Основными элементами любой сварочной установки являются: источник сварочного напряжения или источник питания (далее - ИП); исполнительный механизм; соединительные элементы (шланги, кабели); вспомогательные элементы (баллоны, приспособления, оснастка и т.д.). В зависимости от выбранного вида сварки различают следующие виды сварочного оборудования:
Для ручной дуговой сварки штучными плавящимися электродами с покрытием (метод ММА):
- трансформаторы (предназначены для сварки на переменном токе);
- выпрямители (предназначены для сварки на постоянном токе);
- инверторы (для сварки на постоянном токе
- постоянный ток получают по инверторной схеме).
Для полуавтоматической сварки металлической проволокой в среде защитных газов (метод MIG/MAG) - сварочные полуавтоматы, состоящие из источника питания (встроенного или автономного), блока управления, подающего механизма и специальной сварочной горелки. Для автоматической сварки металлической проволокой в среде защитных газов или под флюсом - сварочные автоматы (самоходные тракторного типа, подвесные или планетарные головки). Для ручной дуговой сварки неплавящимся (вольфрамовым) электродом в среде инертных защитных газов (метод TIG) - специализированные сварочные установки переменного и/или постоянного тока.
Одной из основных характеристик сварочного процесса является статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) сварочной дуги, отражающая связь между напряжением и силой тока сварочной дуги. Вследствие особенностей ионизации атомов металла в столбе дуги характеристика самой дуги состоит из трёх участков - падающего, статического и возрастающего. Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги показана на рис. 1
падающие жесткая возрастающая
Рис.2 Вольт- амперные характеристики источников питания в соотнесении их со статической ВАХ дуги.
Ручную дуговую сварку (метод ММА) ведут на токе малой плотности (отношение силы тока к диаметру электрода). При этом из-за колебания длины дуги меняется и напряжение дуги, и ее вольт- амперная характеристика имеет падающую форму (зона 1 на рис. 1.). Поэтому для ручной дуговой сварки в основном применяют ИП с падающей вольт- амперной характеристикой, имеющей очень большой угол наклона к оси тока (крутопадающая характеристика); такая вольт- амперная характеристика обеспечивает отсутствие колебаний тока при изменении напряжения дуги. При полуавтоматической сварке методом MIG/MAG дуга горит на стабильном участке вольт -амперной характеристики (зона 2 на рис. 1.), поэтому ИП для такого метода сварки должен иметь жёсткую или полого падающую вольт- амперную характеристику. ИП с возрастающей характеристикой применяют в основном для автоматической сварки под флюсом и наплавки.
Сварочные трансформаторы.
Одной из особенностей сварочной дуги переменного тока является периодическое изменение тока и напряжения ИП из-за перерывов в горении дуги при переходе кривой тока через нулевые значения (дуга гаснет). Внешне это проявляется резким звуком горящей дуги и повышенным разбрызгиванием жидкого металла. Все сварочные трансформаторы являются трансформаторами напряжения. Вольт - амперные характеристики трансформаторов, применяемых для ручной дуговой сварки, являются крутопадающими. Для повышения стабильности горения дуги увеличивают индуктивное сопротивление цепи дуги, для чего в цепь вторичной обмотки трансформатора обычно включают дополнительную реактивную катушку.
Наиболее распространёнными являются трансформаторы с так называемым увеличенным магнитным рассеянием. В этих трансформаторах катушки обмоток разнесены по стержню магнитопровода. При работе трансформатора часть магнитных потоков замыкается в воздухе вне магнитопровода и рассеивается, что и дало название этим аппаратам. Регулировка тока в таких трансформаторах осуществляется изменением магнитных потоков путем раздвижения катушек обмоток по высоте магнитопровода (отечественные трансформаторы серии ТД) или введением в окно магнитопровода подвижных шунтов из магнитного материала (трансформаторы серии ТДМ).
Другой, менее распространённый тип сварочных трансформаторов - трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием. В этих аппаратах катушки первичной и вторичной обмоток располагаются концентрично на замкнутом магнитопроводе стержневого типа, поэтому рассеяние магнитных потоков практически отсутствует. Благодаря этому вольт - амперная характеристика получается полого падающей или жёсткой. Регулировка таких трансформаторов осуществляется введением в цепь вторичной обмотки дополнительной индуктивности, за счёт которой и происходит настройка тока.
Сварочные выпрямители.
Сварка на постоянном токе обеспечивает получение сварного соединения более высокого качества по сравнению со сваркой на переменном токе. Из-за отсутствия нулевых значений тока повышается стабильность горения дуги, увеличивается глубина проплавления, снижается разбрызгивание, улучшается защита дуги, повышаются прочностные характеристики металла сварного шва, снижается количество дефектов шва, а пониженное разбрызгивание улучшает использование присадочного материала и упрощает операции зачистки сварного соединения от шлака и застывших брызг металла. Всё это привело к тому, что для сварки качественных швов ответственных соединений больше применяют сварку на постоянном токе. Кроме того, многие материалы - высоколегированные и теплоустойчивые стали, чугуны, титан, сплавы на основе меди и никеля - свариваются только на постоянном токе. В частности, для полуавтоматической сварки металлической проволокой в среде защитных газов (метод MIG/MAG) - наиболее производительного и универсального метода сварки - применяют именно ИП постоянного тока.
Сварочными выпрямителями называются источники питания, в которых постоянный ток получается путём выпрямления переменного тока промышленной частоты с использованием полупроводниковых вентилей.
Общими элементами для сварочных выпрямителей являются силовой трансформатор, выпрямительный блок и блоки пускорегулирующей, измерительной и защитной аппаратуры. Наиболее рациональным в выпрямителях оказывается применение трёхфазного тока. Из графиков, приведенных на рис.6 видно, что суммирующая кривая тока при шестифазной схеме значительно лучше удовлетворяет требованиям сварки, чем однофазная.
Сварочные инверторы
Наиболее современными и технически сложными источниками сварочного тока являются сварочные инверторы. В отличие от статических ИП так называемых "классических" типов (т.е. трансформаторов и выпрямителей), у инверторов отсутствует силовой трансформатор.
Вся работа сварочного инвертора построена на принципе фазового сдвига (инверсии) напряжения, осуществляемого электронной микропроцессорной схемой с покаскадным усилением тока. За счёт применения такого принципа удаётся получить широкий спектр вольт - амперных характеристик - от крутопадающей до возрастающей - с очень гладкой кривой тока, отклонения которого снижены до уровня десятых долей процента, что позволяет добиваться высокого качества сварки.
Включение в схему высокочастотного генератора расширяет сферу применения инверторных источников питания и позволяет использовать их практически для любого метода дуговой сварки и для плазменной резки. За счёт небольшой массы инверторы малой мощности очень перспективны для использования при монтаже особо ответственных металлоконструкций и трубопроводов, к сварным соединениям которых предъявляются повышенные требования, а условия работы не позволяют применять громоздкое промышленное оборудование, предназначенное для работы в цеховых условиях. Все инверторы имеют плавную регулировку сварочного тока, а цифровая схема микропроцессора и введение ячеек памяти позволяет организовать запоминание нескольких наиболее часто применяемых режимов сварки.