Сварочные трансформаторы

Сварочный трансформатор включает в себя понижающий трансформатор, присоединяемый к сети 380 или 220 В и различные устройства для создания требуемой внешней характеристики (для ручной дуговой сварки падающей) и регулирования сварочного тока, также для ограничения тока короткого замыкания.

Для получения падающей характеристики и ограничения тока короткого замыкания необходимо при сварке включать последовательно с дугой большое сопротивление, которое по соображениям экономичности должно быть в основном индуктивным.

Такое сопротивление можно создать:

· отдельной дроссельной катушкой, включаемой последовательно с дугой;

· дроссельными катушками, конструктивно объединенными в одно целое с трансформатором, также включаемыми последовательно с дугой;

· путем увеличения внутреннего магнитного рассеяния трансформатора, без дроссельных катушек.

На рис. 3.18. приведена схема сварочного трансформатора с отдельным дросселем.

На сердечнике 1, набранном из листов электротехнической стали, находятся обмотка высокого напряжения ВН (первичная) и обмотка низкого напряжения НН (вторичная). На сердечнике 2 отдельного дросселя находится обмотка дросселя Др, включенная последовательно с обмоткой НН. Сердечник дросселя не сплошной и имеет разрыв а, который может изменяться подвижной частью сердечника 3, перемещаемой с помощью винта, имеющего опору против поступательного движения.

Дроссель предназначен для создания падающей внешней характеристики сварочного трансформатора и для регулирования величины сварочного тока. При возбуждении дуги (при коротком замыкании) ток короткого замыкания, проходя через обмотку дросселя, создает мощный магнитный поток, наводящий в дросселе ЭДС самоиндукции (противо-ЭДС), направленную против напряжения трансформатора. При этом вторичное напряжение трансформатора полностью поглощается падением напряжения в дросселе, и напряжение в сварочной цепи достигает почти нулевого значения.

Рис. 3.18. Схема сварочного трансформатора с отдельным дросселем:
1 — сердечник трансформатора; 2 — сердечник дросселя; 3 — подвижная часть сердечника дросселя; 4 — винт; а — зазор; ВН, НН — обмотки высокого и низкого напряжений; Др — обмотка дросселя

При возникновении дуги величина сварочного тока уменьшается, что влечет за собой уменьшение ЭДС самоиндукции дросселя, направленной против напряжения трансформатора. В сварочной цепи устанавливается рабочее напряжение, меньшее напряжения холостого хода, необходимое для устойчивого горения дуги.

Сила тока в сварочной цепи изменяется при изменении индуктивного сопротивления дросселя изменением величины зазора а между подвижной и неподвижной частями магнитопровода дросселя.

При увеличении зазора магнитное сопротивление магнитопровода дросселя увеличивается, что приводит к ослаблению магнитного потока, уменьшается ЭДС самоиндукции катушки дросселя и ее индуктивное сопротивление. Это приводит к увеличению сварочного тока.

При уменьшении зазора сила сварочного тока уменьшается.

На рис. 3.19 приведена электрическая схема сварочного аппарата со встроенным дросселем. Сердечник трансформатора состоит из замкнутой части 1 и части 2 с зазором а, который можно изменять перемещением подвижной части магнитопровода с помощью винта 4.

Рис. 3.19. Схема сварочного трансформатора со встроенным дросселем: 1 — сердечник замкнутый; 2 — сердечник разомкнутый; 3 — подвижная часть магнитопровода;

4 — винт; ВН, НН — обмотки высокого и низкого напряжений; Др — обмотка дросселя

На замкнутой части магнитопровода расположены обмотки ВН и НН собственно трансформатора, а на части с зазором — обмотки дросселя Др.

Рис. 3.20. Схема сварочного трансформатора с повышенным магнитным рассеянием: 1 — сердечник трансформатора; 2 — винт; 3 — конденсатор; ВН, НН — обмотки высокого и низкого напряжений

Регулирование силы сварочного тока производится изменением зазора а с помощью винта 4 по тому же принципу, как и в сварочном трансформаторе с отдельным дросселем.

На рис. 3.20. приведена электрическая схема трансформатора с повышенным магнитным рассеянием. На магнитопроводе 1 трансформатора в нижней части расположены две обмотки высокого напряжения ВН, а в верхней части — две обмотки низкого напряжения НН, которые могут перемещаться вверх-вниз при вращении винта 2. Для повышения коэффициента мощности сварочного трансформатора может устанавливаться конденсатор 3.

Сварочный ток регулируется изменением расстояния между обмотками ВН и НН при вращении винта 2. При вращении винта по часовой стрелке обмотка НН приближается к обмотке ВН.

Магнитный поток трансформатора замыкается в основном по сердечнику, а магнитный поток рассеяния и индуктивное сопротивление уменьшаются, сварочный ток возрастает.

При вращении рукоятки против часовой стрелки обмотка НН удаляется от обмотки ВН, часть магнитного потока замыкается помимо сердечника, т.е. магнитный поток рассеяния и индуктивное сопротивление растут, а сварочный ток уменьшается.

Рис. 3.21. Схема сварочного трансформатора с подвижным магнитным шунтом:
1 — сердечник трансформатора; 2 — подвижный магнитный шунт; ВН, НН — обмотки высокого и низкого напряжений; Др — обмотка дросселя

На рис. 3.21. приведена схема сварочного трансформатора с подвижным магнитным шунтом, который имеет замкнутый магнитопровод 1, на одном стержне его расположены первичная ВН и вторичная НН обмотки, а на другом — обмотка дросселя Др. Между обмотками находится стержень — магнитный шунт, который замыкает магнитные потоки обмотки ВН и обмотки Др. При этом образуются потоки рассеяния, создающие значительное индуктивное сопротивление, что обеспечивает падающую внешнюю характеристику.

Регулирование силы сварочного тока производится перемещением шунта вдоль направления магнитного потока. При выдвижении магнитного шунта рассеяние магнитных потоков обмоток ВН и Др уменьшается, поэтому уменьшается индуктивное сопротивление трансформатора, значение силы сварочного тока возрастает, и наоборот.

3.2. Дуговая сварка.
3.2.1. Физические основы и разновидности.

 

Для возбуждения дуги используются чаще всего плавящие металлические и реже неплавящие (угольные и вольфрамовые) электроды (рис. 3.22. ). В первом случае сварной шов образуется за счет расплавления электрода, а во втором случае в дугу вводится присадочный металлический пруток, который плавится и заполняет сварной шов.

Сварка плавящими электродами выполняется как на переменном, так и на постоянном токе, а неплавящие электроды применяются только в специфических случаях ( на постоянном токе для угольных электродов и на постоянном и переменном токе для вольфрамовых электродов). Следует иметь ввиду, что сварка на переменном токе технологически проще выполнима и почти в два раза экономичнее сварки на постоянном токе., но при сварке на постоянном токе более стабильно горит дуга.

Для возникновения дугового разряда электродом касаются детали, при этом происходит расплавление поверхности и при медленном отводе электрода жидкий металл растягивается, образуя металлический мостик, который далее разрывается и последующий разряд электричества происходит в ионизированной газообразной среде. Ионизация газа выполняется электронами, испускаемыми с поверхности электрода.

Сварка плавящими электродами выполняется как на переменном, так и на постоянном токе, а неплавящие электроды применяются только в специфических случаях ( на постоянном токе для угольных электродов и на постоянном и переменном токе для вольфрамовых электродов). Следует иметь ввиду, что сварка на переменном токе технологически проще выполнима и почти в два раза экономичнее сварки на постоянном токе., но при сварке на постоянном токе более стабильно горит дуга.

После короткого замыкания происходит плавление электрода, вследствие чего растет капля расплавленного металла, которая далее касается ванночки и происходит короткое замыкание при котором резко увеличивается ток, возникает большая разрывная сила, отрывающая каплю от электрода, т.е. происходит разрыв мостика расплавленного металла и процесс вновь повторяется. Дальнейший перенос расплавленного металла выполняется как при коротком замыкании дугового промежутка так и без замыкания.

Частота замыканий зависит от плотности тока Jн / Fэ (удельной тепловой загрузки) на электроде. При больших плотностях тока происходит мелкокапельный перенос без коротких замыканий.

Стабильность горения дуги зависит от постоянства длины дуги (2… 4 мм), которое при сварке поддерживается постепенным опусканием электрода. Ориентировочно длина дуги должна быть равна диаметру электрода. Короткая дуга обеспечивает лучшее качество шва, т.к. расплавленный металл меньше подвержен воздействию окружающей среды (окислению и азотированию). При длинной дуге разбрызгивается металл и не обеспечивается достаточного проплавления основного металла. Устойчивость дуги также определяется величиной напряжения и силы тока, так для ручной сварки наилучшая устойчивость дуги будет при при напряжении 18… 20 В и при плотности тока 18…20 А/ мм2. Устойчивость процесса плавки возрастает при увеличении индуктивности сварочной цепи.

Производительность сварки определяется по формуле :

Q_н = K_н J_н t , (3.1)

где Q_н — количество наплавленного металла, г.;

K_н — коэффициент наплавки, г/А час ( K_н = 7 …12 г/ А час для ручной электродуговой сварки, K_н = 15 …20 г/ А для наплавки под слоем флюса) ;

J_н — сила тока наплавки, А;

t — время горения дуги, час.

Скорость наплавки тоже характеризует производительность наплавки и определяется по формуле :

V_н = K_нJ_н / F_н g , (3.2)

где V_н — скорость наплавки, см/час;

F_н — площадь поперечного сечения сварного шва, см²;

g — плотность металла шва, г/ см ³.

Объем наплавленного металла в единицу времени F_нV_н равняется объему расплавленного F_эV_э металла (рис.3.22.):

F_н V_н= F_э V_э , (3.3)

отсюда с учетом потерь металла на разбрызгивание площадь сечения сварного шва F_н зависит от скорости подачи V_э и диаметра d_э электрода (сварочной проволоки) и от скорости наплавки V_н:

F_н = F_э ( 1 - y ) V_э / V_н, (3.4)

где V_э — скорость плавления (подачи) электрода ;

y -коэффициент потерь металла в виде брызг и паров ( y =0... 0,2).

На форму шва оказывают влияние напряжение дуги, скорость наплавки, диаметр и наклон электрода. Ширина сварного шва увеличивается с ростом напряжения дуги, с уменьшением скорости наплавки и увеличением диаметра электрода. Причем в последних двух случаях возрастает и общее сечение шва.

Металл при сварке плавится при высоких температурах, а под её воздействием в зоне сварки происходит частичный распад молекул кислорода, азота и водорода на атомы; химическая активность этих элементов повышается и происходит изменение состава металла. Из-за образования кислородом окислов выгорают углерод, марганец и другие элементы, снижается прочность и износостойкость детали. Азот приводит к образованию нитридов, которые увеличивают твердость, но уменьшают пластичность металла и способствуют ускоренному старению металла шва. Из-за присутствия водорода образуются газовые пузырьки в металле и трещины. Для устранения этих негативных явлений необходимо создавать защитную среду из газов и шлака.

В зависимости от рода защиты расплавленного металла от вредного воздействия воздуха различают следующие виды сварки и наплавки :

1. Электродом без покрытия или только со стабилизирующим покрытием.

2. Электродом со стабилизирующим и защитным покрытием.

3. Порошковыми электродами.

4. Под слоем флюса.

5. В среде защитных газов.

6. В среде охлаждающей жидкости.

7. В комбинированной среде.

Первые три вида используются в основном при ручной сварке и наплавке, а остальные — при механизированной.