Теоретические сведения

Электрическая дуга представляет собой длительный устойчивый электрический разряд между двумя электродами в ионизированной газовой среде.

Дуговой разряд – один из видов электрического разряда в газах: дуга представляет собой устойчивый дуговой разряд. Другие виды электрического разряда в газах: искровой – кратковременный, который происходит при помощи источника, недостаточной для поддержания устойчивого дугового разряда: коронный, возникающий в сильно неоднородных электрических полях и проявляющийся в виде интенсивного свечения ионизированного газа: тлеющий, возникающий при низких давлениях газа (используется в газосветных трубках).

Для сварки металлов обычно используют электрическую дугу прямого действия (рис 20,1 стр57)

Большая концентрация тепла и высокая температура дуги (5000ºС - 7000ºС – по оси столба) позволяют расплавлять практически все металлы и сплавы. На поверхности анода и катода температура дуги снижается до 3500ºС -4000ºС. Столб дуги окружен пламенем (ореолом).

Электрическая дуга возникает в результате сильного нагрева торца электрода (катода), который под действием электрического поля начинает испускать свободные электроны. В дуговом промежутке образуются положительно и отрицательно заряженные частицы- ионы. В образовании дуги главную роль играют положительные ионы. Процесс образования ионов называют ионизацией; газ в дуговом промежутке, содержащий ионы, становится ионизированным, а дуговой промежуток - электропроводным.

Проводимость ионизированного газа в дуговом промежутке не зависит от степени ионизации. Степень ионизации - отношение количества заряженных частиц в данном объеме газа к общему количеству частиц до начала ионизации. Чем выше степень ионизации газа, тем устойчивее дуга. Количество энергии, необходимое на образование свободного электрона и положительного иона, называют потенциалом ионизации (табл.?). Соединения, в которые входят эти элементы, вводят в покрытия электродов или в защитный флюс.

Электрическую дугу возбуждают коротким замыканием сварочной цепи и последующим быстрым отводом электрода от свариваемого изделия (рис?)

Если в сварочную цепь параллельно включен источник тока высокого напряжения и высокой частоты (осциллятор), то дуга возникает без касания электродом свариваемого изделия, а на расстоянии 2-3 мм от него.

При горении дуги на поверхности свариваемого изделия образуется ванна расплавленного металла (сварочная ванна) с углублением – кратером. Расстояние от конца электрода до поверхности сварочной ванны называется длиной дуги. Длина дуги при ручной дуговой сварке металлическим электродом составляет от 1,5 до 6 мм. Нормальной считается дуга, длина которой равна 0,5÷1 диаметр электрода. При длине более одного диаметра электрода дуга называется длинной.

Сварку обычно выполняют по возможности короткой дугой. При сварке длинной дугой происходит сильное разбрызгивание, окисление капель расплавленного металла, что ведет к пористости шва и плохому сплавлению наплавленного и основного металлов.

При сварке угольным электродом длина дуги может достигать 15-20 мм.

При наложении шва длина дуги должна быть одинаковой на всех участках, так как при значительном изменении длины дуги меняется её электрическая проводимость, следовательно, напряжение, ток, температура и глубина плавления тоже будут изменяться, что может привести к различным дефектам сварного шва.

По роду тока дуга бывает постоянного и переменного тока. Электрическая дуга постоянного тока может иметь прямую (плюс на изделии) или обратную (плюс на электроде) полярность. При прямой полярности уравновешивается количество тепла, т.е. на тонком электроде его выделяется меньше, чем на более массивном изделии. На прямой полярности устойчивее горит дуга между угольным (графитовым, вольфрамовым) электродом и изделием и, кроме того, в несколько раз меньше расход неплавящегося электрода (испарение).

Обратная полярность применяется при необходимости выделения меньшего количества тепла в свариваемом изделии, например при сварке покрытыми электродами тонких и мелких изделий, легированных, в частности нержавеющих сталей, некоторых цветных металлов. Иногда, кроме того, требуется увеличить количество тепла, выделяемого на электроде, например при сварке электродами УОНИИ-13, в покрытии которых содержится значительное количество соединений фтора.

На дугу постоянного тока, особенно при сварочных токах большой величины, оказывает действие магнитное поле, которое отклоняет дугу от её оси (рис?), наклоном электрода в сторону отклонения дуги (рис?), уменьшением длины дуги.

При питании дуги от источника переменного тока (частота 50 Гц) дуга будет гаснуть и вновь зажигаться один раз в течение каждого полупериода. Во время этих перерывов будет уменьшаться степень ионизации дугового промежутка, что снизит устойчивость дуги. Для повторного зажигания дуги требуется несколько большее напряжение, чем напряжение горения.

Для повышения устойчивости дуги переменного тока можно применять повышенное напряжение зажигания (по сравнению с постоянным током), введение в покрытия электродов элементов с низким потенциалом ионизации и включение в сварочную цепь индуктивного сопротивления для сдвига нулевого значения тока относительно нулевого значения напряжения.

Промышленностью выпускается большое количество источников питания дуги электрическим током, обеспечивающее многочисленные технологические процессы.

Источники питания сварочной дуги должны удовлетворять следующим основным требованиям:

· напряжение холостого хода (при разомкнутой сварочной цепи) должно быть достаточным для легкого зажигания и устойчивого горения дуги, но не превышать для источников переменного тока – 80 В и для источников постоянного тока – 90 В; обычно это напряжение составляет 50-70 В;

· должны быть рассчитаны на работу при коротких периодических замыканиях сварочной цепи. Ток короткого замыкания должен быть в пределах 1,25-2 значений рабочего тока;

· должны обеспечивать легкое зажигание во всем диапазоне регулирования сварочного тока, начиная с 40-50 А;

· при изменении напряжения на дуге сварочный ток не должен существенно изменяться. В противном случае небольшие изменения длины дуги в процессе сварки (напряжение на дуге зависит от её длины) привели бы к нарушениям режима;

· источник питания должен иметь устройство для регулирования сварочного тока. На монтажных площадках целесообразно применение дистанционных регуляторов.

Источники питания подразделяются по следующим признакам:

· по роду тока – на источники постоянного тока (сварочные выпрямители и электромагнитные генераторы постоянного тока – преобразователи и агрегаты) и переменного тока (трансформаторы и однофазные электромагнитные генераторы повышенной частоты);

· по способу установки – на стационарные и передвижные;

· по количеству обслуживаемых постов – на однопостовые и многопостовые;

· по мощности – на малую, среднюю, большую;

· по схеме подключения к сети – на много- и однофазные;

· по назначению – на источники для ручной дуговой сварки покрытыми электродами, для автоматической и полуавтоматической и др.;

· по конструктивному исполнению.

Зависимость напряжения на зажимах источника питания, к которым присоединены сварочные провода, от величины сварочного тока называется внешней характеристикой источника питания. Источники питания могут иметь четыре вида внешних характеристик (рис.?): крутопадающую (кривая 1), пологопадающую (кривая 2), жесткую (кривая 3) и возрастающую (кривая 4). Как правило, источник питания имеет какую-либо одну из указанных характеристик, однако конституция некоторых источников позволяет получать от каждого из них два или даже три вида характеристик.

Выбор источника питания по виду внешней характеристики производится в зависимости от заданного способа сварки.

Для ручной дуговой сварки наилучшая характеристика источника - крутопадающая. Из рисунка? видно, что при довольно частых изменениях длины дуги (l1-l2), а следовательно, напряжения (m) возможных вследствие ручного управления электродом, сварочный ток меняется незначительно (n), устойчивость дуги высокая и в сварном шве не будет дефектов.

Для сварки неплавящимся электродом также наиболее приемлема крутопадающая характеристика.

Выбор источника сварочной дуги обусловливается:

· видом сварки;

· характером производства;

· свойствами свариваемых металлов;

· условиями работы источника;

· применяемыми электродами.

Для ручной дуговой сварки применяют любые источники питания с крутопадающей внешней характеристикой.

Стационарные сварочные посты, сконцентрированные в цехах и мастерских, обычно питаются от многопостовых источников питания (выпрямителей или преобразователей); сварочные посты, расположенные на значительном расстоянии друг от друга, комплектуются однопостовыми источниками питания.

Конструкции из низкоуглеродистых сталей можно сваривать дугой, питающейся от любого источника; изделия из легированных сталей требуют применения сварки постоянным током при обратной полярности; источники постоянного тока применяют также для сварки цветных металлов, чугуна, для наплавки и плазменной резки.

Для сварочных работ, выполняемых в закрытых, отапливаемых помещениях, целесообразно применять сварочные выпрямители более чувствительные к температурным изменениям; на открытом воздухе лучше эксплуатировать преобразователи и трансформаторы.

К источникам питания переменного тока относят сварочные трансформаторы. Их делят на три группы:

1. Трансформаторы с нормальным рассеянием и отдельной реактивной обмоткой (дросселем (рис.?);

2. Трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием (рис.?);

3. Трансформаторы с жесткой характеристикой (рис.?).

Наиболее распространены трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием, а именно с подвижными вторичными обмотками (ТС-300, ТС-500,ТСК-300, ТСК-500,ТД-300 и др.). Основная масса трансформаторов в мастерской электросварки типа ТД. Имеется также трансформатор с магнитным шунтом (см. схемы).

рис.?

Источники питания сварочной дуги постоянного тока разделяют на преобразователи (вращающиеся или электромагнитные), сварочные агрегаты (с приводом от двигателей внутреннего сгорания) и сварочные выпрямители.

Сварочный преобразователь состоит асинхронного двигателя и генератора постоянного тока, собранных в одном корпусе. Ротор двигателя и якорь генератора находятся на одном валу. Преобразователь установлен на раме или на колесах.

рис?

Сварочный агрегат состоит из генератора постоянного тока и двигателя внутреннего сгорания, валы которых соединены эластичной муфтой. Генератор и двигатель установлены на общую раму. Двигатель снабжен регулятором оборотов и баком для горючего.

Сварочный выпрямитель представляет собой аппарат, преобразующий переменный ток в постоянный (пульсирующий) при помощи полупроводниковых вентилей.

Сварочный выпрямитель состоит из следующих двух частей: трансформатора с устройством для регулирования сварочного тока или напряжения и выпрямительного блока, собранного по трехфазной мостовой схеме.

Принципиальная схема выпрямителя представлена на рисунке?. Из схемы видно, что в каждый момент времени ток проходит через два вентиля; В течение одного периода происходит шесть пульсаций выпрямленного тока (вместо двух пульсаций при однофазной системе)

рис?

В сварочных выпрямителях используют селеновые и кремниевые вентили. Селеновые вентили имеют меньший к.п.д., но обладают большей перегрузочной способностью, чем кремниевые. Поэтому селеновые вентили применяют в выпрямителях как с падающей, так и с жесткой характеристикой, а кремниевые – главным образом с падающей характеристикой, где ток короткого замыкания незначительно превышает рабочий ток. Кремниевые вентили требуют интенсивного охлаждения, поэтому выпрямители снабжают вентиляторами.

Падающая характеристика в сварочном выпрямителе создается включением в цепь реактивной катушки или применением трансформатора с увеличенным магнитным рассеянием. Во многих выпрямителях трансформаторы имеют подвижные первичные обмотки. Сварочный ток регулируется изменением расстояния между обмотками трансформатора.

рис.?

Имеются также многопостовые сварочные трансформаторы (на три сварочных поста) с питанием каждого сварочного поста от одной из трех фаз, например СТЭ-34; сварочные преобразователи на 6, 7, 9 постов; выпрямители на 6, 7, 9, 18, 30 сварочных постов. Многопостовые источники сварочного тока имеют жесткую внешнюю вольтамперную характеристику. Для создания падающей характеристики на каждом посту и регулирования сварочного тока служат реостаты типа РБ (РБ 201, РБ 301, РБ 301У2 и др.). Они позволяют производить ступенчатую регулировку сварочного тока от 10 до 200 А (для РБ 201), от 10 до 300 А (для РБ 301), от 10 до 317 А (для РБ 301У2).

Задание

1. Определить типа источника сварочного тока для каждого сварочного поста. Занести в отчет, согласно нумерации кабин.

2. Ознакомиться с принципом регулировки сварочного тока на каждом из источников питания. Занести в отчет способы регулировки.

3. По рисунку определить основные элементы сварочного поста переменного и постоянного тока. Найти существенное отличие.

рис.?

4. Получить электроды с рутиловым покрытием (МР-3, ОЗС-12), зажечь дугу и наложить валик 5-15 см а) пользуясь источником постоянного тока, б) пользуясь источником переменного тока.

5. Получить электроды с основным покрытием и произвести те же операции.

Занести в таблицу наблюдения в следующем виде:

№ опыта	Марка электрода	Источник питания (ток переменный или постоянный)	Устойчивость горения дуги (устойчиво или неустойчиво горит дуга и почему?)	Пульсации дуги (заметны, слегка заметны, ощутимы). Указать причины	Внешний вид наложенного валика (хороший, удовлетворительный, неудовлетворительный). Указать причины.