Тиристорный сварочный выпрямитель как замкнутая система автоматического регулирования

Параметры сварочного выпрямителя можно регулировать вручную или по заданному закону от автоматического регулятора. Если угол регулирования в управляемом выпрямителе задавать вручную и не изменять в процессе нагрузки, то выпрями­тель будет работать на естественных внешних характеристиках, приведенных для одной из схем выпрямления на рис. 3-6. Такие характеристики могут найти в сварке очень ограниченное при­менение, например для сварки в углекислом газе без стабилиза­ции режима при колебаниях напряжения сети.

В большинстве случаев возникает необходимость получения различных внешних характеристик (жестких, полого- и крутопадающих, с регулируемой крутизной наклона и др.), стабилиза­ции режима при колебаниях напряжения сети, автоматического и программного изменения тока и напряжения во времени.

Эти задачи могут быть решены, если сварочный выпрямитель снабдить автоматическим регулятором. Автоматический регулятор АР (рис. 5-6), система импульсно-фазо­вого управления СФУ и непосредственно тиристорный выпрямитель В составляют замк­нутую систему автоматического регулиро­вания. Нагрузкой сварочного выпрямителя является сварочная дуга СД. Система СФУ является исполнительным органом системы авторегулирования.

Автоматический регулятор (рис. 5-7), в свою очередь, состоит из датчика регули­руемой величины Д, блока задания БЗ тре­буемого значения регулируемой величины, элемента сравнения ЭС и усилительного элемента У. В сварочных выпрямителях элемент сравнения и уси­литель обычно объединены.

 

 

ТЕМА 10.

ТРАНЗИСТОРНЫЕ ИНВЕРТОРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ. НАЗНАЧЕНИЕ, КОНСТРУКЦИЯ, ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИНЦИП РАБОТЫ. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ С ИНВЕРТОРОМ. МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА.

 

3.1. Функциональные возможности инверторных источников питания. Объем наплавленного металла, полученный дуго­вой сваркой, во всем мире превышает 90 %. Ис­точники питания (ИП) сварочной дуги являются одним из основных элементов технологической це­пи, в значительной степени влияющим на качество получаемых сварных соединений, а также на тех­нико-экономические показатели процесса дуговой сварки в целом.

Полупроводники открыли конструкторам возмож­ность создать новые сварочные источники. Сначала в сварочных выпрямителях были примене­ны кремниевые диоды, затем появились тиристоры и, наконец, транзисторы, используемые в современ­ных инверторных источниках. Однако не смотря на применение новой элементной базы, сварочные источники питания оставались по прежнему достаточно тяжелыми и громоздкими, т.к. их основной вес был сосредоточен в трансформаторе. Из электротехники известна формула, по которой определяется размер сердечника трансформатора

, (1)

где U₂₀ - напряжение холостого хода трансформатора;

w₂ - количество витков вторичной обмотки;

В - индукция в сердечнике;

f - частота.

Из формулы видно, что уменьшить сечение сердечника, а следовательно и вес трансформатора, можно за счет снижения U₂₀ или увеличения w₂, В, f. По пути уменьшения U₂₀ шли разработчики традиционных бытовых трансформаторов. Однако, при U₂₀<50В зажигание дуги становится практически невозможным, поэтому уменьшение U₂₀ дает относительно небольшое снижение веса, причем в ущерб стабильности при зажигании дуги. Увеличение w₂ также практически ничего не дает т.к. одновременно увеличивается w₁ и снижая вес сердечника, мы увеличиваем вес отмоток. Увеличить индукцию В не позволяют характеристики современных трансформаторных сталей. Практически единственным путем уменьшения размеров сердечника явилось увеличение частоты - f. Именно по этому пути пошли разработчики инверторных источников питания.

В 1984 году шведский концерн ЭСАБ разработал свой первый инверторный выпрямитель «Caddy», весящий всего 8 кг. Новая система ЭСАБ «New Aristo System» является примером новейших разработок в области сварочного оборудования, предоставляющих все необходимые функции без усложнения ввода сварочных программ.

Первое поколение аппаратов серии Aristo появилась в 1988 году. Были пред­ложены новые возможности:

- программируемое микропроцессорное управле­ние сварочным током и всем процессом сварки;

- возможность использовать одно и то же оборудова­ние для различных видов сварки (MIG, TIG, ММА);

- «синергетические линии», оптимизирующие процесс сварки

- импульсный режим МИГ сварки;

- обратная связь управления сварочными пара­метрами, что гарантирует лучшую точность и повторяемость;

- улучшенные функции начала и конца сварки.

Очевидно, что отличные сварочные характеристики и возможность оптимизировать процесс в каждой конкретной ситуации улучшают качество сварки. Уменьшается разбрызгивание и улучшается внеш­ний вид шва.

3.2. Принцип работы инверторных источников питания. Функциональная схема инверторного источника сварочного тока показана на рис.1. Напряжение сети промышленной частоты (в данном примере трехфазной, 380В) преобразуется входным выпрямителем в постоянное порядка 500В. Это напряжение в свою очередь преобразуется с помощью инвертора в переменное повышенной частоты (от единиц до десятков кГц), которое затем поступает на понижающий высокочастотный трансформатор. Вторичная обмотка трансформатора нагружена на диодный выпрямитель, к выходу которого через сглаживающий дроссель подключены электрод и изделие.

 

 

Рис.1. Функциональная схема инверторного источника питания

Питание трансформатора напряжением высокой частоты позволяет существенно снизить расход материалов, идущих на его изготовление. Так, при частоте питающего напряжения 10кГц по сравнению с частотой 50Гц масса трансформатора и его габаритные размеры уменьшаются примерно в 3 раза, а при частоте 50кГц - уже в 15-17 раз. Например, расчетная масса трансформатора мощностью 20кВА при питании напряжением частотой 50Гц составляет 120кг, а при 50кГц составляет 7кг. Такое уменьшение массы активных материалов способствует существенному снижению (в 25 раз) потерь мощности, а значит, росту КПД.

3.3. Схема выпрямителя с двухтактным транзисторным инвертором (рис. 2) наиболее удобна для объяснения процесса инвертирования. Сетевой выпрямительный блок V1 преобразует переменное напряжение сети в постоянное, которое сглаживается с помощью низкочастотного фильтра L1 — С1. Затем выпрямленное напряжение u _вс преобразуется в однофазное переменное u₁ высокой частоты с помощью инвертора на двух транзисторах VT1 и VT2. Далее напряжение понижается трансформатором T до u₂, выпрямляется блоком вентилей V2, проходит через высокочастотный фильтр L2 — С2 и подается на дугу в виде сглаженного напряжения u _в.

 

Рис.2. Принципиальная схема (а) и осциллограммы напряжений (б) выпрямителя с двухтактнымтранзисторным инвертором

 

Инвертор — это устройство, преобразующее постоянное напряжение в высокочастотное переменное. Процесс инвертирования происходит следующим образом. При подаче сигнала на базу транзистора VT1 отпирается его коллекторная цепь, и по пер­вичной обмотке трансформатора Т в интервале времени t ₁протекает ток в направлении, показанном тонкой линией. При снятии сигнала с базы этот ток прекращается. С некоторой задержкой отпирается транзистор VT2, при этом в интервале времени t ₂ ток по трансформатору идет уже в другом направлении, показанном пунктиром. Таким образом, по пер­вичной обмотке трансформатора идет переменный ток. Длительность его периода Т и частота переменного тока f = 1/Т зависят от частоты запуска транзисторов, определяемой системой управления. Обычно частота уста­навливается на уровне 1-100 кГц. Поскольку эта частота не зависит от частоты сети, такой инвертор называют автономным.

Если на входе инвертора установлен мощный накопительный кон­денсатор С1, то напряжение инвертора u ₁имеет прямоугольную форму, как показано на рис. 4.42,6. Такую конструкцию называют автономным инвертором напряжения (АИН). Напротив, если на входе инвертора уста­новить мощный дроссель L1, а обмотку трансформатора Т шунтировать конденсатором, то сглажен будет уже входной ток. Такой преобразова­тель называется инвертором тока (АИТ). Наконец, возможна конструк­ция, в которой благодаря наличию последовательно соединенных индук­тивности и емкости образуется колебательный контур с синусоидальным током, она названа резонансным инвертором (АИР).

В выпрямителе с инвертором используется амплитудное, частотное и широтное регулирование режима сварки.

Например, если входной выпрямительный блок выполнить тиристорным, то при увеличении напряжения U_BC увеличивается и амплитудавысокочастотного напряжения U₂ и среднее значение U_B выпрямленного напряжения (рис. 3, а):

U_BC ↑Þ U₁ ↑Þ U₂ ↑Þ U_B ↑

 

Возможно также регулирование изменением частоты импульсов (рис. 3, б):

f ↑Þ T ↓Þ U_B ↑

 

Но наибольшее распространение получил способ широтно-импульсного регулирования (рис. 3, в):

 

t ↑Þ U_B ↑,

 

поскольку при постоянной частоте облегчается выбор параметров выход­ного фильтра, а также снижается спектр электромагнитных помех, кото­рые легче устранить входным фильтром.

Рис. 3. Осциллограммы при регулировании напряжения изменением амплитуды (а), частоты (б) и ширины (в) импульсов

3.4. Внешние характеристики выпрямителя с инвертором зависят глав­ным образом от конструктивных особенностей инвертора и трансформа­тора (рис. 4,а). Естественная внешняя характеристика собственно ин­вертора АИН почти жесткая (линия 1). Но поскольку индуктивное со­противление трансформатора Хт, пропорциональное частоте инвертиро­вания f, велико даже при небольшом магнитном рассеянии, то характе­ристика выпрямителя в целом получается падающей (линия 3). Обыч­но же внешние характеристики формируются искусственно с помощью системы управления. Например, для получения крутопадающих харак­теристик вводится отрицательная обратная связь по току, при которой с увеличением сварочного тока частота инвертирования снижается, что приводит к уменьшению выпрямленного напряжения (линия 2):

I_д ↑Þ f ↓Þ U_B ↓

Рис. 4. Внешние характеристики выпрямителей с ин­вертором

 

Подобным же образом для получения жестких характеристик вво­дится обратная связь по выпрямленному напряжению:

 

U_B ↓Þ f ↑Þ U_B ↑Þ U_B = const.

 

В выпрямителе с инвертором сравнительно легко получить комби­нированную внешнюю характеристику (рис. 4, б), сформированную из нескольких участков. Крутопадающий участок 1 необходим для за­дания сравнительно высокого напряжения холостого хода, что полезно при зажигании дуги. Пологопадающий основной участок 2 обеспечивает эффективное саморегулирование при механизированной сварке в угле­кислом газе. Вертикальный участок 3 ограничивает сварочный ток, что предотвратит прожог при сварке тонкого металла. Последний участок 4 задает величину тока короткого замыкания. Положение каждого участка настраивается с помощью отдельных регуляторов. Так, при сварке в углекислом газе перемещением по вертикали участка 2 регу­лируется сварочное напряжение, а при сварке покрытыми электродами перемещением участка 3 устанавливается сила тока.

Естественные внешние характеристики выпрямителя зависят от конструкции инвертора и трансформатора. Искусственные характери­стики формируются с помощью обратных связей по току и напряжению.

 

3.5 Однотактный инверторный преобразователь с прямым включением диода VD 3в составе выходного выпрямительного блока показан на рис. 5. С момента t ₁при отпирании транзисторов VT1 и VT2 по первичной обмотке трансформатора идет импульс тока, показан­ный тонкой линией (рис. 5,а). Затем следует пауза t ₂ - t ₄, после чего в этом же направлении проходит такой же импульс тока. Таким образом, в однотактном инверторе ток оказывается переменным только по вели­чине, но не по направлению.

Недостатком такой схемы являются зна­чительные перенапряжения на транзисторах в момент их выключения. Этот дефект устраняется при установке рекуперационных (обратных) ди­одов VD1, VD2. благодаря которым с момента t ₂выключения транзисто­ров энергия, запасенная в индуктивности первичной цепи, возвращается во входной фильтр. При этом по первичной обмотке через диоды по пу­ти, показанному пунктирной линией, идет ток, постепенно снижаясь к моменту t ₃.

 

Рис. 5. Однотактный преобразователь с прямым включением диода

 

Теперь обратимся к процессам в сварочной цепи. Импульс тока, транс­формированный во вторичной обмотке с момента t ₁, передается нагрузке через диод VD 3по пути, показанному тонкой линией. С момента t ₂ток в нагрузке поддерживается в основном за счет энергии, запасенной в ин­дуктивности L. С этой целью используется обратный диод VD4, ток по которому показан пунктиром. При достаточно большой индуктивности L выпрямленное напряжение U _В может быть сглаженным до уровня, прие­млемого по условиям технологического процесса (рис. 5, в).

Регулирование выходного напряжения U _В осуществляется изменени­ем интервала включенного состояния транзисторов t _Тпо соотношению

 

(2)

 

так что с увеличением t _Т возрастает и U _В:

 

t _Т↑Þ I_VT ↑Þ U_B ↑

 

Достоинствами однотактного преобразователя с прямым включением диода являются относительная простота схемы и малое число полупро­водниковых элементов, а также довольно большая мощность. Существенным недостат­ком схемы следует считать сравнительно большие размеры магнитопровода и обмоток у трансформатора, так как в этой конструкции маг­нитный поток трансформатора не меняет направления, поэтому размах колебаний магнитной индукции не превышает 20-30 % от индукции на­сыщения В _НАС. Это вынуждает к существенному увеличению сечения магнитопровода и размеров обмоток. С целью уменьшения насыщения магнитопровода ограничивают коэффициент заполнения импульсов t _Т /Т величиной менее 0,5, а в конструкции магнитопровода предусматривают немагнитный зазор.

 

ТЕМА 11.

МНОГОПОСТОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

 

4.6.1. Общие сведения о многопостовых системах

При наличии в цехе большого количества постов сварки рационально использование многопостовых систем питания (от 4 до 30 постов на один источник). Многопостовые трансформаторы в настоящее время серийно не выпускаются. Многопостовые выпрямительные системы изготовляют на токи 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 3150, 4000 и 5000 А. По на­значению различают системы для ручной сварки, для механизированной сварки в защитном газе и универсальные.

Система имеет общий источник, шинопровод и постовые устройства (рис. 4.59). Перспективны два варианта систем: выпрямитель с посто­выми реостатами, дросселями или полупроводниковыми регуляторами и трансформатор с постовыми управляемыми выпрямительными блоками. Любая из систем должна иметь развязку постов, т. е. обеспечивать незави­симость работы постов друг от друга. Поэтому внешняя характеристика общего источника должна быть жесткой. Действительно, при падающей характеристике короткое замыкание на одном из постов вызвало бы сни­жение напряжения и погасание дуги на других постах. Кроме того, для развязки ток короткого замыкания поста должен быть ограничен, напри­мер, наличием балластного реостата или дросселя.

Широко распространена более простая система (рис. 4.59,а). В ней ис­пользуется многопостовой выпрямитель, состоящий из трансформатора Т и силового выпрямительного блока V. Шинопровод с целью экономии кабеля, как правило, выполняется общим для всего цеха в виде голых медных шин, проложенных по стене. Сечение шинопровода рассчитыва­ется так, чтобы у самого отдаленного потребителя напряжение источни­ка не снизилось более чем на 5 %. Постовые балластные реостаты R1, R2 выполняют функции развязки, регулирования режима и формирования падающей характеристики.

Уравнение внешней характеристики на отдельном посту

 

Рис. 4.59. Принципиальные схемы многопостовых выпрями­тельных систем: а — с постовыми регуляторами; б — с посто­выми выпрямительными блоками

На рис. 4.60 видно, что с ростом сварочного тока I_d увеличиваются потери напряжения на балластном реостате I_дR_б и снижается напряжение поста U _п

При малом сопротивлении реостата получают пологопадающие характе­ристики, необходимые для сварки в защитном газе, при большом сопро­тивлении — крутопадающие характеристики, используемые при ручной сварке.

Рис. 4.60. Внешняя характеристика поста с балластным реостатом

 

При жесткой характеристике общего источника внешняя характе­ристика поста получается падающей благодаря наличию балластного реостата.

Из уравнения (4.24), учитывая, что напряжение после балластного реостата подается на дугу (U _П = U_d) получаем уравнение для анализа способов регулирования режима

Основной способ регулирования тока при ручной сварке — изменением сопротивления балластного реостата:

При механизированной сварке в защитном газе балластным реоста­том регулируют напряжение дуги, иногда для этой же цели меняют и напряжение основного источника U _x. При сварке в защитном газе могут также использоваться дроссели для регулирования скорости нарастания тока короткого замыкания с целью снижения разбрызгивания.

В многопостовых системах регулирование режима выполняется в основном изменением сопротивления балластного реостата.

При проектировании многопостовой системы и выборе тока общего источника I _в учитывают количество постов п и средний ток поста I_П

Вторая система многопостового питания (рис. 4.59, б) в отличие от более простой обеспечивает раздельное и глубокое регулирование тока и напряжения. Здесь постовое устройство представляет собой тиристорный выпрямительный блок, с помощью которого формируется характеристи­ка любого типа, что придает источнику универсальность.

Многопостовые выпрямительные системы обладают следующими до­стоинствами. Стоимость их меньше суммарной стоимости заменяемых ими однопостовых выпрямителей, они занимают меньше места, упроща­ется их обслуживание. Но КПД многопостовой системы с учетом потерь в балластных реостатах низок — 0,4-0,75. Кроме этого главного недо­статка следует отметить также повышенный расход сварочных проводов (при отсутствии общего шинопровода) и опасность массового простоя при выходе из строя общего источника.

 

ТЕМА 12.

СВАРОЧНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, АГРЕГАТЫ

4.6.2. Назначение, классификация

Сварочный генератор преобразует механическую энергию вращения якоря в электрическую энергию постоянного тока, необходимую для сварки. Генератор поставляется потребителю отдельно или в комплекте с приводным двигателем. Преобразователи, представляющие собой комби­нацию асинхронного трехфазного двигателя переменного тока и свароч­ного генератора постоянного тока, в настоящее время не выпускаются. Агрегаты, состоящие из двигателя внутреннего сгорания и сварочного генератора, применяют в основном при ручной сварке в полевых услови­ях, на монтаже и ремонте, где отсутствует электрическая сеть питания. В данном курсе подробно изучаются только генераторы. Различают кол­лекторные и вентильные генераторы. Коллекторные генераторы класси­фицируют в зависимости от способа возбуждения и получения необходи­мых внешних характеристик. В настоящее время используются только следующие типы коллекторных генераторов:

а) с независимым возбуждением и последовательной размагничиваю­щей обмоткой;

б) с самовозбуждением и последовательной размагничивающей об­моткой.

Вентильные генераторы представляют собой комбинацию генерато­ра переменного тока и выпрямительного блока, в зависимости от кон­струкции которых и различаются. Нашли применение такие генераторы переменного тока:

а) синхронный индукторный;

б) синхронный с явнополюсным ротором;

в) асинхронный;

и выпрямительные блоки:

а) на неуправляемых вентилях;

б) тиристорные;

в) с транзисторным преобразователем.

Требования к вращающимся источникам постоянного тока регламен­тируются следующими стандартами: ГОСТ 304-82 «Генераторы постоян­ного тока для дуговой сварки» и ГОСТ 2402-82 «Агрегаты сварочные с двигателями внутреннего сгорания». Основные параметры этих источ­ников, предназначенных для ручной сварки покрытыми электродами, приведены в табл. 5.1. Высокая устойчивость горения дуги постоянного тока — важное достоинство сварочных генераторов по сравнению с транс­форматорами.

Существенным недостатком вращающихся источников является сложность конструкции и высокая трудоемкость изготовления, особенно коллекторных генераторов и приводных двигателей внутреннего сгора­ния. Они существенно дороже трансформаторов и даже выпрямителей.

Эксплуатационные характеристики вращающихся источников срав­нительно низкие. Их КПД не превышает 0,7. Поэтому, например, у пре­образователей удельный расход электроэнергии на 1 кг расплавленного электродного металла не ниже 5 кВт • ч. Поскольку эти источники имеют вращающиеся части, их надежность сравнительно невелика, особенно ча­сто из строя выходит коллекторное устройство. Кроме того, они занимают сравнительно много места, шумны в работе.

ТЕМА 13.

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ В ИНЕРТНОМ ГАЗЕ

 

3.1. Особенности горения дуги и требования к источникам для сварки неплавящимся электродом в инертном газе

Рис. 1. Схема сварки неплавящимся электродом в инерт­ных газах: 1 – мундштук, 2– электрод, 3– сопло, 4– присадочный пруток, 5– изделие, 6 – защитный газ

Сварка неплавящимся электродом в инертных газах (TIG – tungsten Inert gas) рекомендуется для соединения высокопрочных, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, алюминиевых, магниевых и титано­вых сплавов, как правило, небольшой толщины. Наибольшее распро­странение получила аргоно-дуговая сварка свободной (несжатой) дугой (рис.1). Неплавящийся. точнее, тугоплавкий вольфрамовый электрод крепится в сварочной горелке. Инертный газ защищает электрод и зону сварки от воздействия воздуха. Сварка ведется электродами диаметром от 1 до 10мм на токе от 25 до 500А при напряжении от 10 до 30 В.

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

Источник постоянного тока (рис. 2) рекомендуется для сварки большинства материалов малой и средней толщины за исключением алю­миниевых сплавов. Сварка выполняется, как правило, дугой прямой по­лярности (– на электроде). В сравнении с дугой обратной полярности здесь более благоприятное распределение тепла дуги, поскольку большая его часть идет в анод — свариваемое изделие. Это позволяет увеличить токовую нагрузку на электрод и, следовательно, поднять производитель­ность. Обычно источник представляет собой выпрямитель, состоящий из трансформатора и выпрямительного блока на диодах или тиристорах. Возможно использование транзисторного выпрямителя или инверторного источника. Начальное зажигание дуги выполняется бесконтактным способом с помощью высоковольтного высокочастотного генератора – осциллятора или возбудителя, либо контактным способом мягкого пус­ка. Защита основного источника от высокого напряжения осциллятора осуществляется с помощью фильтра высоких частот. Мягкий (холодный] пуск выполняется при токе короткого замыкания, в несколько раз мень­шем сварочного тока, поскольку при обычном коротком замыкании на­блюдается недопустимое загрязнение шва вольфрамом и повышенный расход электрода. В сравнении с высокочастотным при мягком пуске ни­же уровень электромагнитных помех, наводимых источником в сети и эфире.

Рис. 2. Блок-схема источника постоянного тока

Заварка кратера при сварке должна обеспечиваться посредством плавного снижения тока с помощью специального устройства. Обычно регулятор тока воздействует на тиристорный выпря­мительный блок или обмотку управления трансформатора, в современ­ных конструкциях настройка тока выполняется с помощью инвертора или полупроводникового регулятора.

Требования к источнику для сварки на постоянном токе распростра­няются и на большинство других источников для сварки неплавящимся электродом. Характеристика условной рабочей нагрузки соответствует уравнению U _р = 10 + 0,04 I_д, т. е. рабочее напряжение почти в 1,5-2 раза ниже, чем при сварке покрытым электродом. Внешняя характеристика должна быть падающей с напряжением холостого хода от 50 до 100 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. Регулирование тока долж­но быть плавным с очень высокой кратностью — не менее 5, а иногда до 100. Это необходимо в частности для обеспечения снижения тока при заварке кратера или при мягком пуске.

Рис. 3. Циклограмма аргоно-дуговой сварки

Программное управление последовательностью и длительностью включения отдельных устройств сварочной установки иллюстрируется циклограммой (рис. 3). Газ до сварки подается в интервале t _ПРЕГАЗ = 0,5-1 с (Pregas) для обеспечения надежного возбуждения дуги и ка­чественной защиты начала шва. Зажигание дуги выполняется высокоча­стотным разрядом (HF — high frequency) втечение не более 1 с или мягким пуском (Soft start, Cold start). Сила тока мягкого пуска I _МП назначается на уровне 0,1-0,3 от сварочного. Длительность мягкого пуска t _МП обычно не настраивается, она ограничивается либо прекращением контакта электрода с деталью, либо отпусканием кнопки на горелке. Плавное на­растание (Up slope) основного тока t _Нар обеспечивает постепенный нагрев электрода и предотвращает начальный выплеск сварочной ванны. Сни­жение тока (Down slope) в течение t _СПАД = 0-20 с необходимо для заварки кратера, оно увеличивается при большой толщине свариваемого изделия и высоком значении сварочного тока. Подача газа после сварки (Postgas) необходима для защиты шва в процессе кристаллизации и остывания, ее длительность t _ПОСГАЗ = 2-25 с зависит от размеров сварочной ванны.

Управление циклом при аргоно-дуговой сварке с помощью кнопки на горелке может выполняться в двух вариантах: с двух- и четырехтактным циклом. При двухтактном цикле после нажатия кнопки последователь­но проходят этапы предварительной подачи газа, зажигания, нарастания тока и собственно сварки, а для завершения цикла кнопку отпускают, в результате чего установка переходит к этапам снижения тока и пода­чи газа после сварки. Такой цикл предпочтителен при сварке коротких швов. Четырехтактный цикл идет в следующем порядке: после нажатия на кнопку следуют подача газа до сварки, зажигание и работа в режиме поисковой дуги (мягкий пуск, пока нажата кнопка). После отпускания кнопки следует нарастание тока и длительная сварка до следующего на­жатия на кнопку. При втором нажатии начинается снижение тока для заварки кратера, а при отпускании кнопки отсчитывается время подачи газа после сварки. Такой цикл рекомендуется при выполнении длинных швов.

Циклограмма может быть усложнена предварительной настройкой двух уровней тока I_д1 и I_д2 например, при попеременной сварке то в ниж­нем, то в вертикальном положении. Переход от одного режима к другому осуществляется кратковременным нажатием кнопки на горелке.

Сварку алюминия на посто­янном токе обратной полярности применяют ограниченно из-за сильного нагрева электрода, ее рекомендуют лишь при токе до 150 А.

Источник переменного тока (рис. 4) используют при сварке алю­миниевых сплавов. Специфические требования к ним вызваны особенностя­ми горения дуги переменного тока, (рис.4, 6). 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 4000 К вольфрамовый электрод, мощная термоэлектронная эмиссия обеспечива­ет значительный ток i _Пp и интенсивное плавление основного металла. На­пряжение зажигания почти равно напряжению дуги и_пр и при короткой дуге в аргоне может составлять всего 10 В. В полупериоде обратной поляр­ности для зажигания дуги за счет механизма автоэлектронной эмиссии требуется очень большое напряжение U _ЗОБР – около 200 В, так как тер­моэлектронная эмиссия со сравнительно холодного алюминиевого катода ничтожно мала. Напряжение горения дуги обратной полярности u _ОБР превышает 20 В. Сила тока обратной полярности i _ОБР на 20 -50 % ниже по сравнению с током прямой полярности. Однако в полупериоде обратной полярности идет очень полезный процесс — интенсивное катод­ное распыление оксидной пленки А1₂0₃ благодаря бомбардировке алю­миниевой детали положительными нонами.

Рис. 4. Блок-схема (а) и осциллограммы ис­точника переменного тока без вспомогательных устройств (б) и с ними (в)

 

Рис. 5. Осциллограммы источника для сварки пульсирующей дугой

Одно из особых требований к источнику переменного тока связано с наличием постоянной составляющей свароч­ного тока. Действительно, поскольку I _пр > I _ОБр, то кривую сварочного тока можно представить как сумму симметричного переменного тока i _~ и постоянной составляющей I _ПОСТ. Постоянная составляющая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, его перегрев, сильную ви­брацию и повреждение изоляции обмоток. Подавление постоянной со­ставляющей (ликвидация или уменьшение) выполняется специальным устройством. Следует заметить, что с технологической точки зрения по­стоянная составляющая 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.

Еще одно требование вызвано затруднениями в повторном зажигании дуги при переходе к полупериоду обратной полярности. Надежное зажи­гание обеспечивается с помощью импульсного стабилизатора, генериру­ющего импульс U_ИС =200 – 500 В. На рис. 4, в показаны осциллограммы тока и напряжения при наличии импульсно­го стабилизатора и устройства ликвидации постоянной составляющей. Для надежного зажигания необходима амплитуда тока I_ИС = 20-80 А при длительности t _Ине менее 60 мкс. При ограниченной мощности стабилизатора его включение следует задержать относительно момента перехода тока через нуль на t _ЗИ– 60-200 мкс. Стабилизатор с частотой следования импульсов 50 Гц стимулирует зажигание дуги толь­ко обратной полярности, с частотой 100 Гц — дуги и обратной, и прямой полярности.

Импульсный источник для сварки пульсирующей дугой рекоменду­ют для соединения деталей малой толщины, поскольку при правильном подборе параметров импульса и паузы удается снизить опасность прожо­га (рис. 5). Программное управление током осуществляется с помощью маломощного генератора импульсов — полупроводникового мультиви­братора (см. рис. 2 и 4). Время импульса t _И и паузы t _П должны на­страиваться плавно и независимо друг от друга в интервале 0,04-1 с. Ток импульса и паузы также должны настраиваться плавно и независимо. Глубина модуляции – отношение тока импульса к току паузы I _И / I _Пдолжна изменяться от 1 до 10. Иногда на низкую частоту 1-25 Гц накла­дываются импульсы более высокой частоты до 1 кГц, что способствует измельчению структуры шва и повышению его прочности (рис. 5, б). Такой технологический прием называется двойной модуляцией. Двой­ная модуляция может использоваться и при сварке алюминиевых сплавов на переменном токе (рис. 5, в), при этом параметры импульсов низкой частоты 1-10 Гц могут назначаться для получения качественного форми­рования и приемлемой чешуйчатости шва, а стандартная частота 50 Гц обеспечивает баланс между требованиями проплавления и очистки.

Рис. 6. Блок-схема (а) и осциллограммы (б) источни­ка разнополярных импульсов

Источник разнополярных импульсов (рис. 6) предназначен для сварки алюминиевых сплавов. Он может иметь два силовых канала, ка­ждый из которых включает в себя трансформатор и выпрямительный блок. Один канал предназначен для питания дуги прямой полярности, другой — дуги обратной полярности. С помощью силового полупровод­никового коммутатора каналы попеременно подключаются к дуге, ге­нерируя прямоугольные импульсы тока прямой и обратной полярности (рис. 6, а). Так же как и при сварке на переменном токе, в такте пря­мой полярности (- на вольфрамовом электроде) происходит более ин­тенсивное плавление основного металла, а в такте обратной полярности (+ на электроде) идет катодная очистка поверхности детали от оксидов (рис. 6, б). Регулирование тока прямой I _пр и обратной I _ОБр полярности обычно осуществляется плавно и независимо друг от друга. Как прави­ло, ток обратной полярности устанавливают небольшим, но достаточным для удаления оксидной пленки, в зависимости от чистоты поверхности свариваемых деталей (после травления, механической зачистки и т. д.). Ток прямой полярности настраивают в зависимости от толщины изделия и диаметра электрода, он может превышать ток обратной полярности в 1,5-4 раза. Длительность импульсов прямой t _пр и обратной t _ОБр поляр­ности настраивается отдельно в интервале о