Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Сваркой называется процесс соединения металлов, при котором устанавливается межатомное взаимодействие и осуществляется металлическая связь между частицами соединяемых металлов. Некоторые металлы способны образовывать сварные соединения при пластическом деформировании с нагревом до высоких температур. Другие металлы свариваются только в расплавленном состоянии. Высокопластичные металлы (медь, свинец и алюминий) можно соединять без нагрева путем совместной пластической деформации двух деталей.
Сварка является высокоэкономичным и прогрессивным технологическим процессом соединения металлов.
При питании дуги переменным синусоидальным током условия ее горения осложняются периодическими изменениям электрических параметров источника (тока и напряжения). При переходе тока через нулевые значения в горении дуги наступают кратковременные перерывы.
Вследствие этого снижаете температура остаточной плазмы в столбе дуги и температура активных пятен на электродах. Стабильное горение дуги затрудняется также в результате изменения направления движения заряженных частиц при смене полярности.
Трансформатор однофазный
Общие уравнения работы однофазных трансформаторов могут быть получены из упрощенных эквивалентной схемы замещения и векторного треугольника (рис. 18.5).
Рис. 18.5. Однофазный трансформатор: а — упрощенная схема замещения; б — векторная диаграмма
Зависимость напряжения дуги от тока в векторной форме можно записать
Uд = U0 — I2 [(Xт + Хр) + ( Rт + Rр)],
где Хт = Х'1 + Х2 — суммарное индуктивное сопротивление трансформатора; Хр — индуктивное сопротивление реактивной катушки; Rт = R'1 + R2 — суммарное активное сопротивление трансформатора; Rp — активное сопротивление реактивной катушки; Х'1, R'1 — приведенные индуктивное и активное сопротивления первичной обмотки трансформатора.
Это уравнение внешней вольт-амперной характеристики однофазного трансформатора для дуговой сварки.
Напряжение дуги согласно векторной диаграмме
Uд = √U20 — I2д (Хт + Хр)2 — Iд (Rт + Rp)
Пренебрегая малыми величинами Rт и Rp, получим
Uд≈√U20 — I2д (Хт + Хр)2, (18.1)
откуда
Iд≈√U20 — U2д (Хт + Хр) (18.2)
При коротком замыкании (Uд = 0; тогда ток короткого замыкания
Iк.з = U0/(Хт + Хр). (18.3)
Из приведенных уравнений следует, что необходимая для устойчивого горения дуги индуктивность может быть получена либо в самом трансформаторе (при Хр≈0), либо включением в цепь дуги реактивной катушки (при Хт≈0). Наличие индуктивности обеспечивает получение крутопадающей внешней характеристики источника и возможность его настройки на заданный режим работы.
В зависимости от способа создания в цепи дуги индуктивного сопротивления трансформаторы разделяют на две группы. Первую группу составляют трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием (Хт≈0) без реактивной катушки (Хр = 0), вторую — с нормальным магнитным рассеянием (Хт≈0) в сочетании с реактивной катушкой (Хр≠0).
При питании дуги переменным синусоидальным током условия ее горения осложняются периодическими изменениям электрических параметров источника (тока и напряжения). При переходе тока через нулевые значения в горении дуги наступают кратковременные перерывы. Вследствие этого снижаете температура остаточной плазмы в столбе дуги и температура активных пятен на электродах.
Стабильное горение дуги затрудняется также в результате изменения направления движения заряженных частиц при смене полярности.
Для повышения устойчивости горения дуги необходимо сократить время перерывов в ее горении при переходе тока через нулевые значения. Рассмотрим сварочную цепь, в которой последовательно с дугой включено активное R и индуктивное X сопротивление (рис. 18.1).
Рис. 18.1. Схема питания дуги переменным током
А. При наличии в цепи только активного сопротивления (X≈0) сдвиг фазы между током и напряжением равен нулю; (φ= 0). Согласно кривым тока и напряжения (рис. 18.2, а) возбуждение дуги в каждом полупериоде будет происходить при достижении источником напряжения, равного напряжению зажигания U3:
U3 = Um sin ωτ3,
где Um — амплитудное значение напряжения источника; ω — угловая частота; τ3 — время, необходимое для зажигания дуги,
ωτу= arcsin (U3/Um), τ3 = arcsin (U3/Um)/ω
Угасание дуги будет происходить при напряжении на клеммах источника, меньшем, чем требуется для горения дуги:
Uд= Um sin (π — ωτу) = Um sin ωτу,
где τу — время угасания дуги.
ωτу= arcsin (Uд/Um), τу = arcsin (Uд/Um)/ω
Общее время перерыва в горении дуги Uд
где ω= 2πƒ (ƒ— частота переменного тока).
Б. При наличии в цепи активного и индуктивного сопротивления между током и напряжением источника появляется угол сдвига фаз (φ≠0). Согласно кривым тока и напряжения (рис. 18.2, б) повторное мгновенное возбуждение дуги возможно, если при переходе тока через нулевые значения ни пряжение источника будет больше или равно напряжению зажигания:
Uи=Um sin φ≥з
При определенном значении угла сдвига фаз ср горение дуги п течение всего полу пер иода может быть непрерывным (τп = 0). Напряжение дуги можно принять практически постоянным
Um sin (ωτ + φ) = Uд + Ldi/dτ,
Где L — индуктивность цепи.
При смене полярности, в моменты перехода тока через нуль, Напряжение дуги изменяется скачкообразно.
Анализ условий горения дуги показывает, что время перерывов в ее горении может быть снижено различными путями: включением в цепь дуги индуктивного сопротивления, увеличением Напряжения холостого хода и повышением частоты переменного тока. В большинстве источников реализованы первый и второй путь. Источники питания с повышенной частотой переменного тока отличаются сложностью конструкции и широкого распространения не получили.
Наличие индуктивного сопротивления в цепи дуги обязательно для всех источников переменного тока. Для большинства сварочных цепей характерно φ= 53—57° и отношение X/R≥5.
Устойчивость горения дуги повышается с увеличением напряжения холостого хода, так как U0 = Um/√2 . Минимальное значение напряжения может быть рассчитано с достаточной для практики точностью:
U0≥(Uд/√2) √(U3/Uд)2 + π2/4
Рис. 18.2. Кривые тока и напряжения при горении дуги переменного тока (Uи — Напряжение источника; (Uд, iд — напряжение и ток дуги)
Напряжение холостого хода источника во многом зав от напряжения, необходимого для повторного возбуждения дуги U3 или так называемого пика зажигания. Даже небольшие перерывы в горении дуги приводят к резкому возрастанию пика зажигания. Особенно это проявляется в те полупериоды, когда катод располагается на свариваемом изделии. Пиковые значения напряжения возрастают при увеличении длины дуги, снижения сварочного тока, наличии в столбе дуги фторидных соединений и др. В обычных трансформаторах для дуговой сварки принимают U0/Uд = 1,8÷2,5.
С увеличением U0 снижаются технико-экономические показатели источников и возрастает опасность поражения током обслуживающего персонала. Все это обусловливает стремление к максимальному снижению напряжения холостого хода.
Устойчивость горения сварочной дуги может быть особенно высокой при наличии в сварочном контуре индуктивности (ХL)( и емкости (Хс).
При XL > Хс Uи = Um sin (ωτ + φ). При XL< Xc Uи= Um sin (ωτ + φ).
Чем больше Uc, тем при меньшем значении Uи = Um sin φ дуга возбуждается после перехода iд через нуль.
Наличие в цепи дуги переменного тока наряду с индуктивностью еще и емкости (при их вполне определенных значениях) позволяет существенно снизить необходимое напряжение холостого хода источника.
Различие в теплофизических свойствах электрода и свариваемого изделия приводит к тому, что напряжение, необходимое для горения дуги в одном полупериоде, значительно отличается от напряжения горения в другом полупериоде. Нарушается симметрия полупериодов относительно нулевого значения. Это обусловливает появление в цепи дуги постоянной составляющей тока (рис. 18.3). Большая ее величина образуете при сварке алюминия и его сплавов вольфрамовым электродом. В полупериодах, когда катодное пятно располагается на вольфрамовом электроде (прямая полярность), благодаря мощной термоэлектронной эмиссии катода создаются благоприятны условия для возбуждения и горения дуги при низком напряжении. В полупериодах, когда катодное пятно находится на свариваемом изделии из алюминия (обратная полярность), термоэлектронная эмиссия затруднена (холодный катод).
Рис. 18.3. Образование постоянной составляющей при горении дуги между вольфрамовым электродом и изделием из алюминия (Iд — постоянная составляющая тока)
Для возбуждения дуги Требуются высокие пиковые значения напряжения, и горение дуги происходит при более высоком напряжении, чем в предыдущих полупериодах. При сварке на небольших токах возбуждение дуги в полупериоды обратной полярности вообще может не произойти. В этом случае дуга становится выпрямительным вентилем. Стабильность ее горения резко ухудшается.
При наличии постоянной составляющей Iд увеличивается сопротивление магнитопровода трансформатора. В результате этого понижается мощность, отдаваемая дуге, и коэффициент мощности источника.
При уменьшении тока в полупериоды обратной полярности млтрудняется катодная очистка свариваемых кромок и поверхности ванны от оксидных пленок. Это приводит к ухудшению формирования шва и снижению его свойств.
Источники питания дуги переменным током для сварки алюминия, его сплавов и некоторых других металлов вольфрамовым электродом должны иметь устройства, облегчающие возбуждение дуги в полупериоды обратной Клярности, и устройства для частичного или полного подавления постоянной Составляющей.
Основное назначение стабилизаторов дуги или импульсных возбудителей Включается в подаче на дугу стабилизирующих импульсов при прохождении тока через нуль. Подача импульсов обычно необходима только в полупериоды обратной полярности. Благодаря этому не только повышается стабильность горения дуги, но и сохраняются высокие значения тока, необходимые для катодной очистки свариваемых кромок и поверхности ванны.
На электрической схеме стабилизатора дуги (рис. 18.4) конденсатор С через выпрямитель В заряжается от повышающего трансформатора Т небольшой мощности. В моменты перехода тока через нуль в полупериоды обратной полярности включается коммутирующий элемент КЭ и конденсатор разряжается на дугу. Подбором значений С и R можно получать импульсы требуемой формы и продолжительности. Стабилизаторы дуги, применяемые в источниках, подают импульс напряжения 250-300 В.
Стабилизаторы дуги можно применять и в обычных источниках переменного тки. При этом целесообразна подача синхронизированных импульсов в оба полупериода при изменении полярности. Применение устройств, стабилизирующих дугу, позволяет снизить на 25—40 % напряжение холостого хода источника. Однако в трансформаторах для дуговой сварки общего назначения подобного устройства пока не применяют, по-видимому, из-за неизбежного их усложнении Стабилизаторы подключают к дуге параллельно основному источнику.
В источниках для дуговой сварки применяют несколько способов полного или частичного подавления постоянной составляющей тока (включением в цепь дуги батареи конденсаторов, полупроводникового выпрямителя и других устройств).
Рис. 18.4. Принципиальная электрическая схема стабилизатора дуги
Для сварки алюминиевых и магниевых сплавов вольфрамовым электродом применяют специализированные, источники. Основные элементы таких источников: сварочный трансформатор, осциллятор, стабилизатор дуги и устройство длж частичного или полного подавления постоянной составляющей тока. На рис. 18.14, а приведена функциональная схема источников питания типа УДГ (УДГ-301, УДГ-501).
В установке использован однофазный трансформатор Т с неподвижным подмагничивающим шунтом. Магнитный усилитель предназначен для управления током шунта, а следовательно и для настройки источника на заданный режим работы. Блок РССТ регулирует скорость снижения сварочного тока при заварке кратера шва. Батарея конденсаторов С препятствует прохождению постоянной составляющей тока через вторичную обмотку трансформатора. Блок ВД выполняет функции возбуждения, дуги (осцилляторный режим) и стабилизации горения дуги (стабилизаторный режим).
На рис. 18.14, б приведена упрощенная электрическая схема источника питания типа ИПК с полным подавлением постоянной составляющей тока. Сварочный трансформатор Т имеет повышенное регулируемое магнитное рассеяние. Индуктивность регулируется обмоткой управления ОУ магнитного шунта. Обмотка питается от регулятора напряжения РН через выпрямитель V. Осциллятор Ос после зажигания дуги отключается. Одновременно с этим включается стабилизатор дуги СД.
Рис. 18.14. Источники питания для сварки алюминиевых сплавов вольфрамовым электродом: а - функциональная схема; б — принципиальная электрическая схема
В источниках питания могут быть и другие элементы. Для создания постоянной составляющей тока в самой дуге параллельно основному включают дополнительный источник питания дуги. В импульсных источниках в цепь обмотки управления ОУ включают прерыватель.
Большой интерес представляют источники питания асимметричным разнополярным током промышленной частоты. Источник обеспечивает раздельное и независимое регулирование величины и длительности протекания тока в полупериоды прямой и обратной полярности. Это позволяет в необходимой степени распределять тепловую энергию, выделяемую на электроде и сварочной панне.
Для снижения тепловой нагрузки на вольфрамовый электрод используют и другие схемы питания дуги (рис. 18.15). Управляемые вентили ВУ (тиристоры) позволяют осуществлять раздельное горение дуги. При замыкании тиристора ВУ1 дуга горит между медным водоохлаждаемым соплом и изделием в режиме обратной полярности. Происходит катодная очистка поверхности от оксидных пленок. В следующий полу период (замыкается тиристор ВУ2) дуга горит между вольфрамовым электродом и изделием в режиме прямой полярности. В эти моменты времени происходит расплавление металла и образование сварочной ванны.
Рис. 18.15. Принципиальная электрическая схема источника для микроплазменной сварки вольфрамовым электродом алюминия и его сплавов