В настоящее время основной объем работ при дуговой сварке вы­полняется на переменном сварочном токе. Переменный ток используется при ручной сварке штучными электродами, при автоматической сварке под флюсом и при аргонодуговой сварке легких сплавов.

Источники переменного сварочного тока — самые массовые источ­ники питания дуговой сварки. Основным узлом источников перемен­ного тока является специальный, как правило, однофазный сварочный трансформатор. По этому основному узлу источники переменного тока часто называют просто сварочными трансформаторами.

Имеющиеся в литературе сведения о современных источниках переменного сварочного тока явно недостаточны для их изучения, проектирования и эксплуатации. Так, рассмотренные в монографии И. Я. Рабиновича [27] устройства уже устарели. В книге Б. Е. Патона и В. К. Лебедева [22] изложены только отдельные вопросы теории и расчетов трансформаторов с механическим регулированием. В работе

О. Н. Братковой [9] источникам переменного тока уделено незначи­тельное внимание.

Авторы настоящей брошюры ставили целью на основе обобщения опубликованных материалов и результатов исследований, проведенных авторами во Всесоюзном научно-исследовательским, проектно-конструк­торском и технологическом институте электросварочного оборудования (ВНИИЭСО), систематизировать сведения о трансформаторах и спе­циализированных установках переменного тока для различных способов дуговой сварки.

Книга знакомит читателя с особенностями горения дуги перемен­ного тока и с требованиями к источникам сварочного тока. Описан принцип действия, рассмотрены электрические схемы и элементы расчета трансформаторов с механическим и электрическим регулированием.

Показана идентичность принципов тиристорного и магнитного фазового регулирования, приведены сведения о разработанных системах управления тиристорных трансформаторов, тепловом расчете тиристоров при сварочных нагрузках.

Отдельные главы посвящены рассмотрению вспомогательных уст­ройств (возбудители и стабилизаторы горения дуги, устройства огра­ничения напряжения холостого хода и др.), описанию конструкций и технических характеристик источников, выпускаемых промышлен­ностью, краткому освещению вопросов эксплуатации и техники безопас­ности.

Замечания и пожелания по книге просьба направлять по адресу: 191065, Ленинград, Марсово поле, 1, Ленинградское отделение Энерго - атомиэдата.

Авторы

1.1. ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Дуга переменного тока находит применение при трех способах дуговой сварки: ручной сварке штучными электродами, автоматической сварке под слоем флюса, ручной и автоматической сварке легких спла­вов вольфрамовым электродом в среде инертных газов.

Несмотря на широкое развитие механизированных способов сварки, ручная сварка штучными электродами остается наиболее распростра­ненным видом дуговой сварки в промышленности, строительстве и на монтаже. К преимуществам ее следует отнести большую технологи­ческую гибкость, возможность сварки в труднодоступных местах и в различных пространственных положениях, простоту, дешевизну и надежность оборудования. К недостаткам - сравнительно низкую производительность и значительные потери на угар и разбрызгивание. Борьба с этими недостатками ведется путем совершенствования свойств электродов и улучшения сварочных показателей источников тока.

Основной объем работ выполняется электродами диаметром 2—6 мм на токах до 400 А. Сварка ведется практически во всепогодных усло­виях.

Автоматическая сварка под слоем флюса нашла самое широкое применение при изготовлении различного рода резервуаров, труб боль­шого диаметра, изделий из листовой и профильной стали. Флюс способ­ствует получению чистого и плотного металла шва, без пор и включений, с ровной внешней поверхностью, с плавным переходом к основному металлу и высокими механическими свойствами сварного соединения; потери на угар и разбрызгивание при сварке практически отсутствуют. Для процесса характерны высокие коэффициенты наплавки (в 2—3 раза выше, чем при ручной сварке) и большие сварочные токи.

Наряду с однодуговым процессом широкое распространение полу­чили двух - и трехдуговые процессы, когда сварочные дуги расположены с некоторым сдвигом вдоль линии шва и плавление электродных про­волок производится в одну общую сварочную ванну. Скорость сварки при однодуговом процессе достигает 60 м/ч, при двух - и трехдуговом соответственно 140 и 200 м/ч.

Для однодуговой сварки применяются сварочные автоматы трак­торного типа и подвесные сварочные головки. Автомат для многоэлек­тродной сварки содержит обычно две или три одноэлектродные сва-

рочные головки. Почти все универсальные и специализированные сварочные автоматы выполняются с постоянной, независимой от напря­жения дуги скоростью подачи электродной проволоки.

Сварка вольфрамовым электродом в защитной среде инертного газа является основным способом соединения алюминия и его сплавов. В большинстве случаев газовая защита осуществляется аргоном, по­этому сварку часто называют аргонодуговой сваркой. Реже используется смесь аргона с гелием, позволяющая повысить проплавляющую способ­ность дуги и улучшить формирование шва при больших скоростях сварки. Применение переменного тока позволяет сочетать разрушение — катодное распыление — оксидной пленки алюминия в полупериоды обратной полярности дуги, когда вольфрам является анодом, с преиму­щественным разогревом и проплавлением сварного соединения в полу - период прямой полярности (изделие — анод).

Процесс аргонодуговой сварки протекает без брызг и обеспечивает гладкие ровные швы е хорошим проплавлением кромок. Легкость и мобильность горелок позволяют выполнять сварку в труднодоступных местах и в любых пространственных положениях в ручном и автомати­ческом режимах.

Сварка может выполняться в режиме непрерывных и пульсирующих токов (импульсные режимы). При сварке пульсирующим током металл плавится во время импульса и кристаллизуется в течение паузы. В ре­зультате шов представляет собой серию частично перекрываемых точек. Сварка пульсирующим током обеспечивает лучшую стабильность про­плавления в различных пространственных положениях. Снижение теп­лового потока в моменты пауз позволяет уменьшить перегрев и дефор­мацию сварного соединения.

При питании сварочной дуги переменным током полярность элек­тродов и условия существования дугового разряда периодически изме­няются. В конце каждого полупериода сварочного тока дуга гаснет, температура и электропроводимость дугового промежутка снижаются. Повторное зажигание дуги в новом полупериоде возможно только при повышенном относительно напряжения горения дуги напряжении, называемом напряжением повторного зажигания U3. Напряжение зажи­гания зависит от множества факторов, и в частности от теплофизических свойств материала и геометрии электродов, от наличия в дуговом про­межутке паров легкоионизируемых элементов, от длины дуги и значения сварочного тока.

В полупериоды прямой полярности дуги, когда катодом является электрод (плюс на изделии), пики напряжения повторного зажигания обычно невелики. В полупериоды обратной полярности пики напряжения повторного зажигания могут превосходить нормальное напряжение горения дуги в несколько раз. Особенно большие пики напряжения зажигания имеют место при аргонодуговой сварке легких сплавов при формировании катода на изделии.

На устойчивость и скорость повторного зажигания дуги существен­ное влияние оказывают параметры источников питания. К ним прежде

Рис. I. I. Кривые сварочного тока, напряжения дуги и зависимость е0 = /(е3)

всего относятся напряжение холостого хода, скорость его восстановле­ния после обрыва тока дуги, форма кривой сварочного тока, фазовый сдвиг между напряжением холостого хода источника и током дуги.

На рис. 1.1, а представлены типичные кривые тока и напряжения дуги при питании от стандартного сварочного трансформатора. Кривая Mjo = V2^2oSin ajt характеризует напряжение трансформатора при холостом ходе. При нагрузке в связи с наличием в сварочной цепи реактивного сопротивления сварочный ток /2 отстает от напряжения м20 на угол ip. Если формирование разряда при повторном возбуждении дуги задержалось, т. е. электрическая цепь разорвалась, напряжение на дуговом промежутке мд стремится повыситься до значения, соответ­ствующего текущему значению напряжения холостого хода иго- Благо­даря сдвигу фаз это напряжение в момент обрыва дуги близко к своему амплитудному значению, что благоприятно сказывается на повторном зажигании дуги.

Очевидно, что повышение напряжения на дуговом промежутке во время повторного зажигания дуги способствует повышению устой­чивости ее горения.

Обеспечить повышение напряжения на дуговом промежутке проще всего, увеличивая напряжение холостого хода трансформатора. Однако такой путь невыгоден, так как приводит к увеличению массы и габа­ритов источника, снижению его КПД и коэффициента мощности. Воз­растает опасность поражения персонала электрическим током. Поэтому при проектировании источников необходимо выбирать минимальное соотношение между напряжением холостого хода и напряжением дуги е0 = Uw/Ua, обеспечивающее стабильное горение дуги переменного тока. Очевидно, что это соотношение в первую очередь зависит от крат­ности пика напряжения повторного зажигания е3 = UJUa.

Зависимость е0 от е3 представлена на рис. 1.1,6. Как следует из приведенной зависимости [22], для значений е3 = 1,5 ... 3,0, что имеет место при обычных условиях сварки сталей, значение е0 должно быть

принято е0 > 1,8 ... 2,5. Представленная зависимость получена в пред­положении чисто индуктивного характера сварочной цепи: хсъ1Ясъ однако она вполне правомочна и для реальных сварочных цепей, где *св/Ясв > 5,0.

Отметим, что даже при отсутствии пиков повторного зажигания (е3 = 1) отношение напряжения холостого хода к напряжению дуги для обеспечения устойчивого горения дуги и возможности ее некоторого удлинения при сварке должно быть не ниже 1,57 (е0 > 1,57).

Экономичным и эффективным путем повышения устойчивости горения дуги является кратковременное увеличение напряжения на дуговом промежутке — только на время повторного возбуждения дуги с помощью специальных устройств — импульсных стабилизаторов горения дуги. Энергия импульса в стабилизаторах напряжения накапли­вается в емкостном накопителе и инжектируется в цепь дуги через тиристорное разрядно-синхронизирующее устройство.

Импульсные стабилизаторы уже многие годы находят применение при аргонодуговой сварке легких сплавов и являются неотъемлемой частью оборудования для этого процесса сварки. При этом процессе сварки без стабилизаторов пики напряжения повторного зажигания достигают 200- 250 В. Повышение напряжения холостого хода источ­ников до таких значений неприемлемо по экономическим соображениям и недопустимо по условиям безопасности.

При других процессах сварки стабилизаторы горения дуги широкого распространения не получили. Однако установлено, что при сварке штучными электродами применение стабилизаторов позволяет несколь­ко снизить напряжение холостого хода источников питания, применять при сварке на переменном токе качественные электроды, предназна­ченные для сварки на постоянном токе.

В последние годы импульсная стабилизация начала применяться в источниках с тиристорным прерывистым регулированием, где роль синхронизирующего и разрядного устройства выполняют тиристоры силовой схемы.

Известно, что скорость нарастания напряжения на дуговом про­межутке при обрыве сварочного тока в предыдущем полупериоде опре­деляется его проводимостью. При этом происходит своеобразное само­регулирование процесса повторного зажигания: чем быстрее уменьша­ется проводимость, тем больше скорость нарастания напряжения.

При полном разрыве сварочной цепи напряжение на электродах должно мгновенно увеличиться до текущего значения напряжения холостого хода трансформатора: Um sin р = fl U2o sin <p.

Однако в реальных сварочных трансформаторах вследствие демп­фирующего действия вихревых токов, возникающих в магнитопроводе и конструктивных элементах трансформатора, процесс нарастания напряжения происходит в два этапа: сначала мгновенно до значения Um sin v? - AU и далее по экспоненте (рис. 1.2, а). Величина AU и время затухания t3 определяются параметрами контуров вихревых токов.

Скорость нарастания напряжения, измеренная непосредственно на дуговом промежутке во время сварки, не может характеризовать динамические свойства сварочных трансформаторов, так как на нее существенно влияет остаточная проводимость дугового промежутка. Поэтому сравнение динамических свойств предложено [19] проводить на физической модели. Первичная обмотка исследуемого сварочного трансформатора замыкается накоротко, а вторичная обмотка через переключатель полярности и тиристор подключается к предварительно заряженному конденсатору. Кривая разрядного тока /р представляет собой полуволну синусоиды (рис. 1.2,6). Под действием разрядного тока создается поле рассеяния, которое наводит вихревые токи в эле­ментах конструкции трансформатора. В конце полупериода разряда вследствие односторонней проводимости тиристора происходит обрыв тока и создаются условия, свойственные сварочной цепи в начале каж­дого полупериода сварки. Спад напряжения и2 на вторичной обмотке происходит сначала скачком, а потом по закону экспоненты.

Соотношение AU и время /3 характеризуют динамические свойства сварочных трансформаторов; очевидно, чем больше эти величины, тем хуже динамические свойства.

На рис. 1.2, в, г приведены типичные осциллограммы рассматри­ваемого процесса, снятые на двухлучевом импульсном осциллографе с калиброванной длительностью развертки. Ввиду того что для оценки динамических свойств источников необходим только конечный участок кривой м2 с момента обрыва разрядного тока, этот участок осциллогра - фировался при больших скоростях развертки (рис. 1.2, г).

Средние показатели динамических свойств для современных сва­рочных источников: ДUIUm = 0,2 .. . 0,3; t3 = 100 ... 140 мкс.

Устойчивость процесса сварки на переменном токе существенно зависит от формы кривой сварочного тока. При искажении формы

кривой тока относительно синусо­идальной, с замедлением его прохож­дения через нулевые значения, наблю­дается снижение стабильности горения дуги. При улучшении формы тока до синусоидальной и далее до трапе­цеидальной и прямоугольной устойчи­вость горения дуги возрастает.

Это явление полностью согла­суется с современными представ­лениями о физических процессах, происходящих при повторном воз­буждении открытых дуг перемен­ного тока. Как известно, основным механизмом развития открытой дуги в начале каждого полупериода переменного тока является разогрев дугового газа после некоторого его охлаждения при смене полярности. Все меры, способствующие ускорению нагрева газа после перехода тока через нуль, направлены на повышение стабильности дуг.

На рис. 1.3 представлены осциллограммы мощности ра и напряже­ния дуги ид при аргонодуговой сварке от источника с прямоугольной (а) и синусоидальной (б) формой тока. Более равномерное распреде­ление мощности дуги в источнике с прямоугольной формой тока со­провождается снижением пика напряжения повторного зажигания. Надежное повторное зажигание дуги в источниках с прерывистым ти­ристорным регулированием практически невозможно без использования импульсных стабилизаторов горения дуги.