Дуговую сварку плавлением выполняют постоянным или пере- менным током (рис. 5…7).

Рис. 5. Принципиальная схема сварки переменным током

При сварке переменным током (рис. 5) применяются свароч- ные трансформаторы. Трансформатор понижает напряжение сети с 380 В или 220 В до 70...80 В и менее, одновременно увеличивая си- лу тока до нужного значения. Для регулирования силы тока использу- ют регуляторы. Они либо выполнены отдельно от трансформатора (см. рис. 5), либо совмещены с трансформатором (см. рис. 11, 12). Амперметр и вольтметр показывают величину силы тока и напряже- ния при сварке.

Для сварки постоянным током применяют сварочные преобразователи (рис. 6), сварочные агрегаты или сварочные выпрямители (рис. 7). Регуляторы силы тока и здесь выполняют свою роль.

Сварочные преобразователи имеют электрический привод – электродвигатель переменного тока. Вал электродвигателя соединен с валом генератора, который преобразует механическую энергию в постоянный электрический ток. В сварочных агрегатах вал генератора вращается двигателем внутреннего сгорания.

Там, где есть сетевая электроэнергия, используют сварочный преобразователь (электродвигатель + генератор). В полевых условиях, где нет сетевой электроэнергии, используют сварочный аг- регат (карбюраторный или дизельный двигатель + генератор).

В настоящее время на многих предприятиях сварочные преоб- разователи заменяют выпрямителями, так как последние во время работы не шумят и у них больше коэффициент полезного действия. В выпрямительных установках переменный ток с выхода понижающего трансформатора подают на выпрямитель.

При сварке постоянным током обеспечивается высокая стабиль- ность горения сварочной дуги и качество сварного соединения. По- этому высоколегированные стали, из которых изготавливают ответст- венные конструкции, сваривают с использованием постоянного тока.

Основным недостатком сварки постоянным током является меньший, по сравнению со сваркой переменным током, коэффициент полезного действия. Сварочный генератор постоянного тока, выраба- тывающий сварочный ток, необходимо приводить в движение элек- трическим двигателем переменного тока (сварочный преобразова- тель) или двигателем внутреннего сгорания (сварочный агрегат). В обоих случаях будут потери на трение движущихся деталей и потери в обмотках электрических машин. Оборудование для сварки постоян- ным током конструктивно сложнее и стоит дороже.

Рис. 6. Принципиальная схема сварки постоянным током

Сварка переменным током более экономичная, по сравнению со сваркой постоянным током, потому что больше к.п.д. трансформатора. Это объясняется отсутствием потерь на трение и меньшими электри- ческими потерями в обмотках трансформатора.

При ручной дуговой сварке используют источники тока с круто- падающей внешней характеристикой (рис. 8). Внешней вольтампер-

ной характеристикой называют зависимость напряжения на клеммах источника от тока нагрузки.

Рис. 7. Принципиальная схема сварки выпрямленным током

К источникам тока для ручной дуговой сварки предъявляют сле- дующие требования:

– напряжение холостого хода должно обеспечивать надежное зажигание сварочной дуги, а также отвечать правилам техники безо- пасности (не должно превышать U_XX = 80 В);

– ток короткого замыкания должен быть ограничен;

– внешняя вольтамперная характеристика источника тока долж- на быть крутопадающей для ограничения токов короткого замыкания и повышения стабильности горения сварочной дуги;

– источник тока должен быть надежным и простым в эксплуатации. При малых значениях тока короткого замыкания затрудняется зажигание дуги, а при больших его значениях увеличивается перегрев токоведущих частей и электрода, возрастают потери металла на раз- брызгивание. Поэтому у источников тока для ручной дуговой сварки отношение тока короткого замыкания I_КЗ и сварочного тока I_СВ должно

изменяться в следующих пределах

1,25 <

IКЗ IСВ

< 2,0.

(4)

Длину дуги поддерживают вручную. Поэтому в процессе сварки

возможно изменение ее длины из-за непроизвольных движений руки сварщика. Источник сварочного тока должен обеспечить устойчивое горение сварочной дуги при изменении ее длины.

Дуга переменного тока зажигается и гаснет 100 раз в секунду. Поэтому для интенсивного первоначального и повторного зажигания дуги при проектировании источников сварочного тока обеспечивают условие

UXX UД

= 1,8...2,5.

(5)

U, В

Uхх

Напряжение холостого хода

Uд

Зона рабочих напряжений дуги

Длинная дуга

Короткая дуга

Зона устойчивого горения сварочной дуги

Зона рабочих токов дуги

Iд    Iкз

I, A

Ток короткого замыкания

Рис. 8. Внешняя вольтамперная характеристика (ВАХ) источника тока

Напряжение холостого хода у разных сварочных аппаратов U_ХХ =

= 60...80 В. У сварочных аппаратов постоянного тока напряжение хо- лостого хода и рабочее напряжение ниже, чем у трансформаторов благодаря более высокой устойчивости горения сварочной дуги по- стоянного тока. Более низкое напряжение уменьшает вероятность по- ражения сварщика электрическим током.

При слишком короткой дуге возможно возникновение режима ко- роткого замыкания и приваривание электрода к изделию. При длинной дуге происходит ее обрыв из-за недостатка подводимой энергии.

При чрезмерно большом токе короткого замыкания возможен пробой и повреждение изоляции обмоток источника сварочного тока.

При прохождении большого тока по электроду, он сильно на- гревается по всей длине. При этом может растрескаться и осыпать-

ся электродное покрытие. Тогда будет затруднено повторное зажи- гание дуги.

Недостатком сварки переменным током является неустойчи- вое горение сварочной дуги, поэтому необходима ее хорошая ста- билизация, которая достигается путем использования источника пи- тания со звеном повышенной частоты, или инвертором, условно та- кие источники относятся к классу выпрямителей. После выпрямле- ния напряжения переменного тока питающей сети инвертор преоб- разует напряжение постоянного тока в высокочастотное напряжение переменного тока, которое сглаживается с помощью последующего блока и подается на дугу.

Выше сказанное можно представить в виде схемы:

Рис. 9. Инверторный источник питания: НВ – низкочастотный выпрямитель; ИН – инвертор; Тр – трансформатор; ВВ – высокочастотный выпрямитель; БУ – блок управления

На рис. 9 низкочастотный выпрямитель преобразует переменное напряжение (I) питающей сети в постоянное (II), которое сглаживается низкочастотным выпрямителем. Затем выпрямленное напряжение преобразуется в переменное высокой частоты (до 160 кГц) (III) с по- мощью инвертора на двух транзисторах. Далее напряжение понижа- ется трансформатором (IV) и сглаживается высокочастотным выпря- мителем (V). В результате сварочная дуга работает на сглаженном напряжении. Таким образом, понижающий трансформатор преобра- зует напряжение повышенной частоты без дополнительных устройств (отсутствует дроссель), что позволяет уменьшить габаритные разме- ры и массу магнитопровода, а также потери в трансформаторе. В це- лом масса инвертора по сравнению с массой сварочных выпрямите- лей, имеющих аналогичные выходные параметры, ниже в 10–20 раз.

Рис. 10. Комбинированная внешняя вольтамперная характеристика (ВАХ) инверторного источника питания при управлении сварочным процессом: 1…4 – участки характеристики, отличающиеся видом зависимости напряжения источника U _И от силы тока дуги I _Д

Помимо этого система управления сварочным процессом позво- ляет осуществлять амплитудное регулирование, изменять ширину импульсов и варьировать их частоту. Высокие динамические характе- ристики инверторов особенно ярко проявляются в случае программно- го управления сварочным процессом, когда легко обеспечиваются го- рячий пуск в начале сварки, быстрый переход с одного режима на дру- гой, попеременная сварка швов в нижнем положении и на вертикаль- ной плоскости, сварка пульсирующей дугой с регулируемой формой импульса и т.д.

Инверторные источники питания имеют характерную внешнюю вольтамперную характеристику. Естественные внешние ВАХ первого выпрямительного блока инвертора, как у большинства выпрямителей, почти жесткие. Однако в процессе сварки характеристики собственно инвертора представляют собой ломаные линии – так называемые комбинированные ВАХ (рис. 10).

Крутопадающий участок 1 ВАХ служит для задания повышенного напряжения холостого хода, необходимого для возбуждения дуги; по- логопадающий участок 2 обеспечивает эффективное саморегулиро- вание процесса; крутопадающий участок 3 ограничивает силу свароч- ного тока (предотвращая прожог тонкого металла), а участок 4 ограни- чивает силу тока короткого замыкания.