Источники сварочной дуги постоянного тока

Обновлено: 24.01.2025

Для электродуговой сварки нужно электричество определенных параметров: большой силы (ампеража), низкого напряжения (вольтажа). Под воздействием тока между концом электрода и свариваемым металлом формируется мощный электрический разряд, выделяется большое количество теплоты. В качестве источников питания сварочной дуги применяются различные преобразователи. За историю существования ручной электросварки для розжига дуги созданы устройства, генерирующие переменный и постоянный ток. Сначала были трансформаторы, после появления полупроводников были созданы выпрямители. Генераторы преобразуют в электроток энергию сжигания жидкого или сухого топлива. Инверторы – источники нового поколения, у них возможности питания дуги гораздо шире, чем у трансформаторов. При выборе сварочного аппарата желательно учитывать преимущества и недостатки устройств.

Требования к источникам питания сварочной дуги

Любой источник питания при дуговой сварке выбирается, исходя из эксплуатационных свойств:

Электрод должен разжигаться при соприкосновении с металлической заготовкой, контакты замыкают электрическую цепь.
Когда присадка плавится, по капле возможно короткое замыкание. Сварочный аппарат в такой ситуации не должен выходить из строя, сварочная дуга должна поддерживаться стабильно.
До вспышки дуги между деталью и электродом возникает краткосрочное короткое замыкание длиной в доли секунды. От скорости восстановления первоначального напряжения зависит динамическая характеристика источника питания.
От режима холостого хода сварочное оборудование должно быстро переходить в рабочий ход, то есть напряжение с 60–80 вольт должно упасть до требуемых 18–20 В.

Требования ко всем источникам, применяемым для питания сварочной дуги, одинаковые. Напрашивается вывод, что эффективность работы сварочного оборудования зависит от способности поддерживать стабильное горение дуги, начиная с момента розжига. Последний момент – регуляторы, сварочные аппараты предназначены для большого диапазона рабочего тока, устанавливать нужные параметры тока должно быть удобно.

Классификация

Общепринята градация блоков питания по нескольким признакам, обусловленным электромеханическими свойствами источников электротока. Начинающим сварщикам достаточно знать основные критерии классификации:

Для питания сварочной дуги возможно два способа получения рабочего тока:

преобразованием энергии из силовой электросети (выделяют однофазные и трехфазные сварочники);
генерацией электричества рабочих параметров из другого вида энергии.

Группировка по виду вырабатываемого тока:

переменного;
комбинированные, которые можно переключать с постоянного на переменный и наоборот;
постоянного.

Способ преобразования электричества: изменением вольтажа и ампеража, выпрямлением – переменный ток преобразуется в постоянный.

Мобильность источников, питание дуги бывает стационарным (подключение к магистральным электросетям) и автономным (использование переносных генераторов или аккумуляторов).

Способ регулировки рабочих параметров дуги (напряжения, ампеража). В трансформаторах меняется число задействованных витков: положением шунта, подвижностью катушки, секционированием вторичной обмотки.

Градация источников питания по внешним характеристикам тока сварочной дуги – это оценка зависимости среднего напряжения на контактах (держателе электрода и клемме, закрепляемой на металле) от ампеража. Параметры вольт-амперной характеристики оборудования бывают двух видов:

Падающая ВАХ характеризуется высоким напряжением холостого хода, превышающим рабочее до 2,5 раз.
Жесткая отличается стабильностью напряжения на клеммах в процессе сварки. Ампераж короткого замыкания превышает номинальный сварочный в 2 или 3 раза.

Вольт-амперная характеристика источника определяется экспериментально. Когда подключают питание, измеряют напряжение на клеммах.

Выбор источника питания для дуговой сварки

Разумеется, помимо силовых характеристик сварочное оборудование выбирают по мобильности, габариту, весу. Говоря о достоинствах и недостатках источников питания, стоит начать с самого первого вида сварочников.

Трансформатор

Оборудование с вторичной обмоткой преобразует напряжение, за счет индуктивных полей с 80 вольт можно опустить напряжение до 20-ти. Это самый простой и громоздкий тип сварочного аппарата. Зато очень надежный, мало зависит от условий внешней среды, не боится влажности, запыленности. Трансформатор можно соорудить самостоятельно, нужный вольтаж получают за счет определенного числа витков вторичной обмотки. Коэффициент полезного действия оборудования довольно высокий, стоимость небольшая. Когда объем работы небольшой, сварщики с опытом работы предпочитают для гаража, дома приобретать трансформаторы.

Выпрямитель

Уже из названия ясно, что речь пойдет об источнике постоянного тока. Для преобразования используются полупроводники, они пропускают электричество только в верхнем диапазоне синусоиды. Благодаря использованию полупроводников, наличию электросхемы, возможности у выпрямителей шире, чем у трансформаторов. При смене полярности можно регулировать температуру на контактах: при прямой полярности сильнее греется электрод, при обратной – металл. КПД у выпрямителей выше, чем у трансформаторов, малые потери на холостом ходу.

Большой минус – сварочные аппараты очень греются, им периодически требуется передышка, чтобы прийти в норму или дополнительная система охлаждения.

Генератор

Электричество вырабатывается вращением вала в постоянном магнитном поле. Работают устройства на бензине, дизтопливе, есть стационарные установки на угле, брикетированном топливе. Главные достоинства:

электричество со стабильными характеристиками;
большой ампераж, до 1000 А.

Минусы – изрядные габариты, низкий КПД, плюс выхлопные газы, шум, вибрация.

Инвертор

Инверторный тип источников – самый технологичный. Небольшие размеры, высокая мощность, дополнительные функции: быстрый розжиг, стабильная дуга и другие. Бытовые устройства работают от сети 220 В, мощные установки подключают к трехфазным 380 В. Инверсия улучшает частотные характеристики до 50 кГц. Недостатки тоже есть: оборудование боится высокой влажности, низких температур, запыленности. Корпус профессиональных источников дополнительно оснащают защитой.

Источники питания сварочной дуги постоянного тока (сварочные генераторы и выпрямители)

Источники питания постоянного тока подразделяются на две основные группы: сварочные преобразователи вращающегося типа (сварочные генераторы) и сварочные выпрямители установки (сварочные выпрямители).

Сварочные выпрямители — это устройства, преобразующие с помощью полупроводниковых элементов — вентилей — переменный ток В постоянный и предназначенные для питания сварочной дуги. Их действие основано на том, что полупроводниковые элементы проводят ток только в одном направлении; в обратном направлении они (полупроводники) практически электрический ток не пропускают.

Наибольшее применение в сварочных выпрямителях получили селеновые и кремниевые полупроводники. Селеновые полупроводники получили большое распространение потому, что они дешевые и обладают большой перегрузочной способностью (их к. п. д. около 75 %).

Сварочные выпрямители обладают некоторыми преимуществами перед преобразователями с вращающимися роторами (табл.), так как они имеют лучшие энергетические и весовые показатели, более высокий к. п. д. и просты в обслуживании. Кроме того, они имеют меньшие потери при холостом ходе и лучшие сварочные качества (как результат более широких пределов регулирования), отсутствует шум при работе. Дефицитные медные обмотки заменены в них на алюминиевые.

Сравнение технических характеристики сварочных преобразователей и выпрямителей

Параметры	Тип преобразователя			Тип выпрямителя
Параметры	ПСО-300	ПСО-500	ПСМ-1000	ВСС-300	ВД-301	ВКС-500	ВКСМ-100
Номинальный сварочный ток (при ПР-65%), А К. п. д., % Потери при холостом ходе, кВт Масса, кг	300 55 2,3 305	500 60 4,1 540	1000 76 - 950	300 66 0,65 240	300 72 0,65 225	500 75 1,26 385	1000 87 - 650

Принцип работы сварочного выпрямителя

Сварочные выпрямители собирают по двум наиболее распространенным схемам: однофазной мостовой двухполупериодного выпрямления и трехфазной мостовой.

Рис. 1. Принципиальные типовые схемы выпрямителей: а — однофазная мостовая, б — трехфазная мостовая

Наиболее распространена трехфазная мостовая схема выпрямления, которая обеспечивает большую устойчивость горения сварочной дуги при меньшем количестве вентилей при одинаково заданных значениях выпрямленного напряжения и тока, более равномерную загрузку всех трех фаз силовой сети и лучшее использованне трансформатора сварочного выпрямителя.

При работе выпрямителя по этой схеме в каждый данный момент времени ток проводят только два элемента, соединенные последовательно с нагрузкой. Таким образом, в течение одного периода получается шесть пульсаций тока.

Сварочные выпрямители, в зависимости от внешних характеристик, можно разделить на три типа:

с крутопадающими характеристиками
с жесткими (или пологопадающими) характеристиками
универсальные, обеспечивающие получение падающих, жестких и пологопадающих характеристик.

Сварочные генераторы постоянного тока подразделяются:

по количеству питаемых постов — на однопостовые и многопостовые;
по способу установки — на стационарные и передвижны;
по роду привода — генераторы с электрическим приводом и на генераторы с двигателями внутреннего сгорания;
по конструктивному выполнению — однокорпусные и двух- корпусные.

По форме внешних характеристик сварочные генераторы могут быть:

с падающими внешними характеристиками;
с жесткими и пологопадаюшими характеристиками;
комбинированного типа (универсальные генераторы, при переключении обмоток или регулирующих устройств которых можно получить падающие, жесткие или полого падающие характеристики).

Наибольшее распространение получили генераторы с падающими внешними характеристиками, работающие пo следующим трем основным схемам:

генераторы с независимым возбуждением и размагничивающей последовательной обмоткой;
генераторы с намагничивающей параллельной и размагничивающей последовательной обмотками возбуждения;
генераторы с расщепленными полюсами.

Ни один из трех видов генераторов с падающими внешними характеристиками не выделяется существенными преимуществами как по технологическим, так и по энергетическим и весовым показателям.

Оборудование для дуговой сварки

Ручная дуговая сварка, источником теплоты которой служит электрическая дуга, занимает одно из ведущих мест среди различных видов сварки плавлением. Электрическая дуга, возникающая за счет дугового разряда между электродом и свариваемым металлом, возникает и поддерживается источником постоянного или переменного тока. Под действием теплоты, полученной при помощи электрической дуги, происходит плавление основного и присадочного материалов, в результате чего образуется сварочная ванна. Остывая, металл кристаллизуется, образуя прочное сварное соединение. Все операции по зажиганию дуги, поддержанию ее длины и перемещению вдоль линии шва выполняются сварщиком вручную без применения механизмов. Дуговая сварка выполняется как плавящимся, так и неплавящимся электродом.

Оборудование для дуговой сварки:

В качестве оборудования, создающего устойчивую сварочную дугу, применяют различные трансформаторы, выпрямители и генераторы. В зависимости от характера и интенсивности сварочных работ и размеров свариваемых деталей промышленность выпускает большой ассортимент оборудования с различными техническими характеристиками. Однако все они должны удовлетворять следующим требованиям:

иметь на зажимах источника тока напряжение холостого тока при разомкнутой сварочной цепи, достаточное для возбуждения и устойчивого горения сварочной дуги. При этом напряжение холостого тока должно быть безопасным, то есть не более 80 — 90В;
обеспечить ток короткого замыкания, не превышающий установленных значений, выдерживая продолжительные короткие замыкания без перегрева и повреждения возбуждающей обмотки;
иметь устройства для плавного регулирования силы сварочного тока;
обладать хорошими динамическими свойствами, обеспечивая быстрое восстановление напряжения после коротких замыканий;
обладать хорошей внешней характеристикой.

Для бытового потребления современная промышленность выпускает сварочные аппараты, отличающиеся двумя характеристиками. Первая из них — это максимальный сварочный ток, а вторая — время работы, на протяжении которого в 10 минутном рабочем цикле вырабатывается этот максимальный ток. К примеру, аппарат, рассчитанный на 140 амперный ток при 60% рабочем цикле должен обеспечить 140 ампер в течение не более 6 минут из каждых 10 минут работы. Остальные 4 минуты цикла отведены на режим холостого тока, при котором аппарат остывает.

Характеристики сварочного оборудования

Внешняя характеристика сварочного тока выражает зависимость между напряжением на зажимах выходных клемм и током в сварочной цепи (рис.1). Различают четыре вида внешних характеристик (крутопадающая I, пологопадающая 2, жесткая 3 и возрастающая 4) выбор которых зависит от вольт-амперной характеристики сварочной дуги. Под вольт-амперной характеристикой (ВАХ) (рис.2) понимают зависимость напряжения дуги от силы сварочного тока.

Рис. 1. Внешние характеристики источников питания для дуговой сварки

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика дуги — А; зависимость напряжения дуги ( Uд ) от длины (Ld ) — Б

Вольт-амперная характеристика сварочного аппарата отличается от вольт-амперной характеристики любого другого источника питания своей нелинейной зависимостью. Это объясняется тем, что количество заряженных частиц в дуговом разряде не является величиной постоянной и зависит от степени ионизации, то есгь от силы тока, и говорит о том, что электрическая дуга в газах не подчиняется закону Ома. Из приведенного рисунка видно, что при малых токах (до 100 А) количество заряженных частиц в дуге интенсивно растет, а ее сопротивление при этом падает (падающая зона ВАХ I). Это объясняется ростом эмиссии катода при его разогреве. При возрастании силы тока дуга начинает сжиматься, рост заряженных частиц прекращается, а объем газа, участвующий в переносе заряженных частиц, сжимается (жесткая зона ВАХ II). Дальнейший рост вольт-амперной характеристики возможен только при увеличении расходуемой внутри дуги энергии (возрастающая зона ВАХ III).

Сварочные аппараты ручной дуговой сварки плавящимися электродами с защитным покрытием обычно эксплуатируются на ниспадающем и жестком участках ВАХ (зоны I и II). Для питания такой дуги применяют источники питания с крутопадающей и пологопадающей внешней характеристикой, так как отклонения тока при изменении дуги у этих аппаратов обычно незначительны. Это особенно важно при сварке в труднодоступных местах, когда сварщику приходится подбирать длину дуги.

Механизация процессов при сварке под флюсом или плавящимся электродом в защитных газах позволяет выполнять саморегулирование дуги при ее случайных отклонениях. Это достигается изменением скорости плавления электрода, то есть при уменьшении дуги автоматически повышается ток, и скорость плавления электрода увеличивается. Для такой сварки предпочтительнее источники питания с возрастающей ВАХ и возрастающей или жесткой внешней характеристикой.

Сварочные трансформаторы

Сварочные трансформаторы предназначены для создания устойчивой электрической дуги, поэтому они должны иметь требуемую внешнюю характеристику. Как правило, это падающая характеристика, так как сварочные трансформаторы используются для ручной дуговой сварки и сварки под флюсом.

Промышленный переменный ток на территории России имеет частоту 50 периодов в секунду (50 Гц). Сварочные трансформаторы служат для преобразования высокого напряжения электрической сети (220 или 380 В) в низкое напряжение вторичной электрической цепи до требуемого для сварки уровня, определяемого условиями для возбуждения и стабильного горения сварочной дуги. Вторичное напряжение сварочного трансформатора при холостом ходе (без нагрузки в сварочной цепи) составляет 60—75 В. При сварке на малых токах (60—100 А) для устойчивого горения дуги желательно иметь напряжение холостого хода 70 — 80 В.

Трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием. На рис. 1 приводится принципиальная схема трансформатора с отдельным дросселем. Комплект источников питания состоит из понижающего трансформатора и дросселя (регулятора реактивной катушки).

Рис. 1. Принципиальная схема трансформатора с отдельным дросселем (сварочный ток регулируется изменением воздушного зазора)

Понижающий трансформатор, основой которого является магнитопровод 3 (сердечник), изготовлен из большого количества тонких пластин (толщиной 0,5 мм) трансформаторной стали, стянутых между собой шпильками. На магнитопроводе 3 имеются первичная 1 и вторичная 2 (понижающая) обмотки из медного или алюминиевого провода.

Дроссель состоит из магнитопровода 4, набранного из листов трансформаторной стали, на котором расположены витки медного или алюминиевого провода 5, рассчитанного на прохождение сварочного тока максимальной величины. На магнитопроводе 4 имеется подвижная часть б, которую можно перемещать с помощью винта, вращаемого рукояткой 7.

Первичная обмотка 1 трансформатора подключается в сеть переменного тока напряжением 220 или 380 В. Переменный ток высокого напряжения, проходя по обмотке 1, создаст действующее вдоль магнитопровода переменное магнитное поле, под действием которого во вторичной обмотке 2 индуктируется переменный ток низкого напряжения. Обмотку дросселя 5 включают в сварочную цепь последовательно со вторичной обмоткой трансформатора.

Величину сварочного тока регулируют путем изменения воздушного зазора а между подвижной и неподвижной частями магнитопровода 4 (рис. 1). При увеличении воздушного зазора а магнитное сопротивление магнитопровода увеличивается, магнитный поток соответственно уменьшается, а следовательно, уменьшается индуктивное сопротивление катушки и увеличивается сварочный ток. При полном отсутствии воздушного зазора а дроссель можно рассматривать как катушку на железном сердечнике; в этом случае величина тока будет минимальной. Следовательно, для получения большей величины тока воздушный зазор нужно увеличить (рукоятку на дросселе вращать по часовой стрелке), а для получения меньшей величины тока — зазор уменьшить (рукоятку вращать против часовой стрелки). Регулирование сварочного тока рассмотренным способом позволяет настраивать режим сварки плавно и с достаточной точностью.

Современные сварочные трансформаторы типа ТД, ТС, ТСК, СТШ и другие выпускаются в однокорпусном исполнении.

Рис. 2. Принципиальная электрическая и конструктивная схема трансформатора типа СТН в однокорпусном исполнении (а) и его магнитная схема (б). 1 — первичная обмотка; 2 — вторичная обмотка; 3 — реактивная обмотка; 4 — подвижной пакет магнитопровода; 5 — винтовой механизм с рукояткой; 6 — магнитопровод регулятора; 7 — магнитопровод трансформатора; 8 — электродержатель; 9 — свариваемое изделие

В 1924 г. академиком В. П. Никитиным была предложена система сварочных трансформаторов типа СТН, состоящих из трансформатора и встроенного дросселя. Принципиальная электрическая и конструктивная схема трансформаторов типа СТН в однокорпусном исполнении, а также магнитная система показаны на рис. 2. Сердечник такого трансформатора, изготовленный из тонколистовой трансформаторной стали, состоит из двух, связанных общим ярмом сердечников,— основного и вспомогательного. Обмотки трансформатора изготовлены в виде двух катушек, каждая из которых состоит из двух слоев первичной обмотки 1, выполненных из изолированного провода, и двух наружных слоев вторичной обмотки 2, выполненных из неизолированной шинной меди. Катушки дросселя пропитаны теплостойким лаком и имеют асбестовые прокладки.

Обмотки трансформаторов типа СТН изготовляют из медного или алюминиевого проводов с выводами, армированными медью. Величину сварочного тока регулируют с помощью подвижного пакета магнитопровода 4, путем изменения воздушного зазора а винтовым механизмом с рукояткой 5. Увеличение воздушного зазора при вращении рукоятки 5 по часовой стрелке вызывает, как и в трансформаторах типа СТЭ с отдельным дросселем, уменьшение магнитного потока в магнитопроводе 6 и увеличение сварочного тока. При уменьшении воздушного зазора повышается индуктивное сопротивление реактивной обмотки дросселя, а величина сварочного тока уменьшается.

ВНИИЭСО разработаны трансформаторы этой системы СТН-500-П и СТН-700-И с алюминиевыми обмотками. Кроме того, на базе этих трансформаторов разработаны трансформаторы ТСОК-500 и ТСОК-700 со встроенными конденсаторами, подключенными к первичной обмотке трансформатора. Конденсаторы компенсируют реактивную мощность и обеспечивают повышение коэффициента мощности сварочного трансформатора до 0,87.

Однокорпусные трансформаторы СТН более компактны, масса их меньше, чем у трансформаторов типа СТЭ с отдельным дросселем, а мощность одинакова.

Трансформаторы с подвижными обмотками с увеличенным магнитным рассеянием. Трансформаторы с подвижными обмотками (к ним относятся сварочные трансформаторы типа ТС, ТСК и ТД) получили в настоящее время широкое применение при ручной дуговой сварке. Они имеют повышенную индуктивность рассеяния и выполняются однофазными, стержневого типа, в однокорпусном исполнении.

Катушки первичной обмотки такого трансформатора неподвижные и закреплены у нижнего ярма, катушки вторичной обмотки подвижные. Величину сварочного тока регулируют изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками. Наибольшая величина сварочного тока достигается при сближении катушек, наименьшая — при удалении. С ходовым винтом 5 связан указатель примерной величины сварочного тока. Точность показаний шкалы составляет 7,5 % от значения максимального тока. Отклонения величины тока зависят от подводимого напряжения и длины сварочной дуги. Для более точного замера сварочного тока должен применяться амперметр.

Рис. 3. Сварочные трансформаторы: а — конструктивная схема трансформатора ТСК-500; б — электрическая схема трансформатора ТСК-500: 1 — сетевые зажимы для проводов; 2 — сердечник (магнитопровод); 3 — рукоятка регулирования тока; 4 — зажимы для подсоединения сварочных проводов; 5 — ходовой винт; 6 — катушка вторичной обмотки; 7 — катушка первичной обмотки; 8 — компенсирующий конденсатор; в — параллельное; г — последовательное соединение обмоток трансформатора ТД-500; ОП — первичная обмотка; ОВ — вторичная обмотка; ПД — переключатель диапазона токов; С — защитный фильтр от радиопомех.

Рис.4 Портативный сварочный аппарат

На рис. 3-а,б показаны принципиальная электрическая и конструктивная схемы трансформатора ТСК-500. При повороте рукоятки 3 трансформатора по часовой стрелке катушки обмоток 6 и 7 сближаются, вследствие чего магнитное рассеяние и вызываемое им индуктивное сопротивление обмоток уменьшаются, а величина сварочного тока увеличивается. При повороте рукоятки против часовой стрелки катушки вторичной обмотки удаляются от катушек первичной обмотки, магнитное рассеяние увеличивается и величина сварочного тока уменьшается.

Трансформаторы снабжены емкостными фильтрами, предназначенными для снижения помех радиоприему, создаваемых при сварке. Трансформаторы типа ТСК отличаются от ТС наличием компенсирующих конденсаторов 8, обеспечивающих повышение коэффициента мощности (соs φ). На рис. 3, в показана принципиальная электрическая схема трансформатора ТД-500.

ТД-500 представляет собой понижающий трансформатор с повышенной индуктивностью рассеяния. Сварочный ток регулируют изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками. Обмотки имеют по две катушки, расположенные попарно на общих стержнях магнитопровода. Трансформатор работает на двух диапазонах: попарное параллельное соединение катушек обмоток дает диапазон больших токов, а последовательное — диапазон малых токов.

Последовательное соединение обмоток за счет отключения части витков первичной обмотки позволяет повысить напряжение холостого хода, что благоприятно отражается на горении дуги при сварке на малых токах.

При сближении обмоток уменьшается индуктивность рассеяния, что приводит к увеличению сварочного тока; при . увеличении расстояния между обмотками увеличивается индуктивность рассеяния, а ток соответственно уменьшается. Трансформатор ТД-500 имеет однокорпусное исполнение с естественной вентиляцией, дает падающие внешние характеристики и изготавливается только на одно напряжение сети — 220 или 380 В.

Трансформатор ТД-500 ~ однофазный стержневого типа состоит из следующих основных узлов: магнитопровода — сердечника, обмоток (первичной и вторичной), регулятора тока, переключателя диапазонов токов, токоуказательного механизма и кожуха.

Алюминиевые обмотки имеют по две катушки, расположенные попарно на общих стержнях магнитопровода. Катушки первичной обмотки неподвижно закреплены у нижнего ярма, а вторичной обмотки — подвижные. Переключение диапазонов тока производят переключателем барабанного типа, рукоятка которого выведена на крышку трансформатора. Величину отсчета тока производят по шкале, отградуированной соответственно на два диапазона токов при номинальном напряжении питающей сети.

Емкостной фильтр, состоящий из двух конденсаторов, служит для снижения помех радиоприемным устройствам.

Правила техники безопасности при эксплуатации сварочных трансформаторов. В процессе работы электросварщик постоянно обращается с электрическим током, поэтому все токоведущие части сварочной цепи должны быть надежно изолированы. Ток величиной 0,1 А и выше опасен для жизни и может привести к трагическому исходу. Опасность поражения электрическим током зависит от многих факторов и в первую очередь от сопротивления цепи, состояния организма человека, влажности и температуры окружающей атмосферы, напряжения между точками соприкосновения и от материала пола, на котором стоит человек.

Сварщик должен помнить, что первичная обмотка трансформатора соединена с силовой сетью высокого напряжения, поэтому в случае пробоя изоляции это напряжение может быть и во вторичной цепи трансформатора, т. е. на электрододержателе.

Напряжение считается безопасным: в сухих помещениях до 36 В и в сырых до 12 В.

При сварке в закрытых сосудах, где повышается опасность поражения электрическим током, необходимо применять ограничители холостого хода трансформатора, специальную обувь, резиновые подстилки; сварка в таких случаях ведется под непрерывным контролем специального дежурного. Для снижения напряжения холостого хода существуют различные специальные устройства — ограничители холостого хода.

Сварочные трансформаторы промышленного использования, как правило, подключают к трехфазной сети 380 В, что в бытовых условиях не всегда удобно. Как правило, подключение индивидуального участка к трехфазной сети хлопотно и дорого, и без особой нужды это не делают. Для таких потребителей промышленность выпускает сварочные трансформаторы, рассчитанные на работу от однофазной сети с напряжением 220 — 240 В. Пример такого портативного сварочного аппарата приведен на рис.4. Этот аппарат, обеспечивающий разогрев дуги до 4000°С, уменьшает обычное сетевое напряжение, одновременно повышая сварочный ток. Ток в установленном диапазоне регулируется с помощью ручки, смонтированной на передней панели аппарата. В комплект аппарата входит сетевой кабель и два сварочных провода, один из которых соединен с электрододержателем, а второй - с заземляющим зажимом.

Обычно для домашних работ вполне подходят аппараты, вырабатывающие сварочный ток в 140 ампер при 20-процентном рабочем цикле. При выборе аппарата следует обращать внимание на то, чтобы регулировка сварочного тока была плавной.

Что такое сварочная дуга

Сварочная дуга используется человечеством для неразъемного, герметичного соединения металлов более века назад. Ее изучением занимался физик Вольт. Затем появились устройства для сварки. Электрический разряд возникает в момент короткого замыкания между электродом и свариваемой деталью. Электрическая энергия преобразуется в тепловую, образуется ванна расплава. Создается диффузный однородный слой металла на месте свариваемого стыка.

Изучив вольт-амперные характеристики процесса, ученые усовершенствовали процесс сварки, создали сварочные аппараты, поддерживающие стабильное горение дуги.

Что такое сварочная дуга, определение

Что можно назвать сварочной дугой – это, по сути, длительный проводник, состоящий из ионизированных частиц, существующий во времени благодаря поддерживающему электрическому полю. Дуговой разряд характеризуется непрерывной формой, высокой температурой, возникает в газовой среде, способной к ионизации.

В учебниках сварщика определение сварочной электродуги звучит следующим образом: это длительный электрический разряд в плазме, состоящей из смеси ионизированных воздушных или защитных газов, а также испарившихся компонентов присадочного и основного металла.

Природа и строение

За короткое время разогреть металл до температуры плавления можно мощной сварочной дугой. Ее свойства характеризуются плотностью тока, вольтамперными показателями. С точки зрения электротехники, дуговой столб – ионизированный газовый проводник между катодом и анодом с большим сопротивлением, способностью к свечению. Детальное рассмотрение строения сварочной дуги поможет понять сущность температурного воздействия. Длина электродуги в среднем составляет 5 мм, она делится на основные зоны:

анодную, она не более 10 микрон;
катодную, она в 10 раз меньше анодной;
столб – видимая светящаяся полоска.

За температуру сварочной дуги отвечает поток свободных электронов. Они образуются на катодном пятне. Оно разогревается до 38% температуры плазмы. В дуговом столбе электроны двигаются к аноду, а положительные частицы – к катоду. У столба нет собственного заряда, он остается нейтральным. Внутри частицы разогреваются до 10 000°С, металл при этом в среднем нагревается до 2350°С, стандартная температура ванны расплава составляет 1700°С.

Место входа и нейтрализации электронов называют анодным пятном. Его температура выше, чем катодного на 4–6%.

Напряжение в анодной и катодной зонах существенно снижается, свечения не возникает. Видима только плазма, излучающая ультрафиолетовые, инфракрасные и световые волны. Они вредны для органов зрения, кожи. Поэтому сварщики используют индивидуальные средства защиты.

Виды сварочной дуги

Существует несколько критериев классификации сварочной дуги. По типу сварочного тока и положению электрода относительно свариваемых элементов выделяют следующие разновидности:

прямого действия, разряд перпендикулярен заготовке, параллелен электроду;
косвенного действия, разряд возникает между двух электродов, наклоненных друг к другу под углом от 40 до 60°, и металлом.

Классификация состава плазмы столба:

открытого типа возникает в воздушной атмосфере благодаря испаряемым из обмазки и металла компонентам;
закрытая, возникающая под слоем флюса за счет газообразной фазы, образовавшейся из частиц электрода, металла, компонентов флюса при прохождении разряда;
с подачей газовой смеси или однокомпонентного защитного газа.

Классифицируют дуговую сварку по материалу разжигающего электрода. Используют электроды:

вольфрамовые тугоплавкие
угольные или графитовые;
стальные с различным типом обмазки, в состав которой входят ионизирующие компоненты.

По длительности воздействия различают стационарную (постоянную) электродугу и импульсную, применяемую при контактной сварке.

Условия горения

Сущность сварочного процесса заключается в преобразовании электрической энергии в тепловую.

Для поддержания сварочного столба необходимо создать условия для быстрой ионизации газа: детали прогревают, чтобы воздух вокруг них был теплым, или подают в рабочую зону газ, способный ионизироваться. Легче всего ионизируются частицы щелочных и щелочноземельных металлов. При пропускании тока через стержень их частицы становятся активными.

Чтобы дуговой столб не угасал, важно поддерживать постоянную температуру в катодной области. Она напрямую зависит от химического состава катода, его площади. Нужная температура поддерживается источником тока, в промышленных условиях она достигает 7 тысяч градусов.

Как возникает электрическая сварочная дуга

Как и любой электрический разряд, сварочная электродуга появляется при замыкании цепи. Возникновение тока при касании электрода к свариваемому металлу приводит к выработке большого количества тепла. В точке замыкания появляется расплав, он тянется за кончиком электрода, образуется шейка, которая мгновенно распыляется из-за сильного тока. Происходит ионизация молекул воздуха и защитного облака, они переносят поток электронов.

Направленность потока зависит от рода тока. Дуга разжигается на постоянном токе обратной и прямой полярности, на переменном. Частота угасания и розжига электродуги зависит от параметров рабочего тока.

Чем определяется мощность сварочной дуги

На мощностные параметры электродуги влияют несколько факторов:

напряжение, возрастание приводит к увеличению мощности только в небольшом диапазоне, существуют ограничения по размеру электрода;
сила тока, большой ампераж обеспечивает стабильное горение;
величина напряжения плазмы, пропорциональна мощности.

Длиной сварочной дуги называют расстояние от сварного кратера до кончика электрода. От этой величины зависит объем выделившегося тепла.

По мощности сварочной дуги определяют скорость плавления металла. От этой характеристики зависит время выполнения сварочных работ. Регулировка силы тока производится для корректировки температуры в рабочей зоне, даже на длинном столбе электродуга не будет затухать при большом ампераже. Напряжение редко изменяют в процессе сварки.

Вольт-амперная характеристика

ВАХ описывает зависимость токовых параметров. С помощью этого графика определяют:

мощность дуги;
время горения,
условия гашения.

Динамическая ВАХ описывает неустановившееся состояние электродуги, когда ее длина колеблется. Статическая вольт-амперная характеристика отражает зависимость вольтажа от ампеража при постоянной дуговой длине. График делится на три области:

падающая – при подъеме силы тока напряжение резко спадает, это связано с формированием столба: площадь сечения плазменного потока возрастает, электропроводность плазмы изменяется;
жесткая, это участок стабильной плотности тока и падения напряжения, с ростом ампеража от 100 до 1000 А пропорционально увеличивается диаметр дугового столба (анодное и катодное пятна, соответственно, изменяются);
возрастающая, характеризуется постоянным размером катодного пятна, она ограничена диаметром электрода, при увеличении ампеража по закону Ома увеличивается U, R дугового столба.

Статическая вольт-амперная харакетиристика сварочной дуги: 1 — падающая; 2 — жесткая; 3 — возрастающая.

ВАХ процесса обычной ручной сварки с использованием плавящихся и неплавящихся электродов на воздухе или в облаке защитного газа ограничена двумя первыми областями, до третьей ампераж не доходит. Механизированной сварки с использованием флюсов соответствует графику II и III областей, сварка плавящимся электродом в облаке защитной атмосферы – III.

При использовании оборудования, генерирующего переменный ток, возбуждение сварочной дуги происходит в каждом полупериоде, на пике зажигания. При переходе через ноль электродуга затухает, нагрев активных пятен прекращается. Покрытия электродов, содержащие активные щелочные металлы, повышают устойчивость ионизации. Защитное облако затрудняет розжиг на переменном токе, но поддерживают горение на постоянном. Между полюсами возникает ионизация молекул газа.

При выборе оборудования необходимо это учитывать, что вольт-амперная характеристика электродуги зависит от внешней ВАХ. Работу сварочного аппарата рассматривают как наложение графиков. Для ручной сварки необходимы источники питания с падающими областями ВАХ (повышенным напряжением холостого хода), чтобы была возможность изменять длину дуги, регулируя ампераж. Сила тока короткого замыкания во время падения капли с плавящегося электрода на свариваемый металл на 20–50% выше дугового тока. Для сварки плавящимся электродом используют дугу размыкания. Для розжига дуги вольфрамовым или угольным электродом желателен вспомогательный разряд.

При высоких значениях тока короткого замыкания возрастает риск прожогов металла. При падении капли происходит замыкание, затем резко возрастает до первоначальных значений – ампераж возрастает до величины тока короткого замыкания, образовавшийся мостик перегорает, дуга возбуждается снова. Изменения тока и напряжения в столбе происходят моментально, за доли секунды. Сварочное оборудование должно быстро реагировать на колебания, стабилизировать напряжение.

Особенности дуги

Благодаря особым свойствам, электрическая дуга используется при сварке с тугоплавкими и плавящимися электродами. Она быстро разогревает металл, образуя ванну расплава. Электрический ток эффективно преобразуется в тепловую энергию с минимальными потерями.

По природе происхождения электрическую сварочную дугу можно сравнить с другими видами электрических зарядов. Основные отличительные характеристики дуги:

Читайте также: