Основные теоретические положения. Сварочной дугой называется мощный электрический разряд в среде ионизированных газов и паров между электродами

5.1.1 Сварочная дуга

Сварочной дугой называется мощный электрический разряд в среде ионизированных газов и паров между электродами, находящимися под напряжением. На рисунке 5.1 схематически изображена дуга, питаемая от источника постоянного тока. Дуга, горящая между катодом (электродом) 1 и анодом 2, имеет прикатодную область 3, столб 4 и прианодную область 5. Протяженности катодной и анодной областей очень малы, большую часть дуги составляет столб.

Напряжение дуги, то есть разность потенциалов между катодом и анодом, зависит от длины дуги и силы тока, материалов и размеров электродов, состава и давления плазмообразующей среды. При неизменной силе тока напряжение дуги U_э зависит от ее длины l_э

U_э=а+bl_э,

где а – сумма падения напряжения в катодной и анодной областях дуги;

b – напряженность столба дуги, для стальных электродов а=8-25 В, b=2,3-4,3 В/мм.

При выборе источника питания решающее значение имеет характер зависимости между напряжением и током дуги.

Графическое изображение зависимости напряжения дуги от тока называется статической вольтамперной характеристикой или статической характеристикой дуги. Как видно на рисунке 5.2, статическая характеристика трех участков: падающего I, жесткого II, возрастающего III. В зависимости от условий существования сварочной дуги ей соответствует тот или иной участок статической характеристики. Так, при ручной сварке статическая характеристика дуги падающая с переходом к жесткой. При механизированной сварке под флюсом и в углекислом газе характеристика дуги жесткая с переходом к возрастающей.

Рисунок 5.1 – Сварочная дуга постоянного тока

Рисунок 5.2 – Статическая характеристика сварочной дуги

5.1.2 Требования к источникам питания сварочной дуги

Источники питания сварочной дуги должны выполнять следующие функции:

а) Обеспечивать надежное возбуждение дуги.

Для обеспечения надежного возбуждения дуги напряжение холостого хода U должно быть не ниже 40 В. По условиям безопасности напряжение холостого хода не должно превышать 80 В для источников питания переменного тока и для источников постоянного тока – 90 В (за исключением специализированных источников).

б) Поддерживать устойчивое горение дуги.

Устойчивое горение дуги обеспечивается правильным выбором внешней характеристики источника питания. Например, для ручной сварки при падающей статической характеристики 2 дуги (см.рисунок 5.3) источник питания должен иметь более крутопадающую внешнюю характеристику 1. Как видно на рисунке 5.3, равенство токов и напряжений дуги и источника в этом случае имеет место в точках А и В. Однако только точка А соответствует устойчивому горению дуги (объяснить это самостоятельно).

К источникам переменного тока предъявляют специальные требования, связанные с пониженной устойчивостью дуги переменного тока. Для устойчивого горения дуги переменного тока необходимо увеличивать напряжение холостого хода и сварочный ток источника, а также использовать источники с большой индуктивностью.

в) Способствовать благоприятному переносу электродного металла и формированию сварочного шва.

Быстрое нарастание тока короткого замыкания при касании капли электродного материала ванны жидкого металла свариваемых изделий приводит к взрыву капли, ее разбрызгиванию и ухудшению формы шва. Для уменьшения разбрызгивания в сварочную цепь последовательно с дугой включают дроссель, обладающий большим индуктивным сопротивлением, или применяют источники питания с крутопадающей характеристикой, благодаря чему снижается величина тока короткого замыкания.

г) Обеспечить возможность настройки требуемого режима сварки.

Режим сварки обычно регулируют изменение силы сварочного тока обычно с помощью источника. Все возможные способы регулирования тока можно свести к двум: изменением напряжения холостого хода U_и сопротивлением Z источника. Если увеличивать напряжения холостого хода источника (см.рисунок 5.4, а), то его характеристика сместится вправо и пересечется с характеристикой дуги при больших токах. Если увеличивать сопротивления источника,

То это соответствует смещению его характеристики влево (см.рисунок 5.4,б) и энергия, отдаваемая источником дуге, уменьшается, а ток снизится.

Рисунок 5.3 – работа источника под нагрузкой

Рисунок 5.4 – Характеристики источника при разных режимах

5.1.3 Сварочный выпрямитель ВСС-300

Выпрямитель сварочный селеновый (ВСС) предназначен для ручной сварки, резки и наплавки металлов постоянным током.

ВСС-300 состоит из:

а) понижающего трансформатора;

б) выпрямителя;

в) пусковой и защитной аппаратуры.

Таблица 5.1 – Технические данные ВСС-300

Первичное напряжение, В	220/380
Вторичное напряжение холостого хода, В	65/68
Номинальное вторичное напряжение, В
Номинальный сварочный ток, А
Пределы регулирования сварочного тока при номинальном вторичном напряжении, А а) диапазон малых токов U/U б) диапазон больших токов D/D	40-115 110/320
Потребляемая мощность полезного действия в номинальном режиме, кВА	21,5
Коэффициент полезного действия в номинальном режиме, %
Масса, кг

а) Понижающий трансформатор.

Падающая внешняя характеристика и регулирование сварочного тока достигается с помощью трансформатора с подвижными катушками первичного напряжения и большим магнитным расееянием.

На рисунке 5.5 показан принцип действия такого трансформатора. При подключенной нагрузке (I₂≠0) часть магнитного потока трансформатора замыкается по воздуху, образуя поток рассеяния Ф_р. Поэтому поток Ф₂, пронизывающий вторичную обмотку, при подключенной нагрузке меньше, чем поток Ф₁, пронизывающий первичную обмотку. Соответственно и напряжение U₂, наводимое потоком Ф₂ во вторичной обмотке, уменьшится по сравнению с U₀, наводимым при холостом ходе (I₂=0) потоком Ф₁ на некоторую величину Е_р, которую называют ЭДС рассеяния. Таким образом, вторичное напряжение трансформатора снижается из-за потерь на внутреннем сопротивлении, называемом индуктивным сопротивлением трансформатора. С ростом тока вторичной обмотки увеличивается поток и ЭДС рассеяния. Поэтому с увеличением нагрузки напряжение на выходе трансформатора U₂уменьшается, то есть внешняя характеристика такого трансформатора – падающая.

Плавное регулирование сварочного тока достигается за счет изменения расстояния между обмотками, а следовательно магнитного потока рассеяния Ф_р и индуктивного сопротивления трансформатора.

Грубое регулирование, переход с диапазона малых токов на диапазон больших токов и наоборот, производят переключением первичной и вторичной обмоток трансформатора на схему U/U или D/D.

Рисунок 5.5 – Трансформатор с подвижным обмотками

б) Выпрямитель.

Выпрямитель служит для преобразования переменного тока, получаемого от трансформатора, в постоянный для получения большей устойчивости горения дуги.

Выпрямитель собран по трехфазной мостовой схеме из селеновых шайб на алюминиевой основе размером 100´400 мм. Каждый выпрямительный блок типа АВС-400-126 собран по схеме 6´2´1 (шесть плеч, две шайбы в плече последовательно, одна параллельно). Для охлаждения выпрямителя применен вентилятор.

Принципиальная электрическая схема ВСС-300 представлена на рисунке 5.6.

Рисунок 5.6 – Упрощенная принципиальная схема ВСС-300

в) Пусковая и защитная аппаратура устанавливается отдельно.