Источники питания для сварки в защитных газах

Обновлено: 24.01.2025

Сварка в углекислом газе, аргоне и их смесях с кислородом ведется на постоянном токе с использованием проволоки диаметром от 0,5 до2,4 мм (в аргоне — до 5 мм) на токе от 50 до 600 А при напряжении от 15 до 40 В. Благодаря высокой плотности тока (I>100А/мм) вольтамперная характеристика дуги возрастающая — ρ_и от +0,01 до +0,1 В/А. Зажигание дуги коротким замыканием происходит при непрерывной подаче проволоки без отдергивания и поэтому затруднено (рисунок 3.2). С начала короткого замыкания (позиция 1) вылет проволоки увеличивается, а сама она деформируется (2). Наиболее интенсивно проволока нагревается вблизи токоподвода, здесь она и перегорает (3).Но при большой длине перегоревшего участка дуга, как правило, обрывается (4).Далее процесс повторяется (5), но новое перегорание происходит на ранее уже подогретом вылете, поэтому дуга зажигается при более короткой длине (6). Обычно дуга надежно зажигается после 2-3 перегораний проволоки, но в неблагоприятных случаях этот процесс затягивается до 1с и более. Установление процесса сварки облегчается при малой скорости подачи проволоки, при «горячем пуске», при использовании осциллятора.

Рисунок 3.2 – Зажигание дуги при сварке в защитном газе

Устойчивое горение дуги достигается благодаря использованию саморегулирования, поскольку при сварке в защитных газах в подавляющем большинстве случаев применяются аппараты с постоянной скоростью подачи проволоки. Для сварки в углекислом газе характерно значительное разбрызгивание электродного металла. Выделяют следующие разновидности процесса, оказывающие влияние на выбор источника: сварка в углекислом газе короткой дугой с частыми технологическими короткими замыканиями, сварка в углекислом газе и аргоне длинной дугой с крупнокапельным переносом, сварка в аргоне со струйным переносом, импульсно-дуговая сварка в аргоне.

При сварке в углекислом газе используют в основном источники с пологопадающей характеристикой (рисунок 3.3, а). Допустимо также применение источников с жесткой и даже пологовозрастающей характеристикой. Так, при сварке стали проволокой диаметром от 0,5 до 1,4 мм рекомендуются источники с ρ_и от +0,04 до -0,08 В/А. При таких характеристиках сила тока короткого замыкания I_к при зажигании дуги ограничена благодаря сопротивлению вылета электродной проволоки, но все же довольно велика — I_К=(2-5) I_д. Это способствует надежному зажиганию дуги, и поскольку стадия короткого замыкания непродолжительна из-за быстрого перегорания проволоки, источник выдерживает такой режим. При таких прямолинейных характеристиках напряжение холостого хода сравнительно невелико (U₀=25-50 В), благодаря чему и возможна сварка короткой дугой, но по этой же причине затягивается установление процесса сварки (рисунок 3.2). Поэтому в современных источниках ценой некоторого усложнения конструкции добиваются увеличения напряжения холостого хода примерно до U₀=(1,5-2) U_д,но не ниже 40 В (рисунок 3.3, б, кривая 2).

Рисунок 3.3 – Характеристики источника для механизированной сварки в защитном газе

Специфическое требование к источникам для сварки в углекислом газе связано с необходимостью ограничения пикового тока короткого замыкания и скорости его нарастания для снижения разбрызгивания электродного металла. При сварке короткой дугой проволоками диаметром от 0,5 до 1,4 мм рекомендуется ограничивать скорость нарастания тока короткого замыкания значением 70 — 180 кА/с введением дросселя в цепь источника. При сварке длинной дугой можно установить эту скорость от 70 до 110 кА/с. Еще больший эффект достигается в случае программирования тока при переносе с короткими замыканиями. Разбрызгивание уменьшается также при выборе оптимального соотношения между током и напряжением, например, по соотношению U_д=18+0,04I_д. Источник с возрастающей внешней характеристикой (рисунок 3.3, б, кривая 1), автоматически обеспечивающий это соотношение, назван оптимизированным.

При аргонодуговой сварке плавящимся электродом дуга значительно устойчивей, крупнокапельный перенос при низких токах идет гораздо спокойней, а более благоприятный струйный перенос достигается простыми технологическими приемами (увеличением плотности тока, нанесением активирующих покрытий на проволоку). Поэтому при сварке тонкой проволокой аппаратом системы АРДС используют источники с полого- и даже крутопадающей характеристикой (ρ_и от -0,04 до -0,2 В/А) со сравнительно низкой скоростью нарастания тока короткого замыкания 10- 30 кА/с. При сварке проволокой большого диаметра (более 3-4 мм) рекомендуется использовать аппарат системы АРНД в сочетании с источником, имеющим крутопадающую характеристику.

Дуговая сварка плавящимся электродом в защитных газах возможна лишь автоматическая или полуавтоматическая. Ручная сварка электродами оказалась невозможной из-за отсутствия необходимой аппаратуры, которую до сих пор не удалось сконструировать, и необходимых высоких плотностей тока.

Только при высоких плотностях тока удается получить мелкокапельный или струйный перенос металла с электрода в ванну, обеспечивающий нормальный устойчивый процесс сварки, плотный, беспористый, хорошо сформированный наплавленный металл. Однако увеличение тока ограничивается пределом 600 а; дальнейшее увеличение тока недопустимо усиливает разбрызгивание металла, выдувает металл из ванны, нарушает формирование шва. Ограничение допустимого тока при высокой его плотности ограничивает диаметр электродной проволоки до 3 мм, обычно же диаметр не превышает 2 мм; минимальный диаметр проволоки в отдельных случаях составляет 0,2 мм. Питание дуги, как правило, осуществляется постоянным током обратной полярности (плюс на электроде); на прямой полярности возрастает разбрызгивание металла, снижается устойчивость дуги, коэффициент расплавления электрода увеличивается на 20—30%.

Быстрота плавления проволоки, малая длина дуги и незначительное изменение напряжения дуги с изменением ее длины весьма затрудняют или совсем исключают автоматическое регулирование в зависимости от напряжения дуги. В большинстве случаев дуговые автоматы и полуавтоматы работают в защитных газах с постоянной скоростью подачи электродной проволоки.

Условия работы в защитных газах выдвигают особые требования к источникам тока, питающим дугу. При умеренных плотностях тока, скажем, от 12—15 а/ммг (ручная сварка) до30—50а/мм2 (автоматическая под флюсом), и соответственно небольших скоростях плавления электродной проволоки, обычно не превышающих 100 м/ч, весьма удовлетворительны источники питания с падающей внешней характеристикой. При очень же больших плотностях тока и скоростях плавления проволоки лучшие результаты дают ранее неизвестные в сварочной технике источники питания с жесткой (рис. 1,а) и возрастающей внешней характеристикой (рис. 1,б). Источник с жесткой характеристикой имеет постоянное напряжение на зажимах, независимо -от величины тока, даваемого источником; у источника с возрастающей харак-теристикои напряжение на зажимах с увеличением нагрузки не падает, а наоборот, возрастает. Характеристика дуги при высоких плотностях тока становится возрастающей.

При постоянной скорости подачи электродной проволоки единственным средством регулирования процесса остается изменение скорости плавления проволоки или другими словами сварочного тока, которому пропорциональна скорость плавления. При больших скоростях подачи проволоки регулирование должно быть интенсивным, и уже небольшие изменения длины дуги должны создавать большие изменения сварочного тока и скорости плавления, быстро ликвидирующие происшедшее отклонение в длине

Преимущества более быстрого автоматического восстановления нормального режима, в особенности при полуавтоматической сварке, настолько велики, что для сварки плавящимся электродом в защитных газах применяют исключительно источники питания с жесткой или возрастающей характеристикой; для сварки на умеренных плотностях тока ручной или автоматической эти источники непригодны. Получение падающих, жестких и возрастающих характеристик легко осуществимо в машинных генераторах. В трансформаторах осуществляются лишь падающие и жесткие характеристики, как и в статических выпрямителях; возрастающие характеристики в этом случае отпадают ввиду трудности их осуществления.

Наиболее совершенными источниками питания являются мотор-генераторные агрегаты из стандартного приводного электродвигателя трехфазного тока и специального сварочного генератора постоянного тока. Его возбуждение имеет две обмотки: независимую, питаемую от небольшого вспомогательного выпрямителя, и сериесную. В цепь независимого возбуждения включен регулирующий реостат, посредством которого можно установить различное напряжение генератора. Сериесная обмотка, действующая согласно с независимой, секционирована; включая разное число витков, можно получить жесткую или возрастающую характеристику. Рабочее напряжение устанавливается на 2—3 в больше нормального напряжения дуги.

Проще в обслуживании и занимают меньше места полупроводниковые выпрямители с жесткой характеристикой и с регулированием рабочего напряжения в соответствии с нормальным напряжением дуги. Трансформаторы для питания переменным током дуги с плавящимся электродом в защитных газах имеют жесткую характеристику, применяются довольно редко, для цветных металлов и пр. Статические выпрямители и трансформаторы чувствительны к колебаниям напряжения питающей сети.

Четыре вида источников питания электрической дуги при сварке

Источники питания для сварки представляют собой различные преобразователи тока промышленной частоты либо генераторы, самостоятельно вырабатывающие электроэнергию необходимых параметров.

По причине того, что для электродуговой сварки требуются особые параметры питающего тока и напряжения (приводя усредненный пример — напряжение низкое, а ток очень большой), стандартное напряжение бытовой или промышленной сети требуется, как минимум, понизить.

Как максимум — привести рабочие характеристики питания в соответствие с заданной потребностью. Поэтому к источникам питания сварочной дуги выдвигаются особые требования.

Основные требования

Источник питания для сварочных работ любого вида и класса должен удовлетворять следующим ключевым характеристикам:

обеспечивать легкость зажигание дуги;
поддерживать стабильное горение;
контролировать верхний порог тока короткого замыкания;
обладать хорошей динамикой;
соответствовать требованиям по электробезопасности.

Под динамикой в данном случае понимается скорость восстановления напряжения от момента контакта электрода с массой (возникновения короткого замыкания) до вспыхивания дуги, то есть образования электрического пробоя воздуха.

Дуга вспыхивает при напряжении около 20 В. Время от момента короткого замыкания до вспышки дуги у хорошего источника питания должно составлять не более 0,05 секунды. Чем оно меньше, тем динамика выше.

Эти требования предъявляются ко всем без исключения устройствам. Им должен соответствовать даже самодельный сварочный аппарат, собранный для ручной дуговой сварки из блока питания компьютера.

Кстати, из последнего собрать устройство для домашнего применения не так уж сложно. Импульсный блок питания как раз и предназначен для понижения сетевого напряжения. Но варить можно будет только тонкий металл.

Принципы классификация

Источники питания сварочной дуги классифицируются по многим градациям. В их числе:

по предназначению — для ручной сварки, сварки под флюсом или в среде защитного газа (например, аргонодуговой);
по числу сварочных постов, которые можно подключить единовременно;
по способности передвигаться — мобильные и стационарные;
по способу производства энергии — преобразователи или производители;
по роду выходного тока;
по ВАХ (вольт-амперная характеритика).

Основными параметрами сварочного аппарата для сварщика являются назначение данного конкретного агрегата и сварочный ток, который он выдает. Во многих случаях ключевым требованиям является подбор нужной вольт-амперной характеристики (ВАХ).

Так, например, для сварки в среде защитных газов требуются устройства с жесткой характеристикой, варящие постоянным током. Для ручной и полуавтоматической сварки под флюсом применяются аппараты переменного и постоянного тока с падающей характеристикой.

Некоторые современные источники питания сварочной дуги универсальны: имеют много режимов работы, в том числе позволяют менять род сварочного тока и изменять его ВАХ.

Четыре вида преобразователей

Основное различие между источниками питания сварочной дуги, определяющее их технические характеристики, массу, габариты и сферу применения — это различия по принципу преобразования электротока.

Существуют следующие виды источников:

трансформаторы;
выпрямители;
преобразователи;
инверторы.

Особняком стоят генераторы, так называемые агрегаты. Эти машины — не вторичные, а первичные источники энергии, они не преобразуют тем или иным способом питание от городской или промышленной сети, а вырабатывают его сами.

Как правило, агрегаты строятся на базе двигателя внутреннего сгорания — бензинового или дизельного. Первые — дешевле, вторые имеют большую мощность и моторесурс.

Трансформатор

Это самый простой тип сварочного аппарата. Основой ему служит дроссель — реактивная катушка индуктивности.

Простой понижающий трансформатор понижает вольтаж сети до величины холостого хода — 60…80 В. В дальнейшем при работе поддерживается напряжение сварки в 20 В.

Трансформатор варит только переменным током. Его достоинство состоит в простоте конструкции (можно изготовить своими руками, рассчитав число витков обеих намоток).

Он имеет высокий КПД, сравнительно небольшой расход энергии, отличается надежностью в сочетании с ремонтопригодностью. Трансформаторный источник питания дуги бесшумно работает, относительно немного стоит.

Но использование для сварки переменного тока имеет и определенные недостатки. У такого источника питания сварочной дуги большие габариты и очень большая масса.

Дуга горит нестабильно, и сильно зависит от скачков питающего напряжения. Возникает необходимости в использовании специальных покрытых электродов. Перечень металлов и сплавов, которые можно варить переменным током (в основном это низкоуглеродистые стали), ограничен.

Выпрямитель

Как следует из названия, это устройство, выпрямляющее переменный ток, то есть преобразующее его в постоянный. Для этого используются полупроводниковые элементы на основе селена либо кремния.

Выпрямители могут быть однофазные и трехфазные, стационарные или мобильные, иметь любую вольт-амперную характеристику — либо жестко заданную производителем, либо изменяемую пользователем согласно его нуждам.

У выпрямителей есть много достоинств. Это бесшумная работа, высокий КПД (выше, чем у трансформаторов), широкий диапазон использования (можно варить любые металлы и сплавы). У такого источника питания малые потери на холостом ходу, сравнительно небольшие габариты и вес и малое потребление энергии.

Недостатков у них немного, но, к сожалению, они довольно существенные. Выпрямители, как источники питания сварочной дуги, очень сильно нагреваются во время рабочего процесса, поэтому нуждаются в хорошей системе охлаждения, за которой надо тщательно следить.

Кроме того, они очень чувствительны к скачкам напряжения, не любят пыли, которая может вывести из строя систему охлаждения, и достаточно дороги.

Преобразователи

Преобразователь — устройство, механическим способом превращающее переменный ток в постоянный. По сути своей это электродвигатель, который вращает вал генератора постоянного тока. Когда-то это были первые устройства, способные производить сварку постоянным током.

По похожему принципу работают и генераторы, питающиеся от бензинового или дизельного мотора.

Несмотря на кажущуюся нелогичность конструкции, преобразователи также имеют свои плюсы и минусы. Основное их достоинство в том, что эти аппараты нечувствительны к перепадам напряжения — ток на выходе всегда имеет стабильную характеристику.

Кроме того, они могут выдавать очень большой ток — 300, 500, некоторые модели 1000 А. В некоторых видах работ, например, при сварке толстых металлических плит, это принципиально.

Их недостатки заключаются в большой массе (до 500 кг), а также в необходимости регулярного ТО из-за наличия вращающихся с высокой скоростью деталей. КПД преобразователей невысок из-за трат энергии на раскрутку вала двигателя.

Инверторы

Инверторы — особый класс источников питания сварочной дуги. Это сварочные аппараты, которые оптимально подходят для бытовых нужд.

Благодаря малым размерам и удобству в обращении они активно используются там, где нужна мобильность, а также есть ограничения по мощности, которую можно взять от сети.

Большинство инверторных источников питания сварочной дуги можно включать в обычную розетку, не боясь перегруза сети.

Принцип действия этих устройств заключается в инверсии — зеркальном превращении одного состояния энергии в другое. Инверторный аппарат осуществляет сварку переменным током высокой частоты, который он получает из постоянного тока, а его, в свою очередь — из промышленного переменного.

Инверсия позволяет увеличить частоту тока в 1000 раз — до 50 кГц. За счет этого удалось добиться существенного снижения размеров и веса аппарата.

Благодаря некоторым инверторным источникам питания сварочной дуги можно производить сварку и постоянным, и переменным током, в зависимости от режима.

К их достоинствам, кроме габаритов, относится малое энергопотребление, высокий уровень безопасности, плавная регулировка выходного тока и малое разбрызгивание расплава при сварке.

Список недостатков невелик. Аппарат нуждается в тщательном уходе и защите от пыли, не любит морозов, и не очень дешев в ремонте. Инвертор можно назвать оптимальным аппаратом для ручной сварки.

Преимущества сварки в среде защитных газов

Среди самых эффективных способов сваривания металлов выделяется сварка в защитных газах. Специальные газы, поступающие в область сваривания, предотвращают поступление воздуха, который оказывает негативное влияние на свойства соединения материалов.

Благодаря этому сварные швы получаются чистыми (без шлака), герметичными (без пор) и соответствуют заданным характеристикам при соблюдении рекомендаций ГОСТ 14771-76.

Ручной способ и сваривание в камере

Проводимая на аппаратах полуавтоматического типа, ручная дуговая сварка в защитном газе бывает двух видов: локальная и общая в камере. Самая распространенной является локальная защита в струе инертного газа, который истекает из сопла сварочной горелки.

Местная защитная среда позволяет варить изделия любой сложности и любых габаритов, но не дает стопроцентной гарантии. Надежная защита обеспечивается только в зоне ламинарного потока газа, где возникает турбулентность, происходит захват воздуха и в этой области качество шва резко падает. Поэтому задача сварщика заключается еще и в расположении сварочной ванны в зоне ядра потока.

Организация нейтральной среды в камере обеспечивает стопроцентную защиту и позволяет получить сварной шов требуемого качества.

В камере создается избыточное давление, где размещаются свариваемые детали и аппарат для сварки с проволокой. В камерах обычно производят сварку металлов высокой химической активности, типа молибдена или титана.

Сварку в защитном газе можно проводить плавящимся электродом и с таким же успехом – неплавящимся.

Достоинства и слабые места процесса

К преимуществам работы в защитной газовой среде можно отнести следующее:

качество шва значительно лучше, чем при использовании обычной электродуговой сварки;
часть защитных газов имеют невысокую стоимость, но все же обеспечивают высочайшее качество шва;
освоение данной технологии сварки не представляет никаких трудностей для сварщиков имеющих опыт работы с другим технологическим оборудованием;
в защитных газах может производиться сварка как тонкостенных, так и толстостенных заготовок;
процесс сварки идет с высокой производительностью;
значительно упрощается работа с алюминием, цветными металлами и их сплавами, коррозионностойкой сталью;
технология сваривания в защитной среде легко поддается механизации и автоматизации.

Недостатки у данной технологии имеются, но не так существенны. Для работы на открытом воздухе требуются защитные экраны для предотвращения сдувания потока газа с области сваривания.

При сварке в закрытых помещениях должна быть вентиляция или обеспечено проветривание. Аргон, применяемый в сварочных работах, имеет высокую стоимость.

Какие газы применяют

Для защиты от воздействия воздуха применяют газ, которые условно разделяют на две группы инертные и химически активные.

Инертные газы всем хорошо известны – аргон, гелий и их сочетание. Вытесняя воздух из зоны окружения свариваемых заготовок, они не реагируют с металлом и не растворяются в нем.

Их применяют при сваривании алюминия, магния, титана и сплавов. В специальной литературе такой вид сварки с защитной средой из инертных газов обозначается как MIG (металл, инертный газ).

Если применять неплавящийся электрод для сварки в среде защитных газов, то такой процесс будет отлично подходить для соединения тугоплавких сталей, химически активных металлов или особо ответственных соединениях.

Сварка с активными газами получила название MAG сварки (металл, активный газ). К активным реактивам относят углекислоту, азот, водород, кислород.

Наибольшее распространение получила углекислота благодаря своей низкой стоимости. Для сравнения, азот стоит в 1,5 раза дороже, кислород в 3, водород в 4 раза, аргон и гелий в 45 и 156 раз соответственно.

В углекислоте

Сварка полуавтоматом в углекислоте получила широкое применение из-за ее дешевизны. Углекислота, попадая в область расплава, защищает его от разрушающего воздействия воздуха.

Но из-за высокой температуры в районе сварочной ванны она разлагается на окись углерода и кислород, поэтому в области сваривания оказываются три газа: углекислота, окись углерода и кислород.

Чтобы не допустить окисления, в сварочную проволоку добавляют кремний и марганец, который реагирует с кислородом раньше железа. За счет этого гасятся реакции образования вредных окисей.

При этом углекислый газ сохраняет свои изолирующие свойства, а соединения кремния и марганца вступают в реакцию друг с другом, в результате чего получается легкое по плотности вещество, которое всплывает в расплаве. Образовавшийся шлак впоследствии легко удаляется.

Перед использованием углекислоты нужно обязательно удалить воду из баллона. Для этого его переворачивают и сливают воду, через 20 минут процедуру повторяют, в противном случае пары воды вызовут пористость шва.

В азотной среде

Азот используют при сваривании деталей из меди и нескольких видов нержавеющей стали. Это обусловлено тем, что азот не реагирует с медью. В качестве электродов используются графитовые или угольные прутки, применение вольфрамовых прутков приводит к их перерасходу из-за образования легкоплавких соединений.

Работают на токах 150-500 А и напряжении дуги 22-30 В. Расход азота находится в пределах 3-10 л/мин. Газ хранится в баллонах при давлении 150 атмосфер.

Сварочное оборудование ничем не отличается от других видов сварки использующих газы, только в горелке предусмотрено специальное крепление для угольного электрода.

Оборудование

В аппаратуре для производства сварочных работ в защитной среде в качестве источника питания чаще всего используют инверторы с широкой регулировкой величины сварочного тока.

Они снабжены устройством подачи сварочной проволоки и газовую систему с баллонами, шлангами, понижающими редукторами. Сварку плавящимся электродом в защитных газах ведут постоянным или импульсным высокочастотным током.

Главными параметрами, характеризующими оборудование, является ток, который можно изменять; напряжение для зажигания и стабильного горения дуги; скорость подачи проволоки, ее толщина. Режимы сварки полуавтоматом многообразны. В зависимости от свариваемых материалов сила тока и другие параметры могут значительно меняться.

Перед началом сварочных работ в защитном газе свариваемые поверхности требуется очистить от всевозможных загрязнений. В первую очередь необходимо очистить кромки от оксидной пленки, ржавчины, жира, масла. Для этого применяются стальные скребки, растворители, нетканые материалы.

Применение защитных газов требует соблюдения определенной последовательности операций. Сначала подается защитный газ, затем включается источник питания, начинает подаваться присадочная проволока и зажигается дуга, потом только начинается процесс сварки.

После гашения электродуги, еще 10-15 секунд в зону сварки подают инертный газ. Это делается для того, чтобы избежать пагубного влияния атмосферы на шов.

В зависимости от видов свариваемых металлов, их толщины используют различные защитные газы. Например, аргон обеспечивает стабильность электрической дуги, а гелий позволяет получать более глубокую проварку шва.

При сварке меди используется водород. Наиболее универсальным газом, который может использоваться практически при сварке любых металлов является аргон. Только его высокая стоимость вынуждает применять более дешевые газы типа углекислого или азота.

Как и электродуговую, в автоматическом режиме применяют технологию сварочного процесса в газовой среде. Она легко поддается автоматизации и используется в роботизированных комплексах в больших производствах. Полуавтоматы широко применяются в мелких мастерских и автосервисах.

Читайте также: