Сварочные трансформаторы - наиболее простые и надежные в эксплуатации аппараты. Известны десятки разнообразных конструк­ций сварочных трансформаторов с падающими и относительно жес­ткими характеристиками.

На рис. 3.6 приведена принципиальная схема трансформатора боль­шой мощности с дросселем на одном сердечнике (тип СТН - транс­форматоры с повышенным магнитным рассеиванием). Дроссель обес­печивает необходимый сдвиг тока и напряжения по фазе, создает возможность получения падающей характеристики и ее регулиров­ки с помощью подвижной части сердечника дросселя (рис. 3.6, а). Схема (рис. 3.6, б) обеспечивает эту регулировку за счет перемеще­ния подвижной обмотки. Режимы работы трансформатора с дроссе­лем определяются следующим образом (рис. 3.7).

a - однокорпусной трансформатор реакторного типа с нормальным магнитным
рассеиванием (с подвижным участком сердечника):

6- трансформатор с повышенным магнитным рассеиванием
(с подвижными обмотками)

Рис. 3.7. Внешние характеристики трансформатора, определяющие режимы его работы

 

1. Холостой ход источника:

где U.2 - напряжение на вторичной обмотке трансформатора.

2. Рабочий режим:

/>(); Uu =U2+U

где Uu, U - падение напряжения на сварочном посту и дросселе соот­ветственно.

Падение напряжения на дросселе определяется геометрической суммой

Гф = //?лр+^л|,

где R - активное сопротивление дросселя, Ом;

X = 2nfL — индуктивное сопротивление дросселя, Ом; f - частота переменного тока, Гц;

L - коэффициент самоиндукции дросселя:

где W - число витков дросселя; Rи - магнитное сопротивление сер­дечника дросселя; а - коэффициент магнитного рассеивания.

Отсюда следует, что с увеличением силы тока уменьшается на­пряжение на посту, что дает падающую внешнюю характеристику.

3. Режим короткого замыкания:

и»=и2-1/лр«°.

Отсюда при коротком замыкании

и ток короткого замыкания

Анализ этого выражения показывает, что ток короткого замы­кания можно регулировать двумя путями: изменением количества витков дросселя или изменением магнитного сопротивления его сердечника (W и R соответственно). Конструктивно проще регу­лировать /?ц. Оно регулируется изменением зазора путем переме­щения подвижной части сердечника. Как это видно из рис. 3.6, а, магнитное сопротивление сердечника изменяется с изменением зазора а магнитопровода сердечника. Существуют и другие схемы изменения Ru. Например, путем регулирования подмагничивания

сердечника установкой на нем дополнительной катушки, питае­мой внешним источником постоянного тока (дросселем насыще­ния). Здесь уменьшение Ra достигается уменьшением значений по­стоянного тока в дополнительной обмотке подмагничивания и создаваемого ею постоянного магнитного потока. Положительны­ми сторонами такого варианта является отсутствие подвижных ча­стей и простота дистанционного управления внешней характерис­тикой.

Заметное распространение получили трансформаторы с развитым магнитным рассеиванием. Здесь падающая характеристика создается благодаря увеличенному и регулируемому по величине индуктивно­му сопротивлению трансформатора. Это трансформаторы либо с под­вижными обмотками (см. рис. 3.6, б), либо с подмагничиванием сер­дечника. У первых регулируется расстояние между первичной и вторичной обмотками (с увеличением расстояния увеличивается магнитный поток рассеивания, и напряжение на вторичной обмотке падает). У второго типа магнитное рассеивание достигается путем на­сыщения магнитопровода постоянным магнитным потоком от дополни­тельной обмотки. Изменением тока в этой обмотке изменяется фор­ма внешней характеристики.

Современная промышленность выпускает широкую номенклату­ру различных марок трансформаторов для дуговой сварки. Они пред­назначены для сварки, резки и наплавки на переменном токе сталь­ных металлоконструкций покрытыми штучными электродами в различных условиях.

К малогабаритным можно отнести трансформаторы марок ТДМ-121 (/в = 40...140 А); ТДМ-169 (7.в = 80...170 А) и т. д. К более мощным трансформаторам относятся ТДМ-300 (7св = 80...320 А); ТДМ-504 (7 в = 90...500 А) и др.

Для автоматической сварки под флюсом применяются трансфор­маторы с тиристорным регулированием с жесткими (пологопадаю­щими) внешними характеристиками. Примерами могут служить ТДФЖ-1002 (7св = 300...1200 А) и ТДФЖ-2002 (7в = 600...2200 А).

ЗА ИСТОЧНИКИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Источники постоянного тока можно классифицировать, с одной стороны, как электромашинные преобразователи и выпрямители, а с

другой - как однопостовые и многопостовые (нмп могут быть и ма­шинные преобразователи, п выпрямители).

Однопостовые электромашинные преобразователи с падающей характеристикой представляют собой агрегат, состоящий из однопо­стового сварочного генератора на одном валу с приводным электро­двигателем, смонтированными в одном корпусе. Электрическая схе­ма такого преобразователя с независимой обмоткой возбуждения приведена на рис. 3.8.

Здесь обмотка независимого возбуждения и последовательная (сериесная) обмотка включены так, что образуемые ими магнитные потоки Фм и Ф направлены друг против друга. Так как величина Ф в процессе сварки постоянна, а величина Ф пропорциональна сварно­му току (в определенных пределах зависящему от длины дуги), то индуцируемая в якоре генератора электродвижущая сила Е возбуж­дается суммарным потоком:

£ = С(Фм-Ф1.) = ^-(/м1Г,-«)

2Л.

где

“ - магнитный поток в воздушном зазоре, создаваемый

независимом оомоткои возоуждения;

последовательной обмоткой возбуждения;

1/?ц - магнитное сопротивление магнптопрово/ш генератора (по­люсов, якоря, воздушного зазора, корпуса), А/В6; /м - сила тока независимой обмотки, А; XV - число витков обмотки независимо­го возбудителя; /п - сила сварочного тока, А; \ - число витков пос л е д о ват е л ь н о й о б м о т к и.

Постоянная С зависит от ряда факторов:

где Р - число пар полюсов; п - число оборотов в минуту; N - число активных проводников в якоре; а - число параллельных ветвей в об­мотке якоря.

Режим работы генератора определяется следующими зависимос­тями.

1. Холостой ход:

где Rn - внутреннее сопротивление генератора (якоря, последователь­ной обмотки, переходного сопротивления щеток и т. д.).

3.

Режим короткого замыкания:

При коротком замыкании резко возрастает поток Ф., что значи­тельно уменьшает результирующий поток; ЭДС, индуцируемая в яко­ре, резко падает и практически вся расходуется на падение напряже­ния во внутренней цепи - напряжение на зажимах генератора приближается к нулю, и это ограничивает ток короткого замыкания величиной

Из этого выражения можно заключить, что величину силы тока короткого замыкания, а значит, и величину сварочного тока рабочего режима можно регулировать следующими способами:

• силой тока в обмотке независимого возбуждения (посредством реостата /?н);

• числом витков в обмотке независимого возбуждения;

• числом витков в последовательной обмотке.

Наиболее простым способом является регулировка силы тока в обмотке независимого возбуждения с помощью реостата Rt (см. рис. 3.8). Большее распространение получили генераторы с самовоз­буждением, у которых независимая обмотка подключена к главной через дополнительную щетку якоря генератора (ПС-500). Выпускают­ся также сварочные генераторы с развитой реакцией якоря, за счет этого создается падающая характеристика (ПС-300, ПС-300М).

Если включить обмотки генератора так, чтобы их магнитные пото­ки были направлены в одну сторону, то это обеспечит жесткую или возрастающую ВАХ (ПСГ-350, ПСГ-500, ГД-2001, ГД-4004, ГД-5001 и т. д.). Существуют универсальные преобразователи, которые предус­матривают возможность изменения витков последовательной обмот­ки и согласное включение обеих обмоток, что обеспечивает переход от падающей характеристики различной крутизны к жесткой (ПСУ-500), возможны и другие варианты (ПСУ-300). Электромашинные преобразователи обеспечивают стабильное горение сварочной дуги, но требуют тщательного ухода во время эксплуатации (притирка ще­ток, смазка подшипников).

В последнее десятилетие постепенно выпуск электромашинных пре­образователей значительно сократился и им на смену пришли свароч -

ныв выпрямители. Исключением являются работающие в полевых ус­ловиях и состоящие из двигателя внутреннего сгорания и сидящего на его валу генератора. Выпрямитель состоит обычно из одно - или трех­фазного (рис. 3.9) трансформатора (I), устройства для регулирования тока и внешней характеристики - дросселя (II) и блока полупроводни­ковых выпрямителей - вентилей (III). У выпрямителя с трехфазным трансформатором в каждую шестую часть периода включаются пооче­редные пары вентилей (1 и 5, 2 и 4, 3 и 6 и т. д.), в результате чего на выходе получается пульсирующий постоянный ток (300 Гц). Для полу­чения падающей характеристики и ее регулирования служат индуктив­ные сопротивления - дроссели (II).

Рис. 3.9. ІІріпщиниалмімс схемы трехфазпого огарочного ін>шрямите;ія

И выпрямители, и машинные преобразователи могут быть и много- постовыми (т. е. служить для питания нескольких дуг). В этом случае на выходе источник тока имеет жесткую ВАХ (рис. 3.10, /).

Для создания падающей характеристики на посту 2 в цепь, по­следовательно с дугой, включается балластный реостат (активное омическое сопротивление Rr). Ом же служит для регулировки силы тока на данном сварочном посту. Примером многопостового элект - ромашпнного преобразователя служит ГД У 02502 (снят с производ­ства), многопостового выпрямителя ВДМ-3001 и ВДМ-1201. Из со­временных однопостовых сварочных выпрямителей распространены универсальные тиристорные выпрямители ВДУ-505, ВДУ-506, ВДУ-1202, ВДУ-306.

В последнее время получили распространение инверторные ис­точники питания с преобразованием частоты. В них регулировка мощности производится изменением частоты и регулировкой ем­кости рабочих конденсаторов. Такие источники имеют малые га­бариты и массу. Величина сварочного тока, получаемого от таких источников, достигает 500 А, что вполне достаточно для наиболее распространенных способов дуговой сварки. Подобный источник - INVERTEC V-4001, предназначенный для дуговой сварки штуч­ными и неплавящимися электродами с возможностью создания режимов импульсной сварки на токах до 400 А (выпускает завод «Электрик»).

Современные источники питания зарубежных фирм в доста­точной мере универсальны, способны легко регулировать режимы сварки и настраиваться на любые характеристики. В современных универсальных источниках питания предусмотрены схемы, обес­печивающие питание дуги при сварке плавящимися и неплавящи­мися электродами импульсным током. В этом случае процесс свар­ки происходит при непрерывно горящей маломощной дуге (дежурной) и периодически зажигающейся импульсами тока мощ­ной дуге.

Для обеспеченного первоначального и повторного зажигания дуги (например, при сварке вольфрамовым электродом, плазменной свар­ке и резке и т. д.) применяют искровые осцилляторы и импульсные генераторы, использующие накопительные емкости, которые заряжа­ются от специального зарядного устройства и разряжаются в момент повторного возбуждения дуги.

Сравнительные технико-экономические характеристики различ­ных типов источников приведены в табл. 3.1.

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СВАРОЧНЫХ ГОЛОВОК ДЛЯ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ СПОСОБОВ СВАРКИ

Любая разновидность процесса дуговой сварки связана с после­довательным выполнением ряда операций: зажигания дуги; подачи в зону сварки электрода (проволоки, присадки), защитного газа, флюса; стабильного поддержания заданных режимом параметров (тока, напряжения); перемещения дуги вдоль свариваемых кромок с заданной скоростью; заварки кратера при прекращении процесса сварки. При ручной сварке все эти операции выполняются рабо - чим-сварщиком, при автоматической сварке все операции выпол­няет автомат, при полуавтоматической сварке дугу вдоль шва пере­двигает сварщик.

6 Заказ № 1398

Остальные операции выполняются автоматически. Автомат (или полуавтомат) входит в состав сварочной установки, а в состав любого автомата (полуавтомата) входит в качестве основного узла свароч­ная головка, осуществляющая подачу электродной проволоки в зону горения дуги. Для стабильного процесса сварки в этом случае необ­ходимо соблюдение условия

V =г,

11.11 11.1

где Г11п - скорость подачи электродной проволоки; гм - скорость ее плавления.

Скорость плавления, по И. Я. Рабиновичу, приближенно опреде­ляется как где ki T - коэффициент саморегулирования дуги по току, см/с А; kvn - коэффициент саморегулирования дуги по напряжению, см/с-В.

В настоящее время все механизированные установки для сварки (включая роботизированные системы) оснащаются двумя типами головок для подачи электродной проволоки:

1) система, основанная на саморегулировании дуги - с постоян­ной скоростью подачи проволоки rui= const (предложена В. И. Дятловым в 1942 г.);

2) система, основанная на принудительном регулировании ско­рости подачи электродной проволоки по изменению напряже­ния на дуге r[u^f(U).

Сварочные головки, работающие по принципу регулируемой ско­рости подачи проволоки, имеют двигатель постоянного тока и сис­тему обратной связи, заключающуюся в том, что при изменении длины дуги (а значит и напряжения на дуге) увеличиваются (или уменьшаются) обороты якоря двигателя, увеличивая (или умень­шая) скорость подачи проволоки, приводя ее в соответствие с кри­терием стабильности процесса (г’пf(==?,II,)- Принципиальная упрощен­ная электрическая схема такой головки приведена на рис. 3.11, а. Двигатель М, вращающий через редуктор ролики подающего меха­низма, своей обмоткой возбуждения подключен к независимому источнику питания, а его якорь подключен параллельно дуге (при питании переменным током через выпрямитель). При заданном ре­жиме сварки двигатель обеспечивает постоянную равномерную ско­рость подачи проволоки в зону сварки. При случайном увеличении

длины дуги возрастет напряжение на якоре двигателя, увеличатся его обороты и увеличится скорость подачи проволоки, доведя дли­ну дуги до заданной. Обратный процесс происходит при случайном уменьшении длины дуги. Для настройки нужного режима по скоро­сти подачи служит реостат; с его помощью изменяют величину на­пряжения на якоре двигателя, число его оборотов и скорость пода­чи проволоки.

трансформатор Рис. З. ІІ. Принципиальная схема головки: а - с подачей электродной проволоки в зависимости от напряжения на дуге; 6-е постоянной подачей электродной проволоки (принцип саморегулирования):

1 - источник питания; 2 - механизм, подающий проволоку; 3 - свариваемое изделие;
4 - выпрямительный блок; 5 - реостат регулировки напряжения на якоре
двигателя (числа оборотов двигателя)

Собственно схема работы головки повторяет порядок операций, про­изводимых при ручной сварке. Однако такой принцип построения голов­ки приводит, например, к тому, что автомат должен иметь два двигателя: один для подачи проволоки, другой для привода каретки.

Второй тип головок - с постоянной скоростью подачи (рис. 3.11, б) - возник после открытия явления саморегулирования дуги. Электро­двигатель М имеет независимое питание якоря, а намагничиваю­щая обмотка питается отдельно с регулируемым напряжением, что позволяет регулировать скорость подачи проволоки при установле­нии режима в довольно широких пределах. В промышленности широко распространен тип головок, приводимых в действие асин­хронным двигателем переменного тока. Установление нужной для данного режима скорости подачи производится сменой пар шестере­нок в редукторе. Здесь один и тот же двигатель может служить двум целям: для подачи проволоки в зону дуги и для передвижения карет­ки автомата вдоль свариваемого стыка. В выбранном режиме про­волока подается в зону дуги с постоянной скоростью, и колебания длины дуги не изменяют число оборотов двигателя.

Стабильный режим сварки обеспечивается за счет явления само­регулирования дуги. Путем саморегулирования, при гм1 = const, уда­ется сохранить заданные изначально параметры режима сварки, обес­печив критерий стабильности процесса (г,,( = г(|). Само явление заключается в том, что при случайных нарушениях длины дуги в свя­зи с изменением силы сварочного тока / н и напряжения на дуге [/ самопроизвольно изменяется и скорость плавления проволоки гм. Каждой фиксированной скорости подачи электродной проволоки со­ответствует свой режим горения дуги, при котором скорость подачи равна скорости плавления.

Качественно механизм саморегулирования можно представить следующим образом. Даже при небольшом изменении длины дуги меняются режим плавления электрода и две вышеназванные скорос­ти. В результате длина дугового промежутка восстанавливается. Ско­рость этого восстановления

Сі. и ^ П. І.

ct

где /ч - длина дуги.

Если режим сварки задан параметрами /п{ и (/„, что соответствует точке стабильного горения дуги А{) в точке пересечения ВАХ ((/ =/(/)) и статической ВАХ дуги (/ /(/, / ), то этому режиму соответствует скорость плавления электродной проволоки (7п (рис. 3.12).

г.

Рис. 3.12. Заїжсммость изменения огарочного тока и напряжения на дуге при колебании длины дуги и неизменной ВАХ источника

Предположим, что по какой-то причине длина дуги изменилась (например, случайный подъем сварщиком головки полуавтомата). При этом статическая ВАХ дуги, соответствуя новой увеличенной длине дуги, эквидистанно займет новое положение с точкой пересе­чения Л] (см. рис. 3.12). Видно, что при переходе точки устойчивого равновесия А{) в точку А, (Iх > I) происходит уменьшение сварочно­го тока (/ < /,( ) и увеличение напряжения дуги ([/, > U()). Такое

изменение тока и напряжения приводит к уменьшению количества выделяемой в дуге теплоты и, как следствие, уменьшению скорости плавления электродной проволоки (см. зависимость г>|м от парамет­ров режима). Здесь замедление скорости плавления при rin =const приводит к восстановлению первоначально заданной длины дуги

и параметров режима / и и U{). Если по какой-то случайной

причине режим устойчивого горения переместится в точку А„ то наступит увеличение сварочного тока (/ > / ( ) и уменьшение на­

пряжения на дуге (U, < U{)), увеличится количество выделяемой в дуге теплоты и, как следствие этого, возрастет скорость плавления

электродной проволоки (г —г ), что восстановит заданную длину

"■'2 "'()

(с! л Л

дуги > ® и первоначально установленные параметры режима свар­

ки /и и V().

Этот краткий качественный анализ показывает, что процесс са­морегулирования происходит тем энергичнее, чем больше меняется величина сварочного тока при отклонении длины дуги на одну и ту же величину, что характерно для более пологих внешних характе­ристик источника питания. Отсюда следует вывод о том, что голов­ки, построенные по первому принципу (принудительного регулиро­вания), хорошо работают с источником, имеющим крутопадающие внешние характеристики, головки с постоянной скоростью подачи - с пологопадающими и жесткими ВАХ.

Система саморегулирования весьма надежна при высоких плот­ностях тока (проволока диаметром 1,0...3,0 мм) и при колебаниях напряжения в питающей сети до 8%. Определенным недостатком этой системы является нарушение ее действия при различных возму­щениях (резкое изменение длины дуги из-за неровности изделия, изменение вылета электрода, резкие колебания напряжения в питаю­щей сети и др.). Система с принудительным регулированием скорос­ти подачи рациональна при относительно небольших плотностях тока (диаметр электродной проволоки 4,0...6,0 мм в диапазоне токов 400...700 А). Поэтому головки системы с саморегулированием целе­сообразно использовать при автоматической и полуавтоматической сварке под флюсом и в С02 при малых диаметрах проволок 1,0...2,0 мм и в роботизированных комплексах, а систему с принудительным регулированием - в автоматах для сварки под флюсом при диаметре электродной проволоки 4,0 мм и выше.