Богодухов С.И., Бондаренко Е.В., Проскурин А.Д. и др. Материаловедение и технологические процессы машиностроительного производства. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

301

а - упрощённая схема; б - осциллограмма трёхфазного напряжения;

в - осциллограмма трёхфазного выпрямленного напряжения

Рисунок 26.2 – Схема трёхфазного выпрямителя

26.2.3 Инверторные установки

Это сварочные установки на сварочные токи от 5 до 450 А:

/W1

- дуговая сварка вольфрамовым электродом (W – электрод)

в среде инертного газа (T1

);

/DC – способ T1

на постоянном токе;

/AC – способ T1

на переменном токе;

/pulser – способ T1

пульсирующим током;

302

/HF - способ T1

с системой бесконтактного возбуждения дуги

высоковольтным и высокочастотным разрядом;

/contact – способ T1

с контактным возбуждением дуги касанием

об изделие.

Некоторые модели оснащаются процессорной системой управления,

которая рассчитывает и контролирует все необходимые для оптимальной ду-

ги параметры. Легко программируются сварочные характеристики.

Главным преимуществом инверторных установок является их низкий

вес, примерно в 10 раз меньше по сравнению с выпрямителями и трансфор-

маторами. Это достигается за счёт высокой частоты преобразования сетевого

напряжения.

аб

где

аб

- габаритная мощность установки,

- частота.

Частота промышленной сети 50 Гц, частота работы инверторной уста-

новки 50 – 100 кГц.

Блок – схема инверторной установки показана на рисунке 26.3

1 – низкочастотный выпрямитель; 2 – инвертор;

3 – высокочастотный трансформатор; 4 – высокочастотный

выпрямитель; 5 – сопротивление обратной связи;

6 – электрод; 7 – заготовка; 8 – блок обработки сигналов

Рисунок 26.3 – Блок-схема инверторного источника

питания сварочной дуги

Работает установка следующим образом. Сетевое напряжение посту-

пает на низкочастотный выпрямитель 1. Постоянное напряжение с выпрями-

303

теля 1 поступает на инвертор 2, который выпрямленное напряжение преобра-

зует в высокочастотное (50-100 кГц). Трансформатор 3 снижает напряжение

до безопасных значений для работы сварщика. Со вторичной обмотки транс-

форматора 3 выпрямитель 4 подаёт сварочный ток в нагрузочную цепь через

сопротивление 5 для обеспечения обратной связи через блок обработки сиг-

налов 8. Трансформатор 3 высокочастотный. На вторичной обмотке всего не-

сколько витков. Именно он и даёт значительное снижение веса источника.

Среди дополнительных функций следует отметить:

- Antistik - не даёт привариваться электроду во время зажигания дуги;

- Hochstart, горячий старт – даёт повышенный ток во время зажигания дуги;

- в случае длительного короткого замыкания срабатывает защита, ток

отключается. При разрыве цепи после короткого замыкания не возникает ду-

га. Работоспособность восстанавливается через 5 с.

26.3 Порядок выполнения работы

Для исследования внешних характеристик генератора и определения

пределов регулирования сварочного тока необходимо:

1) установить в приспособлении – штативе два графитовых электрода

(стержень диаметром 15-20 мм и графитовый столбик) и подключить к ним

сварочные провода от преобразователя ПСО – 300.

2) установить минимальный ток генератора;

3) включить преобразователь и, не замыкая электродов, записать по по-

казаниям вольтметра напряжение холостого хода (таблица 26.1);

Таблица 26.1 - Результаты исследования внешних характеристик сва-

рочного генератора ПСО –300 А

Положение регулирующих

устройств

Холостой

ход

Рабочий режим Короткое

замыкание

реостат клеммная

коробка

к.з

75 А 180 А

180 А 180 А

120 А 300 А

300 А 300 А

4) установить зазор между электродами 2-3 мм, включить прямую по-

лярность и возбудить дугу. Записать показания приборов при рабочем режи-

ме;

5) закрепить в электродержателе медный электрод, произвести им ко-

роткое замыкание (3-5 с);

6) установить реостат (для генератора ПСО – 300 А) в положение

«180 А» и повторить опыты в соответствии с пунктами 1 – 5;

304

7) отключить преобразователь от сети (для генератора ПСО - 300 А),

переключить сварочный провод на клемму «300 А», а реостат поставить в

положение «120 А» по наружной шкале и, включив преобразователь, повто-

рить опыты;

8) перевести реостат в положение «300 А», повторить опыты.

26.4 Содержание отчета

26.4.1 Цель работы.

26.4.2 Назначение сварочных преобразователей и выпрямителей.

26.4.3 Электрическая схема генератора с независимой обмоткой возбу-

ждения и с самовозбуждением.

26.4.4 Внешняя характеристика генератора.

26.4.5 Анализ полученных результатов

26.4.6 По внешней характеристике дать заключение о назначении пре-

образователей.

26.4.7 Принцип работы инверторных установок

26.5 Контрольные вопросы

26.5.1 Преимущества и недостатки источников питания сварочной дуги

постоянным током.

26.5.2 Как устроен генератор с независимой обмоткой возбуждения и с

самовозбуждением?

26.5.3 Как регулируется сила сварочного тока в сварочных генерато-

рах?

26.5.4 Как регулируется сила сварочного тока в сварочных выпрямите-

лях?

26.5.5 Какая внешняя характеристика источника питания сварочной ду-

ги необходима при ручной дуговой сварке, сварке под слоем флюса, сварке в

среде защитных газов и почему?

26.5.6 Каким образом обеспечивается крутопадающая внешняя харак-

теристика сварочных выпрямителей?

26.5.7 Какое максимальное напряжение холостого хода сварочных ге-

нераторов и почему?

26.5.8 Какие электроды используют при ручной сварке постоянным то-

ком?

305

27 Лабораторная работа № 27

Исследование стабильности горения сварочной дуги при электри-

ческой сварке открытой дугой

27.1 Цель работы

27.1.1 Исследовать влияние ионизирующих компонентов, применяе-

мых в электродных покрытиях, на устойчивость электрической сварочной

дуги.

27.1.2 Изучить способы стабилизации дуги.

27.2 Общие сведения

27.2.1 Основы теории сварочной дуги

Электрическая сварочная дуга представляет собой устойчивый дли-

тельный электрический разряд в газовой среде между твердыми или жидки-

ми электродами, осуществляемый при высокой плотности тока и сопровож-

даемый выделением большого количества теплоты. Потребляемая дугой

электрическая энергия преобразуется в световую и тепловую. Поэтому сва-

рочная дуга является концентрированным источником света и тепловой энер-

гии, используемой для расплавления электрода и свариваемого металла.

Основными элементами сварочной дуги постоянного тока являются:

катодное пятно, анодное пятно и столб дуги (рисунок 27.1).

Катодное пятно образуется на нагретой торцевой поверхности электро-

да, из которой происходит эмиссия электронов. Температура и площадь ка-

тодного пятна зависят от силы сварочного тока. С повышением силы свароч-

ного тока площадь катодного пятна увеличивается, а температура достигает

2500 ºС и более. На катодном пятне, наряду с выделением тепла, происходит

расходование энергии на эмиссию электронов.

Анодное пятно образуется на поверхности свариваемого металла. На

анодное пятно падает поток электронов, при падении электроны выделяют

свою кинетическую энергию. Вследствие этого площадь и температура анод-

ного пятна больше, чем катодного. Это свойство сварочной дуги использует-

ся при выборе полярности электрода и изделия при сварке на постоянном то-

ке.

При прямой полярности (анод – изделие) количество тепла больше вы-

деляется на изделии, при обратной (анод – электрод) – на электроде. Обычно

температура анодного пятна больше 3000 ºС.

306

1 – покрытый электрод; 2 – катодное пятно; 3 - катодная область;

4 – газовый столб дуги; 5 – анодная область; 6 – анодное пятно;

7 – глубина проплавления сварочной ванны; 8 – основной металл

Рисунок 27.1 – Строение сварочной дуги

Область между анодным и катодным пятнами называется столбом ду-

ги. Выделение энергии в столбе дуги W пропорционально силе тока I и паде-

нию напряжения газового столба дуги U

ст

= I · U

ст

. (27.1)

В зависимости от величины сварочного тока температура столба дуги

может достигнуть максимального значения 7500 ºС. Для возбуждения дуги в

начальный момент необходимо несколько большее напряжение, чем при ее

последующем горении. Это объясняется тем, что при возбуждении дуги воз-

душный зазор недостаточно нагрет, степень ионизации недостаточно высо-

кая и необходимо большее напряжение, способное сообщить свободным

электронам достаточно большую энергию, чтобы при их столкновении с ато-

мами газового промежутка могла произойти ионизация.

Ионизация газовой среды характеризуется степенью ионизации, т.е.

отношением числа заряженных частиц в данном объеме к первоначальному

числу частиц (до начала ионизации). При полной ионизации степень иониза-

ции будет равна единице.

На рисунке 27.2 представлен график зависимости степени ионизации

от температуры нагрева некоторых элементов. Из графика видно, что при

температурах 6000 - 8000 ºС такие вещества как калий, натрий, кальций об-

ладают достаточно высокой степенью ионизации. Пары этих элементов,

находясь в дуговом промежутке, обеспечивают легкость возбуждения и

307

Рисунок 27.2 – Степень ионизации от температуры нагрева некоторых

элементов

устойчивое горение дуги. Это свойство щелочных металлов объяс-

няется тем, что атомы этих металлов обладают малым потенциалом иониза-

ции.

Потенциалом ионизации U (В) называется отношение работы W (Дж),

которая необходима для удаления одного электрона из атома вещества, к за-

ряду этого электрона q (Кл), т.е.

U =

. (27.2)

Сложные атомы, содержащие в своем составе много электронов, имеют

несколько потенциалов ионизации. Первый потенциал ионизации соответст-

вует удалению из атома электрона, который находится в наружной оболочке

атома и слабее других связан с ним. Удаление следующих электронов, рас-

положенных ближе к ядру и сильнее связанных с ним, потребует большей

работы. Поэтому вторые и последующие потенциалы ионизации, соответст-

вующие удалению второго и последующего электронов, будут больше (таб-

лица 27.1).

Таблица 27.1 - Величина потенциала ионизации различных элементов

Элементы К Na Ba Li Al Ca Cr Mn

U, эВ 4,32 5,12 5,19 5,37 5,96 6,08 6,74 7,40

Элементы C H O N He Fe Aт

U, эВ 11,22 13,53 13,56 14,51 21,5 7,83 15,7

Величина потенциала ионизации элементов зависит от величины заря-

да ядра, радиуса атома и других факторов.

308

Как видно из таблицы 27.1,наименьшими потенциалами ионизации об-

ладают калий, натрий, барий, литий, алюминий, кальций и другие. Поэтому

для повышения устойчивости горения электрической дуги эти вещества вво-

дят в зону дуги в виде электродных покрытий или флюсов.

На практике эти вещества используются в виде химических соедине-

ний (мел CaCO

; поташ K

; сода Na

; хромат калия K

CrO

Ионизирующие действия материалов электродных покрытий оценива-

ют по обрывной (критической) длине сварочной дуги.

В газовом промежутке между двумя электродами ионы возникают в ре-

зультате: термоэлектронной и фотоэлектронной эмиссии катода; автоэлек-

тронной эмиссии; эмиссии, вызванной ударами частиц и объемной иониза-

ции.

При электрической дуговой сварке плавлением металлическими элек-

тродами возможны все виды эмиссии электронов.

Зависимость напряжения дуги от тока в сварочной цепи называют ста-

тической вольтамперной характеристикой дуги.

1 2 3

Рисунок 27.3 – Вольт-амперная характеристика дуги

Вольтамперная характеристика дуги (рисунок 27.3) имеет три области:

падающую 1, жесткую 2 и возрастающую 3.

В области 1 (до 100 А) с увеличением тока напряжение значительно

уменьшается. Это происходит в связи с тем, что при повышении тока увели-

чивается поперечное сечение, а, следовательно, и проводимость столба дуги.

В области 2 (100 – 1000 А) при увеличении тока напряжение сохраня-

ется постоянным, так как сечение столба дуги и площади анодного и катод-

ного пятен увеличиваются пропорционально току. Область характеризуется

постоянством плотности тока.

В области 3 увеличение тока вызывает возрастание напряжения

вследствие того, что увеличение плотности тока выше определенного значе-

ния не сопровождается увеличением катодного пятна ввиду ограниченности

сечения электрода. Дуга в области 1 горит неустойчиво и поэтому имеет ог-

309

раниченное применение. Дуга в области 2 горит устойчиво и обеспечи-

вает нормальный процесс сварки.

Вольтамперная характеристика дуги (рисунок 27.4) при ручной дуго-

вой сварке низкоуглеродистой стали, представлена в виде кривых “а” (длина

дуги 2 мм) и “б” (длина дуги 4 мм). Кривые “в” и “г” относятся к автоматиче-

ской сварке под флюсом при высоких плотностях тока.

а – длина дуги 2 мм; б – длина дуги 4 мм;

в, г – автоматическая сварка под флюсом

при высоких плотностях тока

Рисунок 27.4 – Вольтамперная характеристика дуги

при ручной дуговой сварке

Напряжение, необходимое для возбуждения дуги, зависит: от рода тока

(постоянный или переменный); дугового промежутка; материала электрода и

свариваемых кромок; покрытия электродов и ряда других факторов. Значе-

ния напряжений, обеспечивающих возникновение дуги в дуговых промежут-

ках, равных 2-4 мм, находятся в пределах 40-70 В.

Длиной дуги называется расстояние между торцом электрода и по-

верхностью сварочной ванны. Короткой дугой называют дугу длиной 2-4 мм.

Длина нормальной дуги составляет 4-6 мм. Дугу длиной более 6 мм называ-

ют длинной.

Оптимальный режим сварки обеспечивается при короткой дуге. При

электрической дуговой сварке переменным током питание сварочной дуги

происходит от сварочного трансформатора синусоидального напряжения.

= U

ам

·Sin (ωt + φ), (27.3)

где U

ам

– амплитудное значение напряжения источника питания, В;

ω – угловая частота тока (ω = 2πf), 1/с;

φ – угол сдвига фазы напряжения источника по отношению к току,

град.

310

В схему питания дуги переменным током могут быть последовательно

включены активное сопротивление R

и индуктивное L

(рисунок 27.5).

Рисунок 27.5 - Принципиальная схема питания сварочной дуги посто-

янного тока

Возможны отклонения от этой принципиальной схемы. Когда индук-

тивность в сварочной цепи отсутствует (L

= 0), величина сдвига фазы φ = 0.

Следовательно,

= U

ам

· Sin(ωt). (27.4)

Поэтому при t = 0 и t =T/2 напряжение источника равно нулю (рисунок 27.6).

Фактически при каждом периоде в промежуток времени t

= t

+ t

сва-

рочная дуга не горит. Повышение стабильности горения сварочной дуги

(уменьшение отрезка времени t

) достигается путем уменьшения напряжения

зажигания дуги U

. Зажигание дуги будет возможно, когда напряжение ис-

точника U

достигает значения напряжения зажигания дуги U

, т.е. когда:

ам

· Sin(ωt

) = U

, (27.5)

где t

– время зажигания дуги, с.

В период горения сварочной дуги напряжение дуги остается постоян-

ным.

Для большей устойчивости горения сварочной дуги переменного тока

напряжение зажигания должно быть не более

= (1,5 – 2,5) · U

. (27.6)

Для обеспечения этого требования напряжение холостого хода источ-

ника сварочного тока должно отвечать требованию

2≥

. (27.7)