Технологическая характеристика и особенности управления сварочными источниками питания.

Требования к источникам питания определяются родом сва­рочного тока (постоянный, переменный) и характером его модуляции (непрерывный, импульсный униполярный, импульсный разнополярный, высокочастотный), которые в свою очередь за­висят от марки и толщины свариваемого металла.

Источник постоянного тока (рис. 2.10) рекомендуется для сварки большинства материалов средних толщин за исключением алю­миниевых сплавов.

Сварку выполняют, как правило, дугой прямой полярности (минусна электроде). В сравнении с дугой обратной полярности в данном случае более благоприятное распределение теплоты дуги, поскольку большая ее часть идет в анод (свариваемое изделие). Это позволяет увеличить токовую нагрузку на электрод и благода­ря этому поднять производительность. Обычно источник питания представляет собой выпрямитель, состоящий из трансформатора и выпрямительного блока на диодах или тиристорах. Можно ис­пользовать и инверторный выпрямитель. Внешняя ВАХ источника питания должна быть крутопадающей с напряжением холостого хода 50...80 В, т.е. в 4—6 раз превышающим рабочее. При этом обеспечивается устойчивость процесса сварки и стабильность тока при колебаниях длины дуги, что особенно важно при малой толщине изделия.

Рис. 2.10. Структурная схема (а) и циклограмма (б) источника постоянного тока

Начальное зажигание дуги обычно выполняют бесконтактным
способом с помощью высоковольтного высокочастотного генератора-осциллятора или возбудителя, поскольку при контактном способе зажигания наблюдается недопустимое загрязнение шва вольфрамом и повышенный расход электрода. Зажигание дуги коротким замыканием допустимо, если источник обеспечивает ус­тановку тока короткого замыкания ниже сварочного. Основной источник защищают от высокого напряжения высокочастотного генератора с помощью фильтра высоких частот.

Заварка кратера при механизированной сварке должна обеспечиваться благодаря плавному снижению тока с помощью специального устройства. Это же устройство иногда используют для плавного нарастания тока в начале сварки, что защищает электрод от разрушения. Поэтому регулирование тока должно быть плавным с очень высокой кратностью — не менее пяти. Обычно регулятор тока воздействует на тиристорный выпрямительный блок или об­мотку управления трансформатора, в новейших конструкциях регулирование выполняют с помощью инвертора или полупроводникового коммутатора.

Программное управление последовательностью включения и выключения отдельных устройств источника (рис. 2.10, б) обес­печивает следующий цикл работы: подачу газа перед сваркой в течение 0,5... 3 с; включение осциллятора и зажигание дуги; сварку в течение длительного времени; заварку кратера в течение 3... 15 с; защиту шва газом в течение 3...30 с после сварки.

Источник переменного тока (рис. 2.12) используют при сварке алюминиевых сплавов. На него распространяют все вышеизложен­ные требования к источнику постоянного тока. Специфические требования, вызванные особенностями дуги переменного тока, сформируем на основе анализа осциллограмм тока и напряже­ния (рис. 2.12, б). При этом необходимо учитывать различие физи­ческих свойств тугоплавкого вольфрамового электрода и сравнительно легкоплавкого основного металла — алюминия. В полупериоде прямой полярности, когда катодом является нагретый выше 4 000 К вольфрамовый электрод, мощная термоэлектронная эмиссия обеспечивает значительный ток прямой полярности I_пр и интенсивное плавление основного металла.Напряжение зажигания дуги почти равно напряжению дуги прямой полярности м_пр и при короткой дуге в аргоне может составлять 10 В. В полупериоде обратной полярности для зажиганий дуги за счет механизма автоэлектронной эмиссии требуется очень
большое напряжение if_3o6p — около 200 В, так как термоэлектронная эмиссия со сравнительно холодного алюминиевого катода ничтожно мала.

Рис. 2.12. Структурная схема (а) и осциллограмма (6) источника пере­менного тока:

i_пр, i_обр — ток прямой и обратной полярности; i_пост — постоянная составляющая тока; и_пр, u _обр — напряжение прямой и обратной полярности; U_з.о6р — напряжение зажигания дуги обратной полярности

Велико и напряжение горения дуги обратной полярности м_о6роно превышает 20 В. Сила тока обратной полярности I_обр на 20... 50 % ниже I_пр, однако он вызывает интенсивное катодное pacпыление оксидной пленки А1₂О₃ благодаря бомбардировке алюминиевой детали положительными ионами. Сварку алюминия на постоянном I_о6р применяют ограниченно из-за сильного нагрева электрода, ее рекомендуют лишь при токе до 150 А. Удачная альтернатива — это сварка на переменном токе, но она предъявляет к источнику питания особые требования.

Надежное повторное зажигание дуги при переходе к полупе­риоду обратной полярности обеспечивают с помощью импульс­ного стабилизатора, генерирующего импульс, достигающий зна­чений и_з.обр.

Еще одно требование связано с наличием постоянной состав­ляющей сварочного тока. Действительно, поскольку i _пр> i _обр, кривую сварочного тока можно представить как сумму симметричного переменного тока i и постоянной составляющей i _пост.

Постоянная составляющая тока вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, его перегрев, сильную вибрацию и повреждение изоляции обмоток. Подавление постоянной составля­ющей (ликвидация или уменьшение) выполняет специальное устройство. Следует заметить, что с технологической точки зрения постоянная составляющая тока полезна. Более того, ее иногда спе­циально усиливают для увеличения проплавления основного металла большим током прямой полярности. Разумеется, сварка на асимметричном переменном токе допустима только при обеспе­чении безаварийной работы источника.

Импульсный источник для сварки пульсирующей дугой рекомендуют для соединения деталей малой толщины, поскольку при правильном подборе параметров импульса и паузы удается снизить опасность прожога. Программное управление током осуществляют с помощью маломощного генератора импульсов — полупроводникового мультивибратора (см. рис. 2.10 и 2.12). Время импульса и паузы необходимо настраивать плавно и независимо друг от друга в интервале 0,04... 1 с. Ток импульса и паузы также следует настраивать плавно и независимо. Глубина модуляции — отношение тока импульса к току паузы I_и/I_п — должна изменяться от 1 до 10.

I'm2.13. Структурная схема (а) и ос­циллограмма (б) источника разнополярных импульсов: I_пр, I_обр — ток импульсов прямой и обратнойполярности; t _пр, t_oбp — время импульса прямой и обратной полярности

Источник разнополярных импульсов (рис. 2.13) предназначен для сварки алюминиевых сплавов и состоит из двух силовых каналов каждый из которых включает в себя трансформатор и выпрямительный блок. Один канал предназначен для питания дуги npямой полярности, другой — дуги обратной полярности. С помощь силового полупроводникового коммутатора каналы попеременно подключаются к дуге, генерируя прямоугольные импульсы npямой и обратной полярности (рис. 2.13, б).

Время импульса прямой полярности настраивают в интервал t_np = 0,001...0,1 с, обратной полярности — t_обр = 0,001...0,01. Ток прямой I_пр и обратной I_обр полярности регулируют плавно независимо в каждом из каналов. Как правило, I_обр устанавливают небольшим, но достаточным для удаления оксидной пленки, настраивают в зависимости от толщины изделия и диаметра электрода, он может превышать I_обр в 1,5—4 раза.

Рис. 2.14. Инверторный импульсный источник:

а — упрощенная схема; б — импульсный переменный ток; в и г — амплитудное и частотное модулирование тока; Т — трансформатор; VI, V2 — выпрямительные блоки; VT1, VT2 — транзисторы

Высокочастотный источник обычно создают на базе инверторного (рис. 2.14).

Инвертор — это устройство, преобразующее постоянное вы­прямленное напряжение в высокочастотные импульсы, проходящие через обмотки трансформатора Т. Инвертор в комбинации со схемой выпрямления V2 со стороны вторичной обмотки транс­форматора называется конвертором. Конвертор — устройство для понижения или увеличения постоянного напряжения с промежуточным высокочастотным преобразованием.

Как известно, переменный высокочастотный ток в инверторном источнике питания получают путем попеременного включе­ния транзисторов VT1 и VT2. На дугу можно подавать как пере­менный ток от трансформатора Т (рис. 2.14, б), так и несглаженный выпрямленный с блока V2 (рис. 2.14, в, г). Пульсирующий ток может быть получен также из постоянного с помощью высо­кочастотного полупроводникового коммутатора, установленного и сварочной цепи. Высокочастотный ток придает дуге вместо ко­нической эллипсоидную форму, это ограничивает ее блуждание и повышает пространственную устойчивость, особенно при малых токах. Испытаны инверторные источники питания на частоту ком­мутации до 100 кГц.