Назад: 5.1.3. Система управления при сварке

5.2. Источники питания ИДС неплавящимся электродом

Особенности сварки неплавящимся электродом. Сварка тонкостенных конструкций из высокопрочных, нержавеющих, жаропрочных сталей и сплавов, а также алюминиевых, магниевых и титановых сплавов осуществляется неплавящимся электродом в инертных газах. Наибольшее распространение получила аргонодуговая сварка свободной (несжатой) дугой (рис.5.11).

Рис. 5.11. Схема сварки неплавящимся электродом в инертных газах: 1 –токоподвод, 2 – электрод, 3 – сопло, 4 – присадочный материал, 5 – изделие, 6 – инертный газ

Неплавящийся электрод представляет собой пруток диаметром от 1 до 8 мм из вольфрама с добавками окислов лантаноидов. Он закрепляется в сварочной горелке с помощью цангового механизма. Инертный газ продувается через горелку и защищает разогретый электрод и зону сварки от воздействия воздуха. В зависимости от диаметра электрода величина сварочного тока составляет от 30 до 500 А при напряжении на дуге от 10 до 20 В.

Требования к источнику питания определяются формой вольтамперной характеристики дуги (ВАХ), маркой и толщиной свариваемого металла. Последние определяют род сварочного тока (постоянный или переменный), характер его модуляции (непрерывный, импульсный униполярный, импульсный разнополярный, высокочастотный). При сварке неплавящимся электродом ВАХ дуги жесткая, поэтому внешняя характеристика источника должна быть крутопадающей с U_xx около 50…60 В, что в 4…6 раз превышает рабочее напряжение. При этом обеспечивается устойчивость процесса сварки благодаря стабилизации тока при колебаниях длины дуги, что особенно важно для сварки тонкостенных конструкций.

Начальное зажигание дуги в большинстве случаев осуществляется бесконтактным способом с помощью высоковольтного высокочастотного генератора – осциллятора или возбудителя. Защита основного источника питания от высокого напряжения высокочастотного генератора осуществляется с помощью фильтра высоких частот. Контактный способ зажигания дуги неприемлем, так как большой ток короткого замыкания приводит к разрушению электрода и, как следствие, – к вольфрамовым включениям в металл шва и повышенному расходу электрода.

Заварка кратера при механизированной сварке должна обеспечиваться плавным снижением тока специальными устройствами. Эти же устройства можно использовать для обеспечения плавного нарастания тока в начале сварки и для контактного зажигания дуги с одновременным отводом электрода от изделия на заданную длину дуги. Это обеспечивает защиту электрода от разрушения и исключает вольфрамовые включения в начала шва.

Источники питания постоянного тока (рис.5.12) рекомендуются для сварки большинства материалов малых и средних толщин, кроме алюминиевых сплавов. Сварка, как правило, выполняется током прямой полярности (минус на электроде, плюс на детали).

Источники постоянного тока должны обеспечивать плавное изменение тока с высокой краткостью – не менее пяти. Обычные регуляторы тока воздействуют на тиристорный выпрямительный блок (изменяя угол поджигания тиристора) или на обмотку управления трансформатора. В новейших конструкциях источников регулирование выполняется с помощью инвертора, или полупроводникового коммутатора.

Источник питания указанного типа должен обеспечить:

· программное управление последовательностью включения отдельных устройств (рис.5.12,б).

· продувку шлангов газом в течение 0,5…3,0 с, включение осциллятора;

· сварку в течение длительного времени, заварку кратера в течение 3…15 с;

· защиту шва газом в течение 3…30 с после окончания горения дуги.

Рис. 5.12. Блок схема (а) и циклограмма (б) источника постоянного тока: 1 – время для продувки горелки защитным газом, 2 – зажигание дуги, 3 – время сварки, 4 – заварка кратера, 5 – время для защиты кристаллизующегося металла шва, 6 – длительность цикла и подачи защитного газа

Источники питания переменного тока. Для сварки легких сплавов используются источники переменного тока (рис.5.13,а). Это объясняется особенностью технологии сварки этих сплавов.

На них распространяются все вышеизложенные требования, относящиеся к источникам постоянного тока. Кроме того, к ним предъявляются требования, вызванные особенностями дуги переменного тока: надежное повторное зажигание дуги при переходе к полупериоду тока обратной полярности, снятие постоянной составляющей тока. Характер изменения тока и напряжения дуги во времени при питании от источника переменного тока показан на рис.5.13,б. Различия значения тока и напряжения в полупериоды тока дуги прямой и обратной полярности вызваны отличием электрофизических свойств тугоплавкого вольфрамового электрода и сравнительно легкоплавкого металла изделий из алюминия. В полупериоде прямой полярности, когда катодом является вольфрамовый электрод, мощная термоэлектронная эмиссия способствует снижению падения напряжения в катодной области дуги, росту ее тока i_пр и более интенсивному плавлению металла изделия. Повторное зажигание дуги в этот полупериод тока происходит при напряжении, близком к напряжению дуги u_пр.

Рис. 5.13. Блок-схема (а) и осциллограмма (б) процесса при питании от источника переменного тока

При сварке в аргоне короткой дугой (длина дуги стремится к нулю) напряжение зажигания приближается к 10 В. В полупериоде обратной полярности для зажигания дуги требуется более высокое напряжение U_зобр = 60…200 В.

Это вызвано изменением вида эмиссии с катода и затрудняет повторное зажигание дуги. Поэтому источники переменного тока снабжаются импульсными стабилизаторами горения дуги, устройство и работа которых описаны в главе 6. Термоэлектронная эмиссия со сравнительно холодного алюминиевого катода ничтожно мала. Дуговой разряд с холодных катодов возможен при автоэлектронной эмиссии, при которой возрастает падение напряжения в катодной области, и общее напряжение горения дуги в полупериод тока обратной полярности превышает 20 В.

Величина тока обратной полярности i_обр на 20…50 % ниже по сравнению с током прямой полярности. Таким образом, кривая тока представляет искаженную синусоиду (рис. 5.13,б), поэтому ее можно рассматривать как сумму симметричного переменного тока i и постоянной составляющей i_пост. Постоянная составляющая оказывает негативное влияние на работу оборудования и технологический процесс в целом. Она вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, что приводит к снижению индуктивного сопротивления и, как следствие, способствует росту тока в первичной обмотке, перегреву трансформатора. Кроме того, она приводит к сильной вибрации и к повреждению изоляции обмоток.

Вместе с тем в полупериоде обратной полярности идет полезный процесс - интенсивное катодное распыление оксидной пленки Аl₂O₃ благодаря бомбардировке алюминиевой детали положительными ионами. Сварку алюминиевых деталей на постоянном токе обратной полярности не применяют из-за интенсивного нагрева электрода и разрушения его.

Импульсные источники питания для сварки пульсирующей дугой. Эти источники (рис.5.14) рекомендуются для соединения деталей малой толщины, так как при правильном подборе параметров импульсов и пауз удается снизить опасность прожога и получить равномерное проплавление шва по всей длине с минимальными деформациями. Программное управление током в таких источниках осуществляется с помощью маломощного генератора импульсов – полупроводникового мультивибратора.

Рис.5.14. Сварка пульсирующей дугой: а – формирование шва; б – пульсирующий ток; в – переменный ток; г – постоянный импульсный ток; д – формы импульсов: 1 – прямоугольный импульс; 2 – со скошенным передним фронтом; 3 – со скошенным задним фронтом

Время импульса и пауза должно настраиваться независимо друг от друга в интервале 0,04…1,0 с. Ток импульса и паузы должен настраиваться плавно и независимо друг от друга. Глубина модуляции, т.е. отношение тока импульса к току паузы I_и/I_п, должна изменяться от 1 до 10.

Источники питания разнополярных импульсов (рис.5.15,а) предназначены для сварки алюминиевых сплавов и обычно имеют два силовых канала, каждый из которых включает в себя трансформатор и выпрямительный блок.

Рис.5.15. Блок-схема источника разнополярных импульсов (а) и осциллограмма тока (б)

Один канал предназначен для питания дуги током прямой полярности, другой – обратной полярности. С помощью силового полупроводникового коммутатора каналы попеременно подключаются к дуге, генерируя прямоугольные импульсы прямой и обратной полярности (рис. 5.15,б). Время импульса прямой полярности t_пр настраивается в интервале 0,001…0,1 с, обратной полярности t_об – в интервале 0,001…0,01 с. Регулирование тока I_пр и I_об обычно осуществляется плавно и независимо в каждом из каналов. Как правило, ток обратной полярности I_об устанавливается небольшим, но достаточным для удаления оксидной пленки. Ток прямой полярности I_пр настраивается в зависимости от толщины изделия и диаметра электрода и может превышать ток обратной полярности в 1,5…4 раза.

Далее: 5.3. Высокочастотные источники питания