Лекция №9 Сварочные инверторы

Одним из первых шагов в развитии регулируемых источников питания стал разработанный в 1905 году австрийским профессором Розенбергом сварочный генератор поперечного поля, у которого напряжение на дуге менялось с ростом сварочного тока.

• В 1907 году первый генератор с регулируемым напряжением был выпущен заводом Lincoln Electric (США).

• Появление в 50-х годах селеновых диодов позволило создавать мощные выпрямители для дуговой сварки.

• Следующим важным этапом стало начало производства силовых кремниевых тиристоров, которое началось в 60–70-х годах.

Их применение позволило плавно изменять величину сварочного тока не за счет магнитного потока силового трансформатора или генератора, а на основе обратных связей и фазовой регулировки угла включения тиристоров.

Одним из первых образцов были выпрямители серии Tilark компании Kemppi (Финляндия), собранные по схеме «силовой трансформатор — тиристорный выпрямительный блок». Эта схема дала возможность получать различные вольт-амперные характеристики, снизить пульсации тока и стала классической для сварочных выпрямителей.

В 1977 году Kemppi выпустила на рынок сварочный выпрямитель Hilark-250. Он был собран на базе «скоростных» тиристоров, которые преобразовывали постоянный ток в переменный с частотой 2–3 кГц.

Выпуск серии выпрямителей Hilark и стал началом триумфального шествия инверторных источников питания для дуговой сварки. Использование инверторных переключателей позволило быстро перестраивать источник питания, получать различные вольт-амперные характеристики, используемые для разных сварочных процессов - MMA, TIG, MIG/MAG, - и перейти в дальнейшем к реализации принципа сварочных мультисистем. Такие мультисистемы начали поставляться Kemppi в 1981–1982 годах.

С появлением на рынке силовой электроники частота инвертирования (а следовательно, и частота работы сварочного трансформатора) выросла до 20 кГц, при этом отношение сварочного тока к массе источника питания повысилось вдвое. На базе IGBT-транзисторов стали выпускать малогабаритные источники для сварки методами MMA, TIG, MIG/MAG, плазменной резки.

Одним из первых инверторов на транзисторах IGBT был выпрямитель серии Master компании Kemppi, работающий на частоте 20 кГц. Инверторы этой серии поступили в продажу в 1991 году.

Инверторные источники сварочного тока (в отличие от «классической» схемы) не имеют силового трансформатора. Работа этого оборудования основана на принципе фазового сдвига напряжения, его инверсии. Процесс контролируется схемой с каскадным усилением тока. Это обеспечивает широкий спектр вольт-амперных характеристик, что в свою очередь позволяет получать сварочный шов высокого качества. Немаловажным становится и такой аспект, как размерные и весовые характеристики оборудования. При использовании в качестве источника сварочного тока инвертора малой мощности габариты оборудования, позволяющего добиваться высокого качества сварки значительно меньше.

Инверторный сварочный аппарат – это аппарат с инверторным источником питания, преобразующим переменное напряжение сети в напряжение и ток для сварки. Основными компонентами инверторного источника питания обычно являются:

• сетевой выпрямитель, преобразующий входное переменное напряжение в постоянное;
• инвертор, преобразующий далее постоянное входное напряжение в переменное высокой частоты;
• высокочастотный трансформатор, понижающий напряжение, преобразованное инвертором;
• выходной высокочастотный выпрямитель;
• сглаживающий дроссель.

Основным принципом работы инверторного источника питания является многократное поэтапное преобразование электрической энергии. Можно выделить основные этапы преобразования:

1. Выпрямление сетевого переменного тока с промышленной частотой 50 Гц первичным выпрямителем, собранным из силовых диодов по мостовой схеме;

2. Преобразование выпрямленного тока в переменный ток высокой частоты; понижение переменного напряжения высокой частоты импульсным высокочастотным трансформатором до значения, соответствующего напряжению сварки, с формированием необходимого вида вольт-амперной характеристики;

3.Преобразование вторичным выпрямителем переменного напряжения высокой частоты, соответствующего величине сварочного напряжения, в постоянное напряжение, со сглаживанием пульсаций тока.

Функциональная схема источника питания инверторного сварочного аппарата приведена на рисунке 12 ниже.

Рис.12Функциональная схема источника питания инверторного сварочного аппарата для трехфазного входного напряжения 380 В промышленной частоты

Технологические преимущества инверторных сварочных аппаратов:

• минимальное разбрызгивание;
• сварка короткой дугой;
• сварка плохо свариваемых сталей;
• минимальный перегрев свариваемого изделия;
• высокие КПД и быстродействие;
• меньшие габариты по сравнению со сварочными трансформаторами;
• для получения качественных швов не требуется высокой квалификации сварщика.

Инверторные сварочные аппараты также называют сварочными инверторами. (Рис.13)

Рис.13 Инверторные источники питания

Лекция №10. Сварочная дуга (определение, физическая сущность, способы зажигания, условия устойчивого горения, строение, влияние длины дуги на производительность и качества шва, окончание шва)

Если случайно или намеренно разомкнуть элек­трическую цепь, то в месте разрыва цепи проскакивает электрическая искра. Это явление, представляющее со­бой прохождение электрического тока через воздух, но­сит название искрового разряда.

Сварочной дугой называют дугу, представляющую собой длительный устойчивый электрический разряд в га­зовой среде между электродом и изделием либо между электродами, отличающуюся большим количеством теп­ловой энергии и сильным световым излучением.

Сварочные дуги квалифицируют по следующим признакам:

• по среде, в которой происходит дуговой разряд; на воздухе — открытая дуга, под флюсом — закрытая дуга; в среде защитных газов;
• по роду применяемого электрического тока—постоян­ный, переменный;
• по типу электрода - плавящийся, неплавящийся;
• по длительности горения — непрерывная, импульсная дуга;
• по принципу работы — прямого действия, косвенная дуга, комбинированная или трехфазная

Для сварки металлов наиболее широко исполь­зуют сварочную дугу прямого действия, в которой одним электродом служит металлический стержень (плавящийся или неплавящийся электрод), а вторым — свариваемая деталь. К электродам подведен электрический ток — по­стоянный или переменный.

Теплота, выделяемая сварочной дугой, не вся переходит в сварной шов. Часть теплоты теряется бесполезно на нагрев окружающего воздуха, плавление электродного покрытия

Мощность сварочной дуги Q зависит от свароч­ного тока I и напряжения дуги U

Q=I*U Вт

Дугу возбуждают двумя способами — касанием или чирканьем. В обоих случаях процесс возбуждения сварочной дуги начинается с короткого замыкания. При этом в точках контакта увеличивается плотность тока, выделяется большое количество теплоты, и металл пла­вится. Затем электрод отводят, разрядный промежуток заполняется нагретыми частицами паров металла, и начи­нается горение дуги.

При отводе электрода от изделия (после корот­кого замыкания и мгновенного расплавления металла) жидкий мостик металла вначале растягивается, сечение его уменьшается, температура металла повышается, а за­тем жидкий мостик металла разрывается (рис.14). При этом происходит быстрое испарение металла, и разрядный промежуток заполняется нагретыми ионизированными частицами паров металла, электродного покрытия и воз­духа — возникает сварочная дуга.

Для повышения устойчивости горения сварочной, дуги в электродное покрытие или в защитный флюс вводят эле­менты (калий, натрий, барий и др.), которые повышают степень ионизации и, следовательно, стабилизации свароч­ной дуги.

1 2 3 (+) 4

Рис.14 Схема возбуждения электрической дуги: