В книге изложены основы теории, дается описание схем и конструкций типовых источников питания дуги переменного и постоянного тока при ручной и автомати­ ческой сварке. Приводятся основные правила устройства и эксплуатации электротехнических установок для дуговой сварки.

Книга является учебным пособием по курсу источ­ ников питания дуги для сварочных специальностей ма­ шиностроительных и политехнических вузов. Материалы книги могут быть использованы инженерно-техническими работниками в области сварки для выбора и рациональ­ ной эксплуатации электросварочного оборудования, а также при разработке новых и усовершенствовании су­ ществующих источников питания дуги.

Р е ц е н з е н т ы : канд. техн. наук О. Н. Браткова и кафедра „Оборудование и технология сварочного производства* Уральского политехнического института имени С. М. Кирова

Р е д а к т о р канд. техн. наук В. М. Щ ит ов а*

Редакция литературы по тяжелому машиностроению

Зав. редакцией инж. С. Я- ГОЛОВИН

Одной из основ прогресса сварочной техники является развитие электросварочного машиностроения. За последние 15 лет в СССР

были достигнуты значительные успехи в создании новых способов сварки и новых типов электросварочного оборудования, причем взаимосвязь между развитием технологических процессов сварки

иподъемом технического уровня электросварочного машинострое­ ния стала за эти годы еще более тесной.

Поэтому изучение, освоение и эффективное использование источ­ ников питания дуги, являющихся основным типом оборудования для ручной и автоматической дуговой сварки, имеют большое зна­ чение для успешного развития сварочной техники и подготовки инженерно-технических кадров по сварке.

Содержание и методика изложения материала в книге в основном соответствуют структуре и программе курса источников питания для дуговой сварки, читаемого для сварочных специальностей машиностроительных вузов.

Описание принципа действия и конструкции сварочных автома­ тов обычно входит в состав отдельного курса автоматической сварки. Поэтому в данной книге принципы действия сварочных автоматов

иих характеристики изложены лишь в объеме, необходимом для

выявления особенностей совместной работы источников питания и сварочных автоматов и определения требований к источникам питания дуги при автоматической сварке.

Главное внимание в книге обращено на изложение принципа действия, теории и основных свойств источников питания и их соответствия требованиям и особенностям технологического про­ цесса дуговой сварки. Вопросы расчета и конструкции оборудования» излагаются в книге лишь в той^ степени, в какой они необходимы специалисту по сварке для правильного выбора типа, мощности* методов настройки режима источника питания и наиболее эффектив­ ной его эксплуатации.

Материалы книги могут быть также использованы при разработке новых и усовершенствовании существующих типов источников питания.

Всоответствии с указанной структурой и целевым назначением курса источников питания материал книги разбит на четыре раздела.

Впервом разделе рассмотрены характеристики и свойства сва­ рочной дуги как потребителя электрической энергии и обоснованы

1*

требования к источникам питания. Материалы этого раздела увязаны с вопросами технологии дуговой сварки, которые подробно изла­ гаются в соответствующих разделах курсов теории и технологии сварочных процессов.

В последующих двух разделах излагаются теория работы и основ­ ные свойства типовых источников питания дуги переменного и по­ стоянного тока, нашедших широкое применение как в СССР, так

иза границей, а также приводятся описание их конструкции и основ­ ные технические данные.

Вкачестве основного критерия сравнительной оценки различ­ ных систем источников питания дуги принято соответствие их свойств требованиям технологического процесса сварки, сформулирован­ ным в первом разделе.

Взаключительном, четвертом разделе книги приведены основные правила устройства и эксплуатации электротехнических установок для дуговой сварки, выполнение которых необходимо для эффек­ тивного использования оборудования и обеспечения условий повы­ шения производительности и качества сварочных работ.

При изложении основных вопросов теории автором было введено понятие полного эквивалентного сопротивления схемы питания, позволившее обосновать и применить единый метод анализа явлений во всех типовых источниках питания независимо от их схемы и кон­ струкции.

Всоответствии с принятым методом анализа различные схемы источников литания и принцип их действия рассматриваются как разновидности общего принципа действия, отличающиеся лишь Способом формования внешней характеристики и методами на­ стройки режима путем регулирования напряжения холостого хода

иизменения полного эквивалентного сопротивления источника Питания. Применение единого метода анализа разнообразных схем

При написании книги были использованы и обобщены как мате­ риалы ряда работ ведущих предприятий и научных учреждений в области сварки (завод «Электрик», ВНИИЭСО, Академия наук •СССР, Институт электросварки АН УССР, МВТУ имени Баумана, ЦНИИТМАШ, НИАТ, Уральский политехнический институт, Ленин­ градский политехнический институт и др.), так и результаты личных научно-исследовательских и методических работ автора. Ряд вопро­ сов теории источников питания дуги был разработан или развит «автором в связи с написанием данной книги, как например, мате­ риалы, изложенные в главах III (§2, 3, 4), VIII, X, XIII, XIV и др.

ВВЕДЕНИЕ

КРАТКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Электрическая дуговая сварка широко применяется во всех отраслях народного хозяйства, как один из наиболее совершенных способов соединения различных металлов и сплавов.

В настоящее время при помощи дуговой сварки изготовляются изделия из металла толщиной от нескольких десятых долей милли­ метра до сотен миллиметров. Мощность сварочных установок и ре­ жимы дуговой сварки, в соответствии с разнообразием ее применения, также изменяются в широких пределах: от нескольких сотен ватт до сотен киловатт при токах от 15 до 2500 а и напряжении дуги от 15 до 60 в.

Развитие электрической дуговой сварки с самого ее возникнове­ ния потребовало разработки и создания специального электрообо­ рудования для питания дуги и автоматизации сварки.

Акад. В. В. Петров (1761—1834), открывший в 1802 г. явление электрической дуги, применял в своих опытах специальную соз­ данную им, крупнейшую по тому времени, мощную гальваническую батарею.

Создатель способов электрической дуговой сварки выдающийся русский изобретатель Н. Н. Бенардос (1842—1905) разработал спе­ циальную схему питания дуги, состоящую из электрического гене­ ратора с постоянным напряжением, параллельно которому была присоединена батарея аккумуляторов его конструкции. Сварочная дуга подключалась к схеме питания последовательно через бал­ ластный реостат. Н. Н. Бенардос разработал также несколько меха­ низированных сварочных установок и устройств для автоматиче­ ского регулирования дуги с неплавящимися угольными и плавящи­ мися металлическими электродами [1].

Н. Г. Славянов (1854—1887), являющийся одним из основопо­ ложников дуговой сварки металлическим плавящимся электродом, создал мощный электрический генератор для питания дуги и раз­ работал специальный автоматический регулятор длины дуги, назван­ ный им «электроплавильником» [1], [2]. Схема питания сварочного поста, разработанная Н. Г. Славяновым, показана на фиг. 1.

В начальный период развития сварки для питания дуги приме­ нялись нормальные электрические генераторы постоянного тока,

напряжение которых практически не изменяется с изменением тока нагрузки. Дуга подключалась к таким генераторам последова­ тельно через специальный балластный реостат для получения падаю­ щей внешней характеристики.

Так как нормальные электрические генераторы не были приспо­ соблены для целей сварки, а в балластных реостатах бесполезно затрачивалась значительная часть энергии, вырабатываемой гене­ ратором, то описанная схема питания с начала XX в. была выте­ снена разнообразными специальными сварочными генераторами,

Фиг. 1. Схема питания сварочного поста, разработанная Н. Г. Славяновым (под­ линный рисунок из книги Н. Г. Славянова «Электрическая отливка металлов»):

D — сварочный генератор; К — переключатель; L — провода (шины); Z — гибкие проводники;

R — балластный реостат; ЭП — электроплавильник.

предназначенными для непосредственного питания дуги. Благодаря особой схеме и конструкции напряжение у таких генераторов сни­ жается с увеличением тока нагрузки.

Начало созданию в СССР специальной отрасли электропромыш­ ленности —электросварочному машиностроению — было положено в 1924 г. на Ленинградском заводе «Электрик», где под руководством советского ученого и инженера В. П. Никитина (1893—1956) был по­ строен первый советский сварочный генератор типа СМ-1. В даль­ нейшем завод «Электрик», ставший основным ведущим центром советского электросварочного машиностроения, непрерывно совер­ шенствовал и разрабатывал новые типы оборудования для дуговой сварки.

К 1940 г. в СССР были разработаны и выпускались однопостовые сварочные генераторы трех наиболее совершенных по тому времени систем: генераторы с расщепленными полюсами типа СМГ, генера­ торы поперечного поля типа СГП и генераторы с самовозбуждением и размагничивающей последовательной обмоткой типа СМП-3. Было освоено также производство мощных многопостовых сварочных генераторов типа СМГ-3, СМГ-4 и СМГ-5.

Наряду с разработкой и освоением новых схем сварочных гене­ раторов усовершенствовалась их конструкция. Первые советские сварочные агрегаты выпускались в виде стационарных установок, с приводом от электродвигателей постоянного или переменного тока.

Обе машины (сварочный генератор и двигатель) были смонти­ рованы на общей раме и соединены между собой при помощи эла­ стичной муфты. Дальнейшим развитием конструкции явился выпуск в 30-годах однокорпусных передвижных сварочных преобразовате­ лей, в которых сварочный генератор и соединенный с ним электро­ двигатель имеют общий вал и размещены в одном корпусе. В этот период было также выпущено несколько типов сварочных агрегатов с приводом от двигателей внутреннего сгорания, предназначенных для сварки в полевых условиях.

Применение источников переменного тока для питания свароч­ ной дуги началось несколько позднее генераторов. В качестве первых типов источников питания дуги переменного тока в СССР

широкое распространение получили понижающие трансформаторы с нормальным рассеянием типа СТ-2, питающие дугу через последо­ вательно подключенную реактивную катушку со стальным сердеч­ ником — дроссель.

В 1924 г. В. П. Никитин предложил новую принципиальную схему трансформатора в комбинации с реактивной катушкой, кото­ рый получил название сварочного трансформатора СТН. В после­ дующий период (в 30-х годах) были разработаны первые специальные сварочные трансформаторы типа СТ-32 с искусственно увеличенным рассеянием, повышающим индуктивное сопротивление обмоток транс­ форматоров по сравнению с нормальными силовыми трансформато­ рами.

Широкое применение сварки в промышленности СССР в годы первых пятилеток обусловило необходимость резкого увеличения производства электросварочного оборудования. В этот период в СССР

были разработаны передовые технологические способы сварки на переменном токе и организовано крупносерийное производство трансформаторов для дуговой сварки. В связи с применением атомно­ водородной сварки отечественной электропромышленностью были выпущены также в 30-х годах специальные сварочные трансфор­ маторы.

К 1940 г. электрическая дуговая сварка на переменном токе (ручная и автоматическая) стала основным видом сварки, приме­ няемым в народном хозяйстве СССР, а сварочные трансформаторы составляли около 80% всего оборудования, выпускаемого для дуго­ вой сварки.

Большое влияние на развитие источников питания дуги оказала разработка и применение способов автоматической сварки. Про­ мышленный выпуск сварочных автоматов был начат в СССР в пер­ вой половине 30-х годов. Первоначально сварочные автоматы пред­

назначались для сварки голой электродной проволокой открытой дугой постоянного тока и были снабжены автоматическими регуля­ торами напряжения дуги.

В 1933 г. на заводе «Электрик» впервые в сварочной технике были разработаны и изготовлены автоматические установки для дуговой сварки на переменном токе. Однако при сварке открытой дугой с применением голой электродной проволоки невозможно было обеспечить требуемое качество сварного соединения и высокую производительность. Поэтомуавтоматическая сварка не получила в тот период широкого применения. Коренной переворот в этом направ­ лении произошел после разработки в 1940 г. коллективом Института электросварки АН УССР во главе с Е. О. Патоном (1870—1953) нового способа автоматической сварки закрытой дугой под флюсом. Создание нового способа автоматической сварки под флюсом поз­ волило широко применить переменный ток и обеспечить высокую производительность и качество сварного соединения.

В годы Великой Отечественной войны и особенно в послевоенные годы продолжался непрерывный подъем электросварочного маши­ ностроения. Это развитие шло как по линии дальнейшего усовер­ шенствования схем и конструкций существующего сварочного обо­ рудования, так и по пути создания новых типов оборудования; необходимо также отметить повышение мощности единицы обору­ дования и значительное увеличение выпуска автоматических сва­ рочных установок.

В настоящее время наша электропромышленность выпускает оборудование, которое в основном было разработано в послевоен­ ные годы, т. е. создано с учетом требований современной передо­ вой техники.

Значительно усовершенствована конструкция трансформаторов с отдельной реактивной катушкой в новой серии трансформаторов типа СТЭ. Дальнейшим развитием советского сварочного трансформаторостроения явилась разработка в 1948—1951 гг. заводами электропромышленности совместно с АН СССР и МВТУ имени Баумана единой серии однокорпусных сварочных трансформатороврегуляторов типа СТН-ТСД и СТАН для всех видов дуговой сварки на переменном токе (ручной, полуавтоматической и автоматической).

Работы по созданию трансформаторов для автоматической сварки выполнялись также в Институте электросварки имени Е. О. Патона АН УССР, где были разработаны и выпущены партии сварочных трансформаторов СТ-1000 и СТ-2000, работающих по схеме СТН, и трансформаторы-регуляторы типа СТР-1000 и СТР-1000-П с повы­ шенным рассеянием.

Впослевоенные годы были также усовершенствованы генераторы

срасщепленными полюсами и улучшена конструкция сварочных агрегатов и преобразователей, выпускаемых с генераторами этой системы. Помимо усовершенствования существующих типов свароч­ ных генераторов, в этот период на заводе «Электрик» и во Всесоюзном

научно-исследовательском Институте электросварочного оборудова­ ния (ВНИИЭСО) была разработана новая серия сварочных генерато­ ров типа ГС-500, СГП-3 и др. с самовозбуждением от третьей дополни­ тельной щетки и с размагничивающей последовательной обмоткой. Для питания сварочных автоматов в полевых условиях был разрабо­ тан специальный агрегат типа ПАС-1000 с однопостовым генератором типа СГ-1000-1, имеющим независимое возбуждение и размагничи­ вающую последовательную обмотку. Взамен устаревших конструк­ ций многопостовых генераторов в настоящее время выпускаются однокорпусные многопостовые сварочные преобразователи типа ПСМ-1000.

Наиболее существенные сдвиги в послевоенные годы произошли в разработке и выпуске оборудования для автоматической и полу­ автоматической сварки под флюсом.

В 1942 г. в СССР В. И. Дятловым был предложен новый принцип построения сварочных автоматов с постоянной, независимой от напряжения дуги скоростью подачи электродной проволоки, осно­ ванный на использовании саморегулирования сварочной дуги. Использование этого принципа позволило чрезвычайно упростить конструкцию и повысить надежность работы автоматических свароч­ ных головок.

В разработке и выпуске новых сварочных автоматов и полу­ автоматов ведущая роль принадлежит Институту электросварки АН УССР, заводу «Электрик» и Отделу сварки ЦНИИТМАШа, которые создали различные образцы сварочных автоматов и полу­ автоматов общего и специального назначения.

тов и трехфазных сварочных трансформаторов (Уральский завод тяжелого машиностроения, Уральский политехнический институт* ЦНИИТМАШ, завод «Электрик», Лаборатория электрических сва­ рочных машин АН СССР и др.).

Дуговая сварка в среде защитных газов (аргон, азот, углекислый газ) неплавящимся (угольным, вольфрамовым) и плавящимся метал­ лическим электродом получает в последнее время все большее при­ менение в ряде отраслей промышленности. Для этих способов сварки отдельные организации выпускают специализированные автоматы. В качестве источников питания дуги в защитных газах в основном используются существующие типы сварочных генераторов и транс­ форматоров.

Большим достижением советской сварочной техники за послед­ нее время является разработка в Институте электросварки АН УССР5 новых высокопроизводительных способов автоматической электрошлаковой и дуговой сварки с принудительным формированием

специальные автоматы, а также выпущены трехфазные трансформа­ торы для многоэлектродной электрошлаковой сварки.

Для оценки современного состояния и определения путей даль­ нейшего развития источников питания дуги необходимо дать крат­ кую сравнительную характеристику состояния этой отрасли свароч­ ной техники в СССР и за границей, в первую очередь в США.

Прежде всего необходимо отметить, что развитие электросвароч­ ного машиностроения в СССР шло все время в непрерывно нарастаю­ щем темпе по наиболее прогрессивному пути применения перемен­ ного тока и в этом отношении опережало зарубежную технику. Общий выпуск оборудования для дуговой сварки с 1925 по 1940 г. возрос в 8 раз, а в 1957 г. объем производства источников питания

спадами. Так за 10 лет (с 1940 по 1949 г.) объем производства возрос в 1,7 раза, хотя в некоторые годы этот рост был гораздо больше.

Широкое производство сварочных трансформаторов и примене­ ние их для дуговой сварки за границей, в том числе в США, началось только во время второй мировой войны (1943—1944 г.). До этого вре­ мени преимущественно выпускались сварочные генераторы постоян­ ного тока. Так в 1940 г. выпуск сварочных трансформаторов в США составлял менее 12,5% общего производства оборудования для дуговой сварки, в то время как в СССР уже в 1935 г. выпуск свароч­ ных трансформаторов достиг около 80% от всего производства обо­ рудования. Только в 1951 г. объем производства различных свароч­ ных трансформаторов в США составил около 60% от всего выпуска •оборудования для дуговой сварки.

Сравнивая развитие производства отдельных видов оборудования, можно сделать следующие выводы.

Сварочные трансформаторы. Как уже указывалось, в СССР в на­ стоящее время применяются однокорпусные сварочные трансфор­ маторы с нормальным рассеянием в комбинации с реактивной обмот­ кой типа СТН-ТСД, трансформаторы с повышенным рассеянием типа СТАН и трансформаторы СТЭ с отдельной реактивной катуш­ кой. В США приняты в основном две системы: однокорпусные тран­ сформаторы в комбинации с реактивной обмоткой, работающие по принципиальной схеме СТН, и трансформаторы с повышенным рассеянием, которое достигается путем устройства подвижных катушек или специальных магнитных шунтов.

По своим технико-экономическим показателям и конструкции советские сварочные трансформаторы находятся на современном уровне развития мировой техники.

По весу и расходу активных материалов (трансформаторная сталь и обмоточные провода) американские трансформаторы в боль­ шинстве случаев уступали лучшим образцам советских сварочных трансформаторов. Однако в последних американских конструкциях

благодаря применению электротехнической стали повышенного ка­ чества, термостойкой изоляции (кремнийорганическая, стеклянная) и облегченных алюминиевых обмоток достигнуто существенное снижение общего веса и габаритов трансформаторов.

Сварочные генераторы и преобразователи постоянного тока.

В СССР преимущественно применяются две системы однопостовых сварочных генераторов: генераторы с расщепленными полюсами и генераторы с самовозбуждением от дополнительной щетки и с раз­ магничивающей последовательной обмоткой.

В США существует большее разнообразие применяемых схем, конструкций и типоразмеров. Следует заметить, что это разнообра­ зие не всегда диктуется технической необходимостью, а определяется часто интересами отдельных фирм.

Преимущественное применение в США имеют системы с незави­ симым возбуждением и размагничивающей последовательной обмот­ кой, а также различные варианты схем с самовозбуждением от дополнительной щетки и использованием размагничивающего дей­ ствия реакции якоря.

Советское оборудование для сварки на постоянном токе по своим эксплуатационным свойствам, экономичности и надежности в работе •аналогично заграничному оборудованию.

От общего выпуска сварочных генераторов в СССР однопостовые генераторы на 300 а составляют более 80%. Остальную часть выпуска составляют более мощные генераторы (500 и 1000 а), причем на 1000 а в основном выпускаются многопостовые гене­ раторы.

В СССР до последнего времени не выпускались генераторы на 120—150 а для сварки изделий малой толщины, где применение постоянного тока часто обусловливается технологическими требо­ ваниями.

Всоответствии с тем, что сварка на постоянном токе в СССР при­ меняется главным образом в полевых и монтажных условиях, где отсутствуют силовые электрические сети переменного тока, в наи­ большем количестве выпускаются однопостовые агрегаты постоян­ ного тока с приводом от бензиновых двигателей. Применение в ка­ честве привода сварочных агрегатов более экономичных дизельных двигателей в промышленности СССР ограничивается единичными образцами агрегатов типа ПАС-1000 и АСД-3-1.

ВСША агрегаты с приводом от двигателей внутреннего сгорания составляют около 40—50% общего выпуска сварочных генераторов; широкое применение получили передвижные агрегаты с дизельными двигателями.

ВСША, а также в других зарубежных странах в последние

годы стали применять для сварки на постоянном токе установки с полупроводниковыми, главным образом селеновыми выпрямите­ лями. В СССР выпрямительные сварочные установки не получили еще должного применения.

Развитие источников питания для дуговой сварки в СССР было* неразрывно связано с научными исследованиями в этой облаете сварочной техники. Эти исследования велись в следующих основ­ ных направлениях: а) исследование энергетических характеристик и условий устойчивости электрической сварочной дуги; б) разра­ ботка теории, сравнительное исследование и выбор различных систем генераторов и трансформаторов для дуговой сварки.

Акад. В. Ф. Миткевич (1872—1951) провел весьма важные иссле­ дования электрической дуги, в результате которых был рекомен­ дован ряд схем питания дуги при сварке, в том числе схемы питания дуги трехфазным током.

Основоположником теории источников питания для дуговой сварки в СССР является акад. В. П. Никитин, в многочисленных трудах которого были определены условия устойчивости сварочной

и источников ее питания были выполнены на заводе «Электрик», ВНИИЭСО, в МВТУ имени Баумана, Институте электросварки АН УССР, Секции электросварки, а затем в Лаборатории электри­ ческих сварочных машин АН СССР, в Уральском политехническом институте и других организациях.

На основе этих исследований в СССР сформировалось самостоя­ тельное научное направление в сварочной технике и был создан специальный курс источников питания для дуговой сварки, читае­ мый в машиностроительных вузах, имеющих сварочную специаль­ ность.