Статьи о радиотехнике, технологиях, чертежах, 3D-моделировании

Публикации для людей, интересующихся наукой и техникой

Ручная дуговая сварка

Сложные конструкции, как правило, получают в результате объединения между собой отдельных элементов (деталей, агрегатов, узлов). Такие объединения могут выполняться с помощью разъемных или неразъемных соединений.

В соответствии с ГОСТ 2601-74 сварка определяется как процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого. Неразъемные соединения, выполненные с помощью сварки, называют сварными соединениями. Больше всего с помощью сварки соединяют детали из металлов. Однако сварные соединения применяют и для деталей из неметаллов-пластмасс, керамик или их сочетаний.

Для получения сварных соединений не требуется применения каких- либо специальных соединительных элементов (заклепок, накладок). Образование неразъемного соединения в них обеспечивается за счет проявления действия внутренних сил системы. При этом происходит образование связей между атомами металла соединяемых деталей. Для сварных соединений характерно возникновение металлической связи, обусловленной взаимодействием ионов и обобществленных электронов.

Преимущества сварных соединений:

  • возможность получения герметичных соединений, способных работать в различных средах;
  • высокая прочность соединения;
  • отсутствие ослабления сечений деталей отверстиями;
  • сравнительно низкая трудоемкость выполнения. Трудоемкость получения сварных соединений часто ниже трудоемкости винтовых и заклепочных соединений;
  • широкая возможность автоматизации работ.

Сущность сварки покрытым электродом

Дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые вручную подают в дугу и перемещают вдоль свариваемой заготовки. Электроды представляют собой проволочные стержни (близкие по химическому составу к свариваемому металлу) с нанесенными на них покрытиями. Покрытия электродов предназначены для обеспечения стабильного горения дуги, защиты расплавленного металла от воздействия внешней среды и получения сварного шва, заданного свойств. В процессе сварки (рис. 1) дуга 8 горит между стержнем электрода 7 и свариваемым металлом 1. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в сварочную ванну 9. Вместе со стержнем плавится и покрытие электрода 6, образуя защитную газовую атмосферу 5 вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну 4 на поверхности расплавленного металла. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает и формируется сварной шов 3. Жидкий шлак после затвердевания образует шлаковую корку 2, которая после окончания сварки зачищается.

Схема процесса сварки металлическим электродом с покрытием

Рис. 1. Схема процесса сварки металлическим электродом с покрытием

При дуговой сварке электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию, которая концентрированно вводится в свариваемые заготовки и оплавляет их в месте соединения.

Электродом для дуговой сварки называют стержень, предназначенный для подвода тока к сварочной дуге. Для ручной дуговой сварки применяют электроды (рис. 2), состоящие из металлического стержня и нанесенного на него покрытия.

Плавящийся электрод для ручной дуговой сварки представляет собой стержень из сварочной проволоки, на который нанесено электродное покрытие (обмазка).

Промышленность выпускает большое число марок сварочной проволоки диаметром от 1,6 до 12 мм для изготовления электродов. Длина электродов составляет 150...450 мм. Наиболее часто используют электроды длиной 350, 400 и 450 мм и диаметром 3,4 и 5 мм. Металл электрода и элементы электродного покрытия участвуют в формировании сварного шва.

Электрод для ручной дуговой сварки

Рис. 2. Электрод для ручной дуговой сварки:

1 – стержень; 2 – участок перехода; 3 – марка электрода; 4 – покрытие

Электродное покрытие:

  • обеспечивает устойчивое горение дуги;
  • восстанавливает окисляющийся в процессе сварки металл;
  • легирует сварной шов необходимыми элементами;
  • защищает зону сварки от попадания кислорода, водорода и азота из окружающего воздуха;
  • образует шлаковый покров на поверхности сварного шва, уменьшая тем самым скорость охлаждения и затвердевания металла шва.

Для обеспечения высоких эксплуатационных характеристик сварного соединения необходимо, чтобы химический состав сварного шва был близок к химическому составу материала свариваемых конструкций.

Для сварки материалов определенного химического состава рекомендуется подобрать электроды с необходимым содержанием соответствующих легирующих элементов в сварочной проволоке.

Условное обозначение марки проволоки состоит из индекса Св – т.е. сварочная и следующих за ним цифр, показывающих содержание углерода в сотых долях процента и буквенных обозначений элементов, входящих в состав проволоки. Буква А в конце обозначения указывает на повышенную чистоту металла по содержанию серы и фосфора.

Например, Св-08ХМ для сварки конструкционных сталей содержит 0,08% углерода и менее 1% хрома и молибдена.

Св-04Х19Н11М3 для сварки жаропрочных и коррозионностойких сталей содержит 0,04% углерода, 19% хрома, 11% никеля и 3% молибдена.

В состав покрытия входят:

  • стабилизирующие вещества;
  • раскисляющие и легирующие материалы;
  • газообразующие материалы;
  • шлакообразующие вещества;
  • связующие и цементирующие вещества.

Эти компоненты обеспечивают функции покрытия при его расплавлении в процессе сварки.

Стабилизирующие вещества предназначены для устойчивого горения дуги. К ним относятся соединения щелочных и щелочноземельных металлов калия, натрия, кальция и др.

Раскисляющие материалы применяют для восстановления окисленного в процессе сварки металла. Кроме того, эти же ферросплавы служат легирующими материалами и увеличивают содержание марганца, титана и других элементов в металле шва.

Газообразующие материалы (мрамор, магнезит, крахмал, древесная мука) образуют защитный газ, защищающий зону сварки от попадания кислорода, водорода и азота из окружающего воздуха.

Шлакообразующие вещества (полевой шпат, кремнезем, магнезит, мрамор) образуют шлаковый покров на поверхности расплавленного металла шва. Шлак уменьшает скорость охлаждения и затвердевания металла шва, способствует выходу из него газовых и оксидных включений. После остывания сварного соединения необходимо счистить с него шлаковую корку.

Связующие и цементирующие вещества (калиевое жидкое стекло K2О·SiO2, натриевое жидкое стекло Na2O·SiO2) связывают все компоненты покрытия.

Электродное покрытие смесь материалов, связанных жидким стеклом. Его наносят на сварочную проволоку. На один из концов куска покрытие не наносят. Он служит для закрепления электродов при их сушке, а при сварке для помещения в электрододержателе.

Стальные электроды для дуговой сварки классифицируют в соответствии с ГОСТ 9466-75 и ГОСТ 9467-75.

Назначение электродных покрытий

Покрытие наносят на стержень окунанием. Оно состоит из минералов (в основном используют марганцевые и железные руды, мрамор, кварц), а также органических веществ (крахмал, целлюлоза и др.) и специальных ферросплавов.

Электродное покрытие (обмазка) включает в себя ряд компонентов и обеспечивает:

  • стабильное горение дуги за счет присутствия в обмазке соединений щелочных и щелочноземельных металлов с низким потенциалом ионизации (Na2CO3, К2СО3, СаСО3, NaF, т.е. поташ, мел, мрамор, полевой шпат);
  • защиту металла сварочной ванны от взаимодействия с кислородом и азотом воздухом за счет:
  • создание газовой атмосферы, оттесняющей воздух. К газообразующим веществам относятся органические вещества (крахмал, целлюлоза). Под действием тепла дуги газообразующие вещества сгорают, создавая собственную газовую атмосферу, которая защищает сварочную ванну от газов воздуха;
  • образование шлака на поверхностях сварочной ванны и капель металла. К шлакообразующим компонентам относятся: марганцевая руда, рутил (TiO2), плавиковый шпат (CaF2), мрамор (CaC03) и др. Шлак — это минеральные вещества, которые расплавляются под действием тепла дуги, обволакивают каплю расплавленного электродного металла и вместе с ней попадают в сварочную ванну. Имея удельный вес меньший, чем у расплавленного металла, шлакообразующие вещества всплывают на поверхность расплава, обеспечивают защиту сварочной ванны от кислорода воздуха и замедляют ее охлаждение. Это способствует удалению газов из расплавленного металла, уменьшает вероятность образования закалочных структур в шве и околошовной зоне при сварке сталей с повышенным содержанием углерода.
  • раскисление металла сварочной ванны путем введения химических элементов более активных к кислороду, чем железо. В качестве раскислителя в обмазку вводят ферромарганец, ферросилиций, алюминий и др. Раскисление проходит по следующим формулам:

2FeO + Si = SiО2 + 2Fe

FeO + Mn = MnO + Fe

Образующиеся при этом нерастворимые окислы всплывают на поверхность сварочной ванны и уходят в шлак.

  • легирование металла шва за счет введения в покрытие легирующих компонентов – ферросплавов или чистых металлов, которые при сварке переходят в металл шва, изменяя его физических или химических свойств. Легирующие компоненты вводятся в состав покрытия для восполнения выгоревших в процессе нагрева легирующих элементов основного металла.

Для связывания компонентов обмазки между собой и со стержнем электрода используются связующие вещества. Одним из вариантов связующих веществ является натриевое жидкое стекло Na2O(SiO2)n.

Классификация электродов

Классификация электродов происходит по ГОСТ 9466-75.

По назначению:

  • У – углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с σв≤600 МПа;
  • Л – легированных конструкционных сталей с σв≤600 Мпа;
  • Т – легированных теплоустойчивых сталей;
  • В – высоколегированных сталей с особыми свойствами.
  • По толщине покрытия в зависимости от отношения D/dэ (D – диаметр покрытия, dэ – диаметр электрода, определяемый диаметром стержня) электроды подразделяют:
  • М – с тонким (D/dэ≤1,20);
  • С – со средним (D/dэ = 1,20 -1,45);
  • Д – с толстым (D/dэ =1,45 -1,80);
  • Г – с особо толстым (D/dэ > 1,80) покрытием.
  • В зависимости от покрытия:
  • А (кислое покрытие); Б (основное покрытие); Ц (целлюлозное); Р (рутиловое); П (покрытия прочих видов).
  • При покрытии смешанного вида используют соответствующее двойное обозначение. При наличии в покрытии железного порошка в количестве >20 % к обозначению вида покрытия добавляется буква Ж.

По допустимым пространственным положениям сварочные электроды подразделяют на группы:

  • для всех положений;
  • для всех положений, кроме сварки вертикальной «сверху вниз»;
  • для нижнего, горизонтального на вертикальной плоскости и вертикального «снизу-вверх»;
  • для нижнего и нижнего «в лодочку».
  • Электроды также классифицируются по роду и полярности применяемого тока сварки Iсв, а также по номинальному напряжению Uх.х используемого источника питания сварочной дуги.

Сварочная проволока

Для сварки металлов применяется холоднотянутая проволока диаметром от 0,3 мм до 12 мм из низкоуглеродистой, легированной и высоколегированной сталей. Для ручной дуговой сварки покрытыми электродами применяется проволока диаметром от 1,6 до 6,0 мм.

Стандартом ГОСТ 9467-75 установлено 75 марок сварочной проволоки различного химического состава. Выпускается шесть марок низкоуглеродистой проволоки (Св-08, Св-08А, Св-08АА, Св-08ГА, Св-10ГА, Св-10Г2), 30 марок легированной проволоки (Св-08ГС, Св-08Г2С, Св-12ГС, Св- 15ГСТЮЦА и др.) и 39 марок высоколегированной проволоки (Св-12Х13, Св-12Х11НМФ и др.).

Буквы и цифры в написании марок проволоки, например, Св-08ГА означают: Св – сварочная; 08-0,08% углерода; далее следует маркировка химического состава сплава с условными обозначениями легирующих добавок (марганец – Г, кремний – С), процентное содержание обозначается цифровым индексом; в конце маркировки ставится буква А – означающая пониженное или АА – еще более низкое содержание серы и фосфора.

Сварочная дуга и источники сварочного тока

Источником тепла при дуговой сварке является электрическая дуга (эд), которая характеризуется высокой концентрацией выделяемого тепла, и которая горит между электродом и заготовкой. ЭД представляет собой один из видов электрических разрядов в газах, при котором наблюдается прохождение электрического тока через газовый промежуток под воздействием электрического поля. ЭД, используемую для сварки металлов, называют сварочной дугой. Сварочная дуга характеризуется большой плотностью тока в газовом промежутке (столбе дуги) – сотни А/см2 и на электродах (тысячи А/см2), а также высокой температурой газа в проводящем канале (тысячи градусов).

Она является частью электрической сварочной цепи, и на ней происходит падение напряжения. При сварке на постоянном токе электрод, подсоединенный к положительному полюсу источника питания дуги, называют анодом, а к отрицательному – катодом. Если сварка ведется на переменном токе, каждый из электродов является попеременно то анодом, то катодом. Промежуток между электродами называют областью дугового разряда или дуговым промежутком. Длину дугового промежутка называют длиной дуги.

В дуге, наблюдается неравномерное распределение потенциала электрического поля в межэлектродном пространстве (рис. 3). Рассматривая электрическую дугу, различают следующие три области – анодную, катодную, столб дуги, находящийся в состоянии плазмы. Напряжение на дуге суммируется из падения напряжения на ее отдельных участках

UД= UК+ UСТ+Ua,

где UK, Ua и UCT – падение напряжения на катодном, анодном участках и в столбе дуги соответственно.

Строение и свойства электрической дуги

Рис. 3. Строение и свойства электрической дуги

Катодная область включает в себя нагретую поверхность катода (катодное пятно), и часть дугового промежутка, примыкающую к ней. Длина катодной области составляет 10-5 см, но она характеризуется повышенной напряженностью и протекающими в ней процессами получения электронов, являющимися необходимым условием для существования дугового разряда. Температура катодного пятна для металлических электродов достигает 2400-2700℃. На нем выделяется до 38% общей теплоты дуги. Главным физическим процессом в этой области является электронная эмиссия и разгон электронов. Падение напряжения в катодной области составляет порядка 17 В. Анодная область состоит из анодного пятна на поверхности анода и части дугового промежутка, примыкающего к нему. Длина анодной зоны значительно больше катодной (~10-3 см), так как падение напряжения в анодной зоне не зависит от материала электродов.

Ток в анодной области определяется потоком электронов, идущих из столба дуги. Анодное пятно является местом входа и нейтрализации свободных электронов в материале анода. Оно имеет примерно такую же температуру, как и катодное пятно, но в результате бомбардировки электронами на нем выделяется больше теплоты, чем на катоде. Анодная область характеризуется повышенной напряженностью. Падение напряжения в ней составляет порядка 2-11 В.

В обычных условиях при низких температурах газы состоят из нейтральных атомов и молекул и не обладают электрической проводимостью. Прохождение электрического тока через газ возможно только при наличии в нем заряженных частиц - электронов и ионов.

Процесс образования заряженных частиц газа называют ионизацией, а сам газ – ионизованным. Возникновение заряженных частиц в дуговом промежутке обусловливается эмиссией (испусканием) электронов с поверхности отрицательного электрода (катода) и ионизацией находящихся в промежутке газов и паров. Ионизация газов происходит под влиянием внешних воздействий: сильного нагревания (плазмотрон), высокочастотного электромагнитного излучения (сварка неплавящимся электродом) или при бомбардировке атомов (молекул) газов быстрыми электронами (дуговая сварка). Для ионизации атома (молекулы) необходимо совершить работу ионизации против сил взаимодействия между вырываемым электроном и остальной частью атома (молекулы). Возбудить дугу можно кратковременным касанием изделия 2 сварочным электродом 1 (рис. 4а), подключенными к источнику питания. В момент короткого замыкания (рис. 4а) по цепи протекает электрический ток, который нагревает торец электрода. Нагрев конца электрода 1 (катода) и металла изделия 2 при коротком замыкании сопровождается образованием легко ионизирующихся паров металла и компонентов покрытия электрода. После отвода электрода от места контакта, с поверхности разогретого катода 1 происходит, отрыв электронов 3, которые обладают кинетической энергией, достаточной для перехода через границу «твердое тело - газ». Этот процесс называется - термоэлектронной эмиссией (рис. 4б).

Схема процесса зажигания дуги

Рис. 4. Схема процесса зажигания дуги

Под действием электрического поля – разности потенциалов, которая создается источником питания между электродами, электроны устремляются к изделию 2 (аноду). Скорость электронов достигает 1,5-2 км/с, то есть они обладают достаточной кинетической энергией, чтобы при столкновении с нейтральным атомом произвести его ионизацию 4 (рис. 4б). В результате такого неупругого столкновения вместо одной заряженной частицы получаются три заряженные частицы, которые движутся в электрическом поле (рис. 5). Процесс ионизации приобретает лавинообразный характер, что и обеспечивает возбуждение дуги при разведении электродов после их соприкосновения. Для обеспечения устойчивого горения сварочной дуги необходимо, чтобы положительные ионы также успевали набрать энергию, достаточную для поддержания рабочей температуры поверхности катода при соударении ионов с катодом.

Процесс ионизации дугового промежутка

Рис. 5. Процесс ионизации дугового промежутка

Электрическая дуга – источник теплоты с очень высокой температурой. Температура столба (рис. 4в) дуги 6 при прямой полярности подключения достигает 6000℃, а температура катодного 5 и анодного 7 пятен электродов достигает соответственно 2400℃ и 3000℃.

Основной характеристикой сварочной дуги является зависимость напряжения на дуге (Uд) от силы тока (Iд) и от длины дуги (L). Эту зависимость Uд=f (Iд, L) называют статической вольт амперной характеристикой дуги (рис. 6). Характеристика состоит из трех участков: I, II, III, у каждого из которых есть своя особенность. Так при увеличении тока до 100А (участок I) соответственно возрастает количество ионов и электронов в дуговом промежутке, при этом его проводимость увеличивается, а, следовательно, напряжение на дуге уменьшается (падающая характеристика). При токе в 100А наступает полная ионизация дугового промежутка. Если же продолжать увеличивать ток до 1000А, то происходит увеличение площади поперечного сечения дуги (пропорционально увеличению тока) и поэтому напряжение на дуге практически постоянно (участок II, жесткая характеристика). При дальнейшем увеличении тока (участок III) площадь поперечного сечения дуги изменяется мало, дуговой промежуток ионизирован полностью и его проводимость остается величиной постоянной, а значит и напряжение на дуге увеличивается (возрастающая характеристика).

Статистическая вольт-амперная характеристика дуги

Рис. 6. Статистическая вольт-амперная характеристика дуги

Источники питания могут иметь либо крутопадающую характеристику (рис. 7), либо пологопадающую.

Вольт-амперные характеристики дуг различной длины

Рис. 7. Вольт-амперные характеристики дуг различной длины и внешние характеристики источников питания с крутопадающей и пологопадающей характеристиками

Из рисунка видно, что внешняя характеристика источника тока при ручной дуговой сварке должна быть крутопадающей. В этом случае небольшое изменение длины дуги не вызывает существенного изменения значения сварочного тока, и дуга горит устойчиво.

При крутопадающей характеристике упрощается зажигание дуги за счет повышенного напряжения холостого хода и ограничивается ток короткого замыкания. В случае пологопадающей характеристики изменение длины приводит к более значительному изменению силы тока и нестабильности дуги.

Стали и их свариваемость

В сварных конструкциях автомобилей, строительных и дорожных машин распространено использование конструкционных сталей. Стали обладают различной свариваемостью. Под термином «свариваемость металлов» обычно понимают комплекс свойств свариваемого металла, обеспечивающих хорошую прочность и работоспособность сварного соединения в условиях эксплуатации.

В ходе сварки ряд сортаментов стали склонны к образованию трещин в шве. Появление этих трещин обуславливается главным образом химическим составом и внутренней микроструктурой стали. Из основных химических элементов, входящих в состав сталей, в большей степени влияние на образование трещин оказывает углерод. С увеличением содержания углерода в стали более 0,3% повышается самозакаливаемость переходной зоны основного металла, и сталь становится более хрупкой. Поэтому в сварных конструкциях используют стали с содержанием углерода не более 0,3%.

Легирующие компоненты, вводимые в сталь, к примеру молибден - 0,2...0,8%, ванадий - 0,1...0,3% и другие, наряду с улучшением механических свойств стали, повышают ее свариваемость. Вредные примеси – сера и фосфор, а также оксидные включения и растворенные газы (водород, кислород и азот), ухудшают свариваемость стали.

На образование трещин влияет не только химический состав, и структура стали, но также тип конструкции и характер соединения ее узлов.

Цифра в обозначении качественной низкоуглеродистой конструкционной стали показывает содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 10 содержит 0,10% углерода.

В табл. 1 приведены условные обозначения легирующих элементов в марках сталей и марках сварочных проволок. В обозначении легированных сталей, например, 09Г2Д цифры 09 показывают содержание углерода в сотых долях процента – 0,09% С. Буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент: Г – марганец; Д – медь. Цифра после буквы указывает содержание легирующего элемента в целых процентах. Отсутствие цифры указывает на содержание элемента порядка 1%.

Таблица 1. Условные обозначения легирующих элементов в марках сталей и марках сварочных проволок

Условные обозначения легирующих элементов в марках сталей и марках сварочных проволок

Опираясь на опыт применения сварки в промышленности разрешают оценить с некоторым приближением каждую марку стали с точки зрения свариваемости как весьма высокую, высокую, удовлетворительную и низкую.

Требования к источникам питания для ручной дуговой сварки

К источникам тока для ручной дуговой сварки предъявляются следующие требования:

  • Напряжение холостого хода должно быть в 3 раза выше напряжения дуги для облегчения зажигания дуги. При этом оно должно быть безопасным для сварщика и не должно превышать 80В для источников питания переменного тока и 90В – постоянного тока.
  • Ограничение тока короткого замыкания. Отношение тока короткого замыкания к сварочному току находится в интервале от 1,1 до 1,5.
  • Сохранение постоянной проплавляющей способности дуги. Время восстановления напряжения от короткого замыкания до зажигания дуги должно быть коротким (сотые доли секунды).
  • Для питания сварочной дуги применяют источники переменного тока (сварочные трансформаторы) и постоянного тока (сварочные генераторы и выпрямители).
  • Сварочные трансформаторы применяют чаще, так как они проще в эксплуатации, долговечнее и обладают более высоким КПД. Хотя постоянный ток лучше в технологическом отношении – при его применении повышается устойчивость дуги, улучшаются условия сварки.

Конструкция сварочного трансформатора

Пределы регулирования сварочного тока IСВ трансформатора ТД 300 составляют 60...400 А. Напряжение холостого хода 60В и 80В. Рабочее напряжение равно 30В.

Основными элементами сварочного трансформатора (рис. 8) являются:

  • сердечник (магнитопровод);
  • неподвижные катушки с первичной обмоткой;
  • подвижные катушки с вторичной обмоткой.

Величину сварочного тока регулируют изменением расстояния между первичными и вторичными катушками благодаря подвижным вторичным катушкам.

Катушки первичной обмотки неподвижны. Катушки вторичной обмотки лежат на большой плоской гайке. Вращением рукоятки, соединенный с ней винт вкручивается в эту гайку. Винт через упорный подшипник связан с корпусом трансформатора. При вращении рукоятки винта гайка поднимается или опускается по винту вместе с вторичной обмоткой. Происходит плавное изменение силы сварочного тока.

При увеличении расстояния между обмотками уменьшается магнитный поток, вторичной катушки. Чем больше зазор, тем большая часть магнитного потока теряется за счет рассеивания в пространстве. Поэтому сварочный ток уменьшается. Уменьшение расстояния между обмотками приводит к увеличению тока.

Конструктивная схема сварочного трансформатора

Рис. 8. Конструктивная схема сварочного трансформатора с подвижными катушками вторичной обмотки

Режимы работы сварочного трансформатора

Действие сварочного трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.

Режим холостого хода трансформатора (рис. 9) устанавливают при разомкнутой вторичной обмотке в момент подключения первичной обмотки к сети переменного тока с напряжением U1. При этом по первичной обмотке идет ток I1, который создает переменный магнитный поток Ф1. Этот поток индуцирует во вторичной обмотке переменное напряжение U2. Поскольку цепь вторичной обмотки разомкнута, то ток в ней не идет I2=0 и никаких затрат энергии во вторичной цепи нет. Поэтому вторичное напряжение на холостом ходе максимально и эту величину называют напряжением холостого хода U2 = UХХ.

Принципиальная электрическая схема сварочного трансформатора

Рис. 9. Принципиальная электрическая схема сварочного трансформатора с подвижными катушками вторичной обмотки

В сварочных трансформаторах сетевое напряжение 220В или 380В преобразуется в более низкое напряжение холостого хода U2=UХХ = 60...80В.

Работа трансформатора

Рис. 10. Работа трансформатора

Режим нагрузки (рис. 10) делают, замыкая цепь вторичной обмотки в момент зажигания дуги. При этом под действием напряжения U2 во вторичной обмотке и дуге появляется ток I2 = IСВ. Этот ток в сердечнике создает переменный магнитный поток, который стремится уменьшить величину потока, создаваемого первичной обмоткой Ф1. Противодействуя этому, сила тока в первичной обмотке увеличивается. Увеличение потребления энергии в первичной обмотке должно быть равно увеличению отдачи энергии дуге вторичной обмоткой в соответствии с законом сохранения энергии.

Напряжение во вторичной обмотке трансформатора при нагрузке равно:

U2 = UД + IСВ·XL ,

где UД – падение напряжения на дуге; XL – индуктивное сопротивление сварочного контура.

Омическое сопротивление сварочного контура R, включая вылет электрода, значительно меньше индуктивного сопротивления XL. По этой причине при расчете U2 величиной R пренебрегаем.

Часть магнитного потока ФР по пути от первичной обмотки ко вторичной рассеивается в пространстве. Магнитный поток рассеивания тем больше, чем больше расстояние между обмотками (см. рис. 9 и рис. 10). В результате вторичную обмотку пронизывает магнитный поток Ф2. Падающая внешняя вольтамперная характеристика сварочного трансформатора получается благодаря изменению величины рассеивания магнитного потока ФР. При этом напряжение дуги UД уменьшается UД = U2 - IСВ

UД = U2 - IСВ·XL при увеличении силы сварочного тока IСВ и индуктивного сопротивления XL.

Регулирование сварочного тока IСВ (как и IКЗ) при постоянном напряжении холостого хода трансформатора UХХ возможно только за счет изменения индуктивного сопротивления.

В существующих конструкциях трансформаторов регулирование индуктивного сопротивления вторичной цепи может быть выполнено:

изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками;

изменением зазора магнитопровода дросселя, выполненного отдельно от трансформатора.

Классификация сварочных трансформаторов

На сегодняшний день выделяют три основных вида сварочных трансформаторов:

а) Трансформаторы с минимальным и нормальным магнитным рассеянием.

Настройка силы тока производится винтовым механизмом дросселя, который вынесен отдельно. Такая схема сварочного трансформатора применяется в моделях СТЭ-85 и СТЭ-24У. Трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием похожи по своей конструктивной схеме на трансформаторы типа СТЭ. Разница заключается в наличии дополнительной реактивной катушки, расположенной на основных стержнях магнитного сердечника первичной и вторичной обмоток, а также на дополнительной обмотке дросселя. Сам дроссель установлен на магнитный сердечник. Регулировка силы тока производится аналогичным образом, как и у трансформаторов СТЭ. Сварочные трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием представлены моделями типа СТН и ТСД. Модели СТЭ, СТН и ТСД используются для ручной дуговой сварки, они просты и безотказны в работе. Несмотря на свою простую и надежную конструкцию, эти трансформаторы имеют ряд существенных недостатков.

Во-первых, вибрация сердечника дросселя сбивает настройку силы тока при работе.

Во-вторых, у сварочных трансформаторов с нормальным и низким магнитным рассеянием высокая потребляемая мощность от 25 кВт до 78 кВт.

В-третьих, большая масса - более 120 кг. Также среди этих трансформаторов есть модели, такие как ТСД-1000-4 и ТСД-2000-2, которые выдают номинальный сварочный ток в 1000 А и 2000 А. Но масса этих трансформаторов от 220 кг до 675 кг, что делает их очень неудобными для частного использования.

б) Трансформаторы с повышенным магнитным рассеянием. Важным отличием трансформаторов с повышенным магнитным рассеянием от сварочных трансформаторов с низким и нормальным рассеянием является подвижная конструкция обмоток или шунтов. Такой подход позволил добиться более высоких рабочих характеристик при относительно небольшой массе самого трансформатора. К ним относятся сварочные трансформаторы марок ТС-500, ТСК-300, ТД-300, СТШ-250, ТДМ-317. Сварочные трансформаторы с повышенным магнитным рассеянием применяются для дуговой и автоматической сварки, а также для сварки под флюсом.

в) Тиристорные трансформаторы.

Тиристорные сварочные трансформаторы - это новый тип сварочного оборудования. В основу его работы положен принцип фазового регулирования силы тока при помощи тиристоров, которые преобразуют поступающий переменный ток в знакопеременные импульсы. Они широко применяются как для ручной дуговой сварки, так и для точечной и шлаковой сварок.

В независимости от вида сварочного трансформатора любой сварочный аппарат обладает рядом определенных характеристик, которые и определяют его рабочую эффективность и удобство использования. При выборе сварочного трансформатора важно знать и понимать, за что отвечает каждая характеристика и на какие из них следует обращать внимание в первую очередь.

Маркировка сварочных трансформаторов

В марки трансформаторов (рис. 11) зашифрованы базовые характеристики. Это сделано для того, чтобы без техпаспорта можно было определить, что за аппарат, как он устроен и какова его номинальная сила тока.

Маркировка сварочного трансформатора

Рис. 11. Маркировка сварочного трансформатора

Сегодня в единой системе обозначения и классификации источников питания для сварки заложены следующие правила:

  • тип источника питания: Т – трансформатор, Г – генератор, А – агрегат, В – выпрямитель, У – специализированный источник–установка;
  • вид сварки: Д – дуговая, П – плазменная;
  • способ сварки: Г – в защитных газах, Ф – под флюсом, У – универсальный. Если всего две буквы, значит, сварка проводится покрытыми электродами;
  • вид внешней характеристики: Ж – жесткая, П – падающая;
  • количество постов сварки: М – многопостовой, без обозначения говорит об одном посте;
  • номинальная сила тока обозначается одной или двумя цифрами, округленными до десятков или сотен Ампер.
  • последние одна или две цифры обозначают регистрационный номер в разработке;
  • после цифр идет буквенное обозначение допустимого климатического использования: ХЛ – холодный климат, У – умеренный, Т – тропический;
  • завершающая цифра обозначает допустимое размещение: 1 – на открытом воздухе, 2 – под навесом, 3 – в неотапливаемом помещении, 4 – в отапливаемом помещении.

Расшифровка: трансформатор сварочный ТДМ-401 говорит нам о том, что это трансформатор дуговой сварки с механическим регулированием и одним постом сварки, с номинальной силой тока в 400 А. Также в техпаспорте сварочного трансформатора указывается класс защиты по международной системе IP.

Параметры, учитываемые для выбора трансформатора

Пределы регулирования сварочного тока, A (min-max) является основной для любого сварочного трансформатора. Регулировка силы сварочного тока указывает сразу на два важных момента. Во-первых, на то, что регулировка вообще возможна, а это значит, что можно использовать электроды различного диаметра. Во-вторых, можно увидеть максимально возможную силу тока, которая позволит использовать электроды большого диаметра, что в свою очередь влияет на производительность труда.

В приведенной таблице 2 указаны основные диаметры электродов в зависимости от силы тока сварочного трансформатора.

Таблица 2. Основные диаметры электродов в зависимости от силы тока сварочного трансформатора

Основные диаметры электродов в зависимости от силы тока сварочного трансформатора

Следует использовать электроды несколько меньшего диаметра, несмотря на приведенные показатели. Как показывает практика, электрод, подобранный по максимуму под свою силу тока, будет недостаточно качественно проваривать шов.

Напряжение сети и количество фаз. Эта характеристика указывает на требуемое напряжение в сети для нормальной работы сварочного трансформатора. Необходимо заранее знать о том, какое напряжение будет в месте работы сварочного трансформатора, чтобы подобрать подходящий. Также от этого зависит количество фаз самого трансформатора. Так для однофазного сварочного трансформатора будет требоваться ток в 220 В, для двухфазного 380 В, а вот сварочный трансформатор ТД-500, работающий как от сети на 220 В, так и от сети на 380 В, является трехфазным.

Номинальный сварочный ток трансформатора. Данный параметр указывает на максимальное значение сварочного тока, который способен выдать трансформатор. От его величины зависит, как возможность плавки и резки металла.

Номинальное рабочее напряжение. Данный параметр указывает на выходное напряжение с вторичной обмотки, которое необходимо для поддержания стабильной сварочной дуги. Это напряжение находится в диапазоне 30-60 Вольт. Чем ниже номинальное значение, тем тоньше металлические элементы можно сварить между собой.

Мощность потребления и выходная (КПД). Этот показатель указывает, сколько энергии потребуется для часа работы трансформатора. Чем ниже этот показатель, тем лучше. Но при этом необходимо знать выходную мощность при сварке. Чем больше разница между ними, тем хуже.

Напряжение холостого хода. Данная характеристика отвечает за появление сварочной дуги. Чем выше эта характеристика, тем легче создать дугу. Но существуют определенные ограничения по безопасности для оператора. Так, для сети с постоянным током порог составляет 100 В, для переменного – 80 В. Количество обслуживаемых рабочих мест. Параметр указывает на количество одновременно работающих от трансформатора сварщиков.

Тип охлаждения. Существуют сварочные трансформаторы с естественным охлаждением и принудительным. По сути, принудительное охлаждение лучше, так как позволяет более эффективно избавляться от излишка тепла во время работы. Но не все трансформаторы оснащены вентиляторами.

Масса и размеры сварочного трансформатора. От массы и габаритов трансформатора зависит, будет ли он передвижным или стационарным, будет он на колесах или же с ручками для переноски.

Сварочные выпрямители

Сварочный выпрямитель (СВ) преобразует переменный ток в постоянный в трехфазной сети. Он обеспечивает более устойчивую дугу без прерываний и скачков во время работы. СВ схожи по принципу действия со сварочными трансформаторами, но при этом способны подавать постоянный ток на сварочный стержень. Достигается это введением в конструкцию выпрямителя специальных селеновых или кремниевых блоков.

Сварочный выпрямитель (рис. 12) состоит из понижающего трехфазного трансформатора с подвижными катушками, выпрямительного блока с вентилятором, пускорегулирующей и защитной аппаратуры, монтированных в кожухе.

Понижающий трехфазный трансформатор снижает напряжение сети до необходимого рабочего, а также служит для регулирования сварочного тока путем изменения расстояния между первичной 2 и вторичной 3 обмотками. Катушки вторичной обмотки неподвижны и закреплены у верхнего ярма. Катушки первичной обмотки подвижны. Сердечник трансформатора собран из пластин электротехнической стали. Внутри сердечника проходит ходовой винт с закрепленным внизу подпятником. В верхнюю планку крепления первичной обмотки запрессована ходовая гайка. При вращении рукоятки 5 ходового винта вертикально перемещается ходовая гайка, а, следовательно, и катушки первичной обмотки.

Сварочный выпрямитель

Рис. 12. Сварочный выпрямитель:

а – внешний вид; б – схема регулирования сварочного тока

Выпрямительные блоки 4 собраны по трехфазной мостовой схеме. Для охлаждения выпрямительных блоков служит вентилятор 6, приводимый во вращение от асинхронного электродвигателя. Охлаждающий воздух всасывается через решетку вентилятора внутрь кожуха, проходит через блок, омывает трансформатор и выдувается, с другой стороны.

Достоинства СВ:

  • не требуется высокой квалификации у рабочего;
  • возможность эффективной сварки цветных металлов, теплоустойчивых металлических сплавов и чугуна;
  • получение шва достойного качества;
  • незначительное разбрызгивание материала, используемого в качестве присадочного;
  • меньшая масса, чем у трансформаторов.

Недостатки СВ:

  • КПД 80%;
  • нестандартное питание сварочного агрегата от обычной электросети (подключение выпрямителя к 380-вольтной сети);
  • высокая стоимость;
  • сложность конструкции СВ. В аппарат обычно добавляют дополнительные элементы - сложные пускорегулирующие устройства: дроссели, измерительные и предохраняющие узлы, плавиковые предохранители, термостаты, которые существенно усложняют процесс ремонта оборудования.

Инверторное оборудование. Конструкция сварочных инверторов и их технические характеристики

Инверторное оборудование, так же часто именуемое как импульсное оборудование - это современное оборудование на базе полупроводников. Сварочные инверторы обладают теми же возможностями что и св постоянного тока, но при этом обладают рядом существенных преимуществ.

    Инвертор состоит из двух частей: силовой и блока управления с обратной связью. Преобразование промышленного или бытового тока в сварочный производится благодаря наличию в нем следующих обязательных компонентов:

  • Первичного выпрямителя, преобразующего переменный ток в постоянный пульсирующий, и фильтра, сглаживающего пульсацию;
  • Инвертора на основе транзисторов, в котором происходит преобразование постоянного тока в переменный - высокой частоты;
  • Трансформатора тока, с помощью которого через блок управления контролируются его параметры на первичной обмотке силового трансформатора;
  • Силового трансформатора, преобразующего напряжение и ток инвертора в соответствии с параметрами, необходимыми для сварки металла;
  • Вторичного выпрямителя, на выходе которого мы получаем постоянный сварочный ток высокой частоты. Этот ток идет на электроды, используемые для сварки.

Дросселя для подавления пульсаций

В зависимости от модели, сварочные инверторы могут быть оснащены дополнительными фильтрами, обеспечивающими «плавный пуск», фильтрами, которые обеспечивают защиту сети от возникновения электромагнитных помех.

Блоки управления имеют различное устройство, но главное их свойство - контроль параметров сварочного тока в ручном или автоматическом режиме, а также возможность получения дополнительных функций, существенно облегчающих процесс сварки.

Технические характеристики колеблются в следующих пределах:

  • сварочный ток – от 5 до 200 ампер;
  • продолжительность включения – от 20 до 100 процентов. Аппараты, используемые на промышленных объектах, способны выдавать показатель продолжительности включения до 100 % на сравнительно высоких величинах сварочного тока (до 180 ампер);
  • напряжение холостого хода - от 40 до 80 ватт;
  • напряжение электрической сети - от 140 до 260 вольт.

Преимущества инверторного сварочного аппарата

  • Малый вес и габаритные размеры в сравнении с традиционным трансформатором. Дело в том, что высокочастотные трансформаторы существенно меньше по своим габаритам и весу. Так что инвертор практически в 5 раз легче и компактней.
  • КПД, достигающий 90% и более, в отличие от 70% у традиционного. Это объясняется тем, что в трансформаторе высокочастотного вида потери тока являются минимальными.
  • Небольшая нагрузка на сеть и низкое энергопотребление в 2 раза ниже, чем у сварочных трансформаторов и выпрямителей.
  • Возможность стабильной работы при пониженном питающем напряжении при сохранении всех основных сварочных параметров и достоинств выпрямителей. Широкий диапазон регулировок и плавная регулировка тока, что позволяет достигать оптимальных параметров сварочного шва вне зависимости от минимального диаметра электродов, условий и расположения свариваемых поверхностей.

Недостатки инверторного оборудования

  • Стоимость выше традиционных сварочных трансформаторов.
  • Критичность к наличию влаги, пыли и низким температурам.

В зависимости от условий работы и требованиям к качеству сварки деление производится по трем категориям:

  • Бытовая, когда требуется непродолжительная работа и аппарат находится в личном использовании для производства небольших работ в условиях домашней мастерской;
  • Профессиональная, предъявляющая повышенные требования к качеству сварных соединений при использовании в различных организациях, мастерских, обслуживающих цехах;
  • Промышленная, в этом случае должна обеспечиваться большая продолжительность работы на протяжении длительного времени, способствующая непрерывности производственного цикла с высоким качеством.

Как вам статья? Хотел вам порекомендовать заглянуть на наш YouTube канал. Если вам понадобится помощь с графическим работами: чертежи, схемы электрические, печатные платы или 3D-модели добро пожаловать сюда.