Электродуговая сварка. 
Электропрогрев бетона. 
Электросварочное оборудование

Дуга — мощный стабильный разряд электричества в ионизированной атмосфере газов и паров металла. Ионизация дугового промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения. Процесс зажигания дуги в большинстве случаев включает в себя три этапа: короткое замыкание электрода на заготовку, отвод электрода на расстояние 3−6 мм и возникновение устойчивого дугового разряда. Короткое замыкание выполняется для разогрева торца электрода и заготовки в зоне контакта с электродом. После отвода электрода с его разогретого торца (катода) под действием электрического поля начинается термоэлектронная эмиссия электронов. Столкновение быстродвижущихся по направлению к аноду электронов с молекулами газов и паров металла приводит к их ионизации. По мере разогрева столбца дуги и повышение кинетической энергии атомов и молекул происходит дополнительная ионизация за счет их соударения. Отдельные атомы также ионизируются в результате поглощения энергии, выделяемой при соударении других частиц. В результате дуговой промежуток становится электропроводным и через него начинается разряд электричества. Процесс зажигания дуги заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда. Источником теплоты при дуговой сварке служит электрическая дуга, которая горит между электродом и заготовкой. В зависимости от материала и числа электродов, а также способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие способы дуговой сварки:

а) Сварка неплавящимся (графитным или вольфрамовым) электродом, дугой прямого действия, при которой соединение выполняется путем расплавления только основного металла, либо с применением присадочного металла. б) Сварка плавящимся (металлическим) электродом, дугой прямого действия, с одновременным расплавлением основного металла и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом.

Условия процесса сварки в основном и определяют требования, предъявляемые к источникам питания сварочной дуги. Для обеспечения устойчивого процесса сварки источники питания дуги должны удовлетворять следующим требованиям:

Напряжение холостого хода должно быть достаточным для легкого возбуждения дуги и в то же время не должно превышать нормы безопасности. Максимально допустимое напряжение холостого хода установлено для источников постоянного тока — 90 В, а для источников переменного тока — 80 В; напряжение устойчивого горения дуги (рабочее напряжение) должно быстро устанавливаться и изменяться в зависимости от длины дуги. С увеличением длины дуги напряжение должно быстро возрастать, а с уменьшением — быстро падать. Время восстановления рабочего напряжения от О до 30 В после каждого короткого замыкания (при капельном переносе металла от электрода к свариваемой детали) должно быть менее 0,05 с; ток короткого замыкания не должен превышать сварочный ток более чем на 40…50%. При этом источник тока должен выдерживать продолжительные короткие замыкания сварочной цепи. Это условие необходимо для предохранения обмоток источника тока от перегрева и повреждения; мощность источника тока должна быть достаточной для выполнений сварочных работ. Кроме того, необходимы устройства, позволяющие регулировать сварочный ток в требуемых пределах. Промышленностью выпускаются следующие типы источников питания сварочной дуги; сварочные преобразователи, сварочные аппараты переменного тока, сварочные выпрямители. Сварочные аппараты состоят из понижающего трансформатора и устройства-дросселя, подвижного магнитного шунта, подвижной обмотки для создания падающей внешней характеристики и регулирования сварочного тока. Трансформатор обеспечивает питание дуги переменным током напряжением 60…70 В.

Сварочные аппараты с отдельным дросселем состоят из понижающего трансформатора и дросселя (регулятора тока). Трансформатор Тр имеет сердечник (магнитопровод) из пластин, отштампованных из тонкой трансформаторной стали толщиной 0,5 мм. На сердечнике расположены первичная и вторичная обмотки. Первичная обмотка из изолированной проволоки подключается к сети переменного тока напряжением 220 или 380 В. Во вторичной обмотке, изготовленной из медной шины, индуцируется напряжение 60…70 В. Небольшое магнитное рассеивание и малое омическое сопротивление обмоток обеспечивают незначительное внутреннее падение напряжения и высокий к. п. д. трансформатора. Последовательно с вторичной обмоткой в сварочную цепь включена обмотка (из голой мерной шины) дросселя Др. Обмотка имеет асбестовые прокладки, пропитанные теплостойким лаком. Сердечник дросселя также набран из пластин тонкой трансформаторной стали и состоит из двух частей: неподвижной, на которой расположена обмотка дросселя, и подвижной, перемещаемой с помощью винтовой пары. При вращении рукоятки по часовой стрелке воздушный зазор а увеличивается, против часовой стрелки — уменьшается.

При возбуждении дуги (при коротком замыкании) большой ток, проходя через обмотку дросселя, создает мощный магнитный поток, наводящий э. д. с. дросселя, направленную против напряжения трансформатора. Вторичное напряжение, развиваемое трансформатором, полностью поглощается падением напряжения в дросселе. Напряжение в сварочной цепи почти достигает нулевого значения.

При возникновении дуги сварочный ток уменьшается; вслед за ним уменьшается э. д. с. самоиндукции дросселя, направленная против напряжения трансформатора, и в сварочной цепи устанавливается рабочее напряжение, необходимое для устойчивого горения дуги, меньшее, чем напряжение холостого хода. Изменяя зазор а между Неподвижным, и подвижным магнитопроводами, изменяют индуктивное сопротивление дросселя и тем самым ток в сварочной цепи. При увеличении зазора магнитное сопротивление магнитопровода дросселя увеличивается, магнитный поток ослабляется, уменьшается э. д. с. самоиндукции катушки и ее индуктивное сопротивление. Это приводит к возрастанию сварочного тока. При уменьшении зазора сварочный ток уменьшается. Один оборот рукоятки винтовой пары изменяет сварочный ток примерно на 20 А. По этой схеме изготовлены сварочные трансформаторы типа СТЭ. Трансформаторы СТЭ-24-У и СТЭ-34-У не сложны по устройству и безопасны в работе и поэтому их широко применяют при ручной дуговой сварке.

Трансформатор и регулятор заключены в отдельные кожухи из тонкой листовой стали с жалюзи для естественного охлаждения и установлены на колесики для перемещения. Первичная обмотка из изолированной проволоки размешена на двух. катушках.

Для включения трансформатора в сеть с напряжением 220 В обмотки катушек соединяют параллельно, а Для сети напряжением 380 В — последовательно.

Вторичная обмотка из голой медной шины расположена поверх первичной обмотки на тех же катушках. При этом вторичная обмотка соединена всегда последовательно. На торцовой стенке Кожуха на клеммовой доске расположены выводы первичной обмотки, на Другой торцовой стенке — выводы вторичной обмотки.

Сварочные аппараты со встроенным дросселем имеют электромагнитную схему, разработанную акад.В. П. Никитиным. Магнитопровод трансформатора состоит из основного сердечника, на котором расположены первичная и вторичная обмотки собственно трансформатора, и добавочного сердечника с обмоткой дросселя (регулятора тока). Добавочный магнитопровод расположен над основным и состоит из неподвижной и подвижной частей, между которыми с помощью винтовой пары устанавливается необходимый воздушный зазор а.Магнитный поток, создаваемый обмоткой дросселя, может иметь попутное или встречное направление с потоком, создаваемым вторичной обмоткой трансформатора, в зависимости от того, как включены эти обмотки.

При встречном соединении магнитные потоки, возникающие при прохождении тока во вторичной обмотке трансформатора Фт и обмотке дросселя Фд, будут направлены навстречу друг другу. При этом напряжение холостого хода.

Uхх = Uтх-Uдх,.

где Uтх — напряжение во вторичной обмотке трансформатора, В; Uдх — напряжение в обмотке дросселя, В. При попутном включении магнитные потоки Фт и Фд будут иметь одинаковое направление и напряжение холостого хода.

Uхх=Uтх+Uдх.

Сварочный ток регулируют, изменяя воздушный зазор а; чем больше зазор а, тем больше сварочный ток.

Сварочные аппараты с увеличенным магнитным рассеянием и подвижным магнитным шунтом имеют целый замкнутый магнитопровод, у которого на одном стержне расположены первичная и вторичная обмотки трансформатора, а на другом — реактивная обмотка. Между ними находится стержень — магнитный шунт. Шунт замыкает магнитные потоки, создаваемые первичной и реактивной обмотками. При этом образуются магнитные потоки рассеяния, которые создают значительное индуктивное сопротивление. Таким образом обеспечивается падающая внешняя характеристика трансформатора.

Сварочный ток регулируют, перемещая магнитный шунт вдоль направления магнитного потока. При выдвижении шунта рассеяние магнитных потоков первичной и реактивной обмоток уменьшается, вследствие чего уменьшается индуктивное сопротивление трансформатора. При этом сварочный ток возрастает. По такому принципу работают сварочные аппараты типа СТАН и СТШ.

Сварочные аппараты с увеличенным магнитным рассеянием и подвижной обмоткой. Трансформатор имеет магнитопровод, на обоих стержнях которого расположены по две катушки: одна с первичной обмоткой, а вторая — со вторичной обмоткой. Катушки первичной обмотки закреплены неподвижно в нижней части сердечника, а катушки вторичной обмотки перемещаются по стержню с помощью винтовой пары. Сварочный ток регулируют изменением расстояния между первичными и вторичными обмотками. При увеличении этого расстояния магнитный поток рассеяния возрастает, а сварочный ток уменьшается.

Трехфазные сварочные аппараты применяют при сварке трехфазной дугой спаренными электродами. Процесс сварки осуществляется сварочными дугами, которые возбуждаются между каждым электродом и свариваемой деталью и между электродами. Аппарат состоит из трехфазного трансформатора, регулятора сварочного тока и магнитного контактора. Первичная обмотка включается в силовую сеть напряжением 220 В (соединение обмоток в треугольник) или 380 В (соединение обмоток в звезду). Вторичная обмотка имеет по две катушки на каждом стержне и выполнена из голой медной шины. Регулятор сварочного тока состоит из двух дросселей и трех обмоток. Две обмотки расположены на одном магнитопроводе и подключены к спаренным в едином электрододержателе, но изолированным друг от друга электродам. Третья обмотка расположена на втором магнитопроводе и подключена к свариваемой детали. Регулятор вмонтирован в общий корпус и снабжен двумя рукоятками, с помощью которых (изменением воздушных зазоров в магнитопроводах) регулируется сварочный ток. Одной рукояткой регулируют ток одновременно в обеих фазах, подключенных к электродам, а второй рукояткой — в фазе, подсоединенной к изделию. Магнитный контактор служит для включения цепи спаренных электродов. В начальный момент при возбуждении дуги сварочная цепь замыкается через свариваемую деталь и один из электродов. Ток проходит по обмотке регулятора и обмотке контактора. Контактор включает обмотку регулятора. Возникает вторая дуга. При отводе электродов от детали ток в обмотках прекращается и контактор выключает цепь обмотки, гасит дугу между электродами.

Трехфазные сварочные аппараты обеспечивают высокую производительность, экономию электроэнергии (к. п. д. достигает 0,9) и равномерную загрузку фаз сети при высоком коэффициенте мощности (соs ц= 0,8), однако ввиду сложности сварочного оборудования и трудностей при сварке потолочных вертикальных швов применяются ограниченно. При необходимости обеспечить большой сварочный ток и при отсутствии сварочных аппаратов достаточной мощности можно применять параллельное включение трансформаторов. Схема такого включения сварочных аппаратов представлена на. Для параллельной работы нужно применять трансформаторы с одинаковыми внешними характеристиками и напряжениями первичной и вторичной цепей. Одноименные концы первичных обмоток а соединяют между собой и общие клеммы включают в силовую сеть переменного тока. Одноименные концы вторичной обмотки b также соединены между собой: клеммы подключают к дросселям Др, а клеммы — к детали. Дроссели соединяют между собой также параллельно. Сварочный ток регулируют вращением рукояток дросселей так, чтобы обеспечить равенство нагрузок на трансформаторы. Равенство нагрузок проверяют амперметром. бетон сварка опалубка В некоторых случаях для повышения устойчивости горения дуги, питаемой переменным током, применяют способ наложения на сварочный ток частотой 50 Гц токов высокой частоты (150…500 кГц) и высокого напряжения (1500…6000 В). Такие меры предпринимают при сварке тонкостенных изделий дугой малой мощности и при сварочном токе 20…40 А, а также при сварке в защитных газах, сварке специальных сталей и некоторых цветных металлов.

Для получения токов высокой частоты и высокого напряжения применяют осцилляторы, параллельного и последовательного включения. Осциллятор ОСПЗ-2М включают непосредственно в питающую сеть напряжением 220 В. Он состоит из повышающего (с 220 В до 6000 В) трансформатора ПТ и колебательного контура. Колебательный контур, состоящий из высокочастотного трансформатора ВЧТ, конденсатора С5 и разрядника Р,вырабатывает высокочастотный ток. Контур связан со сварочной цепью индуктивно через трансформатор ВЧТ, выводы вторичной обмотки которого присоединяют: один — к клемме «земля» выводной панели, а другой — ко второй клемме через конденсатор С6 и предохранитель Пр2. Конденсатор С6 препятствует прохождению тока высокого напряжения и низкой частоты в сварочную цепь и служит для защиты сварщика в случае пробоя конденсатора С5. Предохранитель Пр2 выключает осциллятор в случае пробоя конденсатора С6. Для устранения радиопомех в питающей сети осциллятор снабжен фильтром из двух защитных дросселей Др1 и Др2. и четырех конденсаторов С1, С2, С3 и с4. Фильтр защищает цепь питания от токов высокой частоты. Для общей защиты от радиопомех осциллятор имеет экранирующий металлический кожух. Осцилляторы последовательного включения (М-3, ОС-1) применяют в установках для дуговой сварки в защитных газах. Они обеспечивают более надежную защиту генератора (или силового выпрямительного блока) от пробоя высокочастотным напряжением осциллятора. При применении осциллятора дуга загорается легко, даже без прикосновения электрода к изделию (при зазоре 1…2 мм), что объясняется предварительной ионизацией воздушного промежутка между электродом и свариваемой деталью. Институтом электросварки им. Е. О. Патона разработан импульсный генератор ГИ-1, который подает ток высокого напряжения (200…300 В) импульсами в те моменты, когда напряжение в сварочной цепи переходит через нулевое значение. Такие генераторы более надежны в работе и более экономичны, чем осцилляторы, так как требуют меньше энергии.