, вводят фтористый кальций (CaF₂). Фтор, атомы которого имеют недостроенную внешнюю электронную оболочку, активно поглощают в столбе дуги электроны, образуя тяжелые малоподвижные отрицательно заряженные ионы фтора:

Уменьшение концентрации электронов в столбе дуги, в основном осуществляющих перенос электричества в дуге, снижает стабильность ее горения. И при смене полярности повторное зажигание дуги затруднительно, поэтому сварку электродами, содержащими в обмазке фтористые соединения, рекомендуется выполнять на постоянном токе.

Для повышения стабильности дуги в электродную обмазку вводят ионизирующие вещества, содержащие элементы с низким потенциалом ионизации – K, Na, Ca и другие. При сварке в углекислом газе голой проволокой в столбе дуги ионизирующих элементов нет, поэтому стабильность горения дуги в этом случае ниже, чем при ручной сварке обмазанными электродами. В связи с этим сварку в углекислом газе осуществляют на постоянном токе обратной полярности.

С освоением промышленностью выпуска мощных и недорогих полупроводниковых вентилей (диодов, тиристоров и транзисторов) малоэкономичные и материалоемкие электромашинные генераторы вытесняются сварочными выпрямителями, которые имеют ряд преимуществ перед генераторами.

Преимущества сварочных выпрямителей перед электромашинными генераторами:

отсутствие вращающихся частей в силовой электросети, это обеспечивает снижение уровня шума в рабочей зоне сварщика. Хотя в сварочных выпрямителях для охлаждения полупроводниковых вентилей и применяются электровентиляторы, их мощность невелика и уровень шума от них несравним с шумом сварочного генератора;
малая материалоемкость;
лучшие динамические характеристики, что благотворно отражается на стабильности горения дуги и качестве сварного соединения. При случайных перерывах в горении дуги (короткое замыкание, резкое увеличение длины дуги и др.) для сокращения времени перерыва необходимо, чтобы время переходного периода, т.е. время стабилизации напряжения и тока в дуге при повторном зажигании, было минимальным. При питании дуги от сварочного генератора это время t₂ в 2-3 раза больше t₁, чем при питании от выпрямителя (рис. 3.1);
малая инерционность сварочной цепи выпрямителя обеспечивает возможность питания дуги не только в непрерывном, но и в импульсном режимах: это преимущество сварочных выпрямителей позволяет управлять переносом электродного материала через дугу (импульсно-дуговая сварка) или объемом расплава в сварочной ванне (сварка пульсирующей дугой) (рис. 3.2).

При импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом на непрерывно горящую дугу с заданной частотой накладываются кратковременные импульсы тока (рис. 3.2, а). Это позволяет обеспечить мелкокапельный перенос электродного металла и уменьшить его разбрызгивание. Кроме того, импульс тока создает силовой осевой импульс, который гарантирует перенос капли от электрода к изделию, что весьма важно при сварке в вертикальном и потолочном положениях.

Рис. 3.1. Осциллограммы напряжения (а) и тока (б) при питании дуги

сварочным выпрямителем (1) и генератором постоянного тока (2):

t₁ и t₂ - время стабилизации горения дуги

При сварке пульсирующей дугой применяются более длительные импульсы (рис. 3.2, б), что позволяет управлять формированием шва. За время импульса образуется сварочная ванна, размеры которой можно регулировать величиной амплитуды тока в импульсе (I_св) и временем импульса (t_св). За счет изменения соотношения времени импульса (t_св) и паузы (t_п) можно менять и размеры шва, и скорость кристаллизации сварочной ванны. Пульсирующая дуга позволяет сваривать тонкий металл без прожогов, и при выполнении вертикальных и потолочных швов четкое дозирование энергии предотвращает стекание сварочной ванны; надежная стабилизация режимов сварки при колебаниях напряжения в сети; возможность дистанционного управления и программирования режимов сварки.