6. Специализированные источники

6.1. Источники для сварки неплавящимся электродом в инертном газе Требования к источникам питания

Сварка неплавящимся электродом в инертных газах рекомендуется для соединения высокопрочных, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, алюминиевых, магниевых и титановых сплавов, как правило, небольшой толщины. Наибольшее распространение получила аргонодуговая сварка свободной (несжатой) дугой (рис. 6.1). Неплавящийся, точнее, тугоплавкий вольфрамовый электрод неподвижно крепится в сварочной горелке. Инертный газ защищает электрод и зону сварки от воздействия воздуха. Сварка ведется электродами диаметром от 1 до 8 мм на токе от 50 до 500 А при напряжении от 10 до 20 В. Требования к источнику 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.

Рис. 6.1. Схема сварки неплавящимся электродом в инертных газах: 1 – мундштук, 2 – электрод, 3 – сопло, 4 – присадочный пруток, 5 – изделие, 6 – защитный газ

Источник постоянного тока (рис. 6.2) рекомендуется для сварки большинства материалов средних толщин за исключением алюминиевых сплавов. Сварка выполняется, как правило, дугой прямой полярности (минус на электроде). В сравнении с дугой обратной полярности здесь более благоприятное распределение тепла дуги, поскольку большая его часть идет в анод – свариваемое изделие.

Э

214

то позволяет увеличить токовую нагрузку на электрод и благодаря этому поднять производительность. Обычно источник представляет собой выпрямитель, состоящий из трансформатора и выпрямительного блока на диодах или тиристорах. Возможно использование и инверторного выпрямителя. Внешняя характеристика источника должна быть крутопадающей с напряжением холостого хода около 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.

а)

б)

Рис. 6.2. Блок-схема (а) и циклограмма (б) источника постоянного тока

Начальное зажигание дуги обычно выполняется 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. Защита основного источника от высокого напряжения высокочастотного генератора осуществляется 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 обеспечения плавного нарастания тока в начале сварки, что защищает электрод от разрушения. Поэтому регулирование тока должно быть плавным с очень высокой кратностью – не менее 5. Обычно регулятор тока воздействует на тиристорный выпрямительный блок или обмотку управления трансформатора, в новейших конструкциях регулирование выполняется с помощью инвертора или полупроводникового коммутатора.

Программное управление последовательностью включения и выключения отдельных устройств источника (см. рис. 6.2,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. 6.3) используют при сварке алюминиевых сплавов. На него распространяются все вышеизложенные требования, относящиеся к источнику постоянного тока.

Рис. 6.3. Блок-схема источника переменного тока

Специфические требования, вызванные особенностями дуги переменного тока, сформулируем на основе анализа осциллограмм тока и напряжения (см. рис. 1.16). При этом необходимо учитывать различие физических свойств тугоплавкого вольфрамового электрода и сравнительно легкоплавкого основного металла – алюминия. Известно, что в полупериоде обратной полярности идет очень полезный процесс — интенсивное катодное распыление оксидной пленки А1₂О₃ благодаря бомбардировке алюминиевой детали положительными ионами. В тоже время, в полупериоде обратной полярности для зажигания дуги требуется очень большое напряжение, а сила тока на 20–50 % ниже по сравнению с током прямой полярности. Поэтому сварку алюминия на постоянном токе обратной полярности применяют ограниченно из-за сильного нагрева электрода, ее рекомендуют лишь при токе до 150 А. Удачной альтернативой является сварка на переменном токе, но она предъявляет к источнику особые требования.

Надежное повторное зажигание дуги при переходе к полупериоду обратной полярности обеспечивается с помощью импульсного стабилизатора, генерирующего импульс, достигающий значений напряжения зажигания.

Еще одно требование связано с наличием постоянной составляющей сварочного тока (см. рис. 1.16). Постоянная составляющая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, его перегрев, сильную вибрацию и повреждение изоляции обмоток. Подавление постоянной составляющей (ликвидация или уменьшение) выполняется специальным устройством (см. рис. 1.18). 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.

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. 6.4).

а) б)

в) г)

Рис. 6.4. Схема формирования шва (а) и осциллограммы тока (б, в, г) при сварке пульсирующей дугой

Сварка пульсирующей дугой рекомендуется для соединения деталей малой толщины при использовании покрытых и неплавящихся электродов. В отличие от импульсно-дуговой сварки с управляемым переносом здесь импульсы имеют вид, позволяющий управлять формированием шва на весу (рис. 6.4, б). За время импульса t_и на изделии образуется круглая ванночка небольших размеров, металл которой в течении паузы t_п успевает закристаллизоваться. Параметры импульса – ток I_и и время t_и – подбираются так, чтобы обеспечить полное проплавление без прожога изделия, а параметры паузы – в основном время t_п – так, чтобы гарантировать перекрытие ванночек для получения сплошного шва (рис. 6.4, а). Ток паузы I_п необходим только для поддержания межэлектродного промежутка в ионизированном состоянии с целью повышения устойчивости пульсирующей дуги, иногда он может и вообще отсутствовать (рис. 6.4, г). Пульсирующая дуга может питаться и от источника переменного тока (рис. 6.4, в).

Кроме сварки тонкого металла, пульсирующая дуга используется также при выполнении вертикальных и потолочных швов, где четкое дозирование энергии предотвращает стекание сварочной ванны.

Программное управление током осуществляется с помощью маломощного генератора импульсов – полупроводникового мультивибратора (см. рис. 6.2 и 6.3). Время импульса и паузы 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, т.е. отношение тока импульса к току паузы I_и /I_п , должна изменяться от 1 до 10.

Источник разнополярных импульсов (рис. 6.5) предназначен для сварки алюминиевых сплавов.

Обычно он имеет 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 прямой и обратной полярности (рис. 6.5, б).

а) б)

Рис. 6.5. Блок-схема (а) и осциллограмма (б) источника разнополярных импульсов

Время импульса прямой полярности настраивается в интервале t_пр = 0,001–0,1 с, обратной полярности – t_обр = 0,001–0,01 с. Регулирование токов I_пр и I_обр обычно осуществляется плавно и независимо в каждом из каналов. Как правило, ток обратной полярности I_обр устанавливается небольшим, но достаточным для удаления оксидной пленки. Ток прямой полярности I_пр настраивают в зависимости от толщины изделия и диаметра электрода, он может превышать ток обратной полярности в 1,5–4 раза.

Высокочастотный источник (рис. 6.6) обычно создается на базе инверторного. Как известно, переменный высокочастотный ток получается путем попеременного включения вентилей VT1 и VT2. На дугу может подаваться как переменный ток от трансформатора Т (рис. 6.6, б), так и несглаженный выпрямленный с блока V2 (рис. 6.6, в и г). Пульсирующий ток может быть получен также из постоянного с помощью высокочастотного полупроводникового коммутатора (см. рис. 4.18).

Высокочастотный ток придает дуге вместо конической эллипсоидную форму, это ограничивает ее блуждание и повышает пространственную устойчивость, особенно при малых токах. Испытаны источники на частоту до 25 кГц.

а)

б)

в) г)

Рис. 6.6. Инверторный импульсный источник: а – упрощенная схема, б – импульсный переменный ток, в – амплитудное модулирование тока, г – частотное модулирование тока