Источник питания для сварки — это устройство, которое обеспечивает или модулирует электрический ток для выполнения дуговой сварки . [1] Существует множество процессов дуговой сварки, начиная от сварки металлическим электродом в защитном газе (SMAW) и заканчивая инертным защитным газом, таким как сварка металлическим электродом в защитном газе (GMAW) или сварка вольфрамовым электродом в защитном газе (GTAW) . Источники питания для сварки в первую очередь служат устройствами, которые позволяют сварщику контролировать, является ли ток переменным (AC) или постоянным (DC) , а также величину тока и напряжение.
Источники питания для сварочных процессов, использующих защитный газ, также предлагают соединения для газа и методы управления потоком газа. Оператор может установить эти факторы в пределах параметров, необходимых для типа металла, толщины и используемой техники. Большинство источников питания для сварки не генерируют электроэнергию, а работают как управляемые трансформаторы , которые позволяют оператору регулировать электрические свойства по мере необходимости. Однако в некоторых сварочных приложениях, в частности SMAW, используемых в областях, изолированных от электросетей, используются источники питания для сварки, которые объединяют функции генерации электроэнергии и модуляции тока в одном мобильном устройстве, установленном на транспортном средстве или буксируемом прицепе.
Сварочные аппараты обычно классифицируются как аппараты постоянного тока (CC) или постоянного напряжения (CV); аппарат постоянного тока изменяет свое выходное напряжение для поддержания постоянного тока, в то время как аппарат постоянного напряжения будет изменять свой выходной ток для поддержания заданного напряжения. Сварка металлическим электродом в защитном газе и сварка вольфрамовым электродом в защитном газе будут использовать источник постоянного тока, а сварка металлическим электродом в защитном газе и дуговая сварка порошковой проволокой обычно используют источники постоянного напряжения, но постоянный ток также возможен с помощью устройства подачи проволоки с датчиком напряжения.
Источники постоянного тока используются для сварочных операций, которые выполняются вручную, например, для сварки металлическим электродом в защитном газе или для сварки вольфрамовым электродом в защитном газе. Поскольку это ручные процессы, длина дуги не постоянна на протяжении всей операции. Это объясняется тем, что требуется очень высокий уровень мастерства, чтобы удерживать руку в одном и том же положении над заготовкой на протяжении всей сварки. Использование источника постоянного тока гарантирует, что даже если длина дуги изменится, что приведет к изменению напряжения дуги, сварочный ток не изменится значительно, а подвод тепла в зону сварки останется более или менее постоянным на протяжении всей операции.
Природа машины CV необходима для сварки металлическим электродом в среде защитного газа и дуговой сварки порошковой проволокой, поскольку сварщик не может контролировать длину дуги вручную. [ требуется ссылка ] Если бы сварщик попытался использовать машину CV для сварки металлическим электродом в среде защитного газа (SMAW), небольшие колебания расстояния дуги вызвали бы значительные колебания выходного тока машины. С машиной CC сварщик может рассчитывать на фиксированное количество ампер, достигающих материала, независимо от того, насколько короткой или длинной становится электрическая дуга.
Наиболее распространённые источники питания для сварки можно разделить на следующие типы:
Сварочный источник питания трансформаторного типа преобразует умеренное напряжение и умеренный ток от электросети ( обычно 230 или 115 В переменного тока) в сильный ток и низкое напряжение, обычно от 17 до 45 (разомкнутая цепь) вольт и от 55 до 590 ампер . Выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный на более дорогих машинах.
Такая конструкция обычно позволяет сварщику выбирать выходной ток, по-разному перемещая первичную обмотку ближе или дальше от вторичной обмотки, перемещая магнитный шунт внутрь и наружу сердечника трансформатора, используя последовательный насыщающий реактор с переменной техникой насыщения последовательно с вторичным выходным током или просто позволяя сварщику выбирать выходное напряжение из набора отводов на вторичной обмотке трансформатора. Эти машины трансформаторного типа обычно являются наименее дорогими.
Компромиссом за снижение расходов является то, что чистые трансформаторные конструкции часто громоздки и массивны, поскольку работают на частоте сети 50 или 60 Гц. Такие низкочастотные трансформаторы должны иметь высокую индуктивность намагничивания, чтобы избежать ненужных шунтирующих токов. Трансформатор также может иметь значительную индуктивность рассеяния для защиты от короткого замыкания в случае прилипания сварочного стержня к заготовке. Индуктивность рассеяния может быть переменной, чтобы оператор мог устанавливать выходной ток.
Источники питания для сварки также могут использовать генераторы или альтернаторы для преобразования механической энергии в электрическую. Современные конструкции обычно приводятся в действие двигателем внутреннего сгорания, но старые машины могут использовать электродвигатель для привода альтернатора или генератора. В этой конфигурации электроэнергия сначала преобразуется в механическую энергию, а затем обратно в электрическую энергию для достижения эффекта понижения, аналогичного трансформатору. Поскольку выход генератора может быть постоянным током или даже более высокой частотой переменного тока, эти старые машины могут вырабатывать постоянный ток из переменного тока без какой-либо необходимости в выпрямителях любого типа или также могут использоваться для реализации ранее используемых вариаций так называемых гелиарговых (теперь чаще называемых TIG ) сварочных аппаратов, где необходимость в более высокочастотном дополнительном модуле устраняется за счет того, что альтернатор просто напрямую вырабатывает более высокую частоту переменного тока.
С появлением мощных полупроводников, таких как биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) , теперь стало возможным построить импульсный источник питания , способный справляться с высокими нагрузками дуговой сварки. Эти конструкции известны как инверторные сварочные агрегаты. Они обычно сначала выпрямляют переменный ток в постоянный; затем они переключают (инвертируют) постоянный ток в понижающий трансформатор для получения желаемого сварочного напряжения или тока. Частота переключения обычно составляет 10 кГц или выше. Хотя высокая частота переключения требует сложных компонентов и схем, она радикально уменьшает объем понижающего трансформатора, поскольку масса магнитных компонентов (трансформаторов и индукторов), необходимых для достижения заданного уровня мощности, быстро уменьшается по мере увеличения рабочей (коммутационной) частоты. Схема инвертора также может обеспечивать такие функции, как управление мощностью и защита от перегрузки. Высокочастотные инверторные сварочные аппараты, как правило, более эффективны и обеспечивают лучший контроль переменных функциональных параметров, чем неинверторные сварочные аппараты.
IGBT в инверторной машине управляются микроконтроллером , поэтому электрические характеристики сварочной мощности могут быть изменены программным обеспечением в реальном времени, даже на основе цикла за циклом, а не вносить изменения медленно в течение сотен, если не тысяч циклов. Обычно программное обеспечение контроллера реализует такие функции, как импульсный сварочный ток, обеспечение переменных соотношений и плотностей тока в течение сварочного цикла, включение качающихся или ступенчатых переменных частот и обеспечение синхронизации по мере необходимости для реализации автоматической точечной сварки; все эти функции были бы непомерно дорогими для проектирования в трансформаторной машине, но требуют только пространства памяти программ в программно-управляемой инверторной машине. Аналогичным образом, можно добавлять новые функции в программно-управляемую инверторную машину, если это необходимо, с помощью обновления программного обеспечения, а не путем покупки более современного сварочного аппарата.
Существуют также дополнительные типы сварочных аппаратов, помимо типов, использующих трансформаторы, мотор/генератор и инверторы. Например, существуют также лазерные сварочные аппараты, и для них требуется совершенно другой тип конструкции сварочного источника питания, который не попадает ни в один из типов сварочных источников питания, обсуждавшихся ранее. Аналогично, для точечных сварщиков требуется другой тип сварочного источника питания, обычно содержащий сложные схемы синхронизации и большие конденсаторные батареи, которые обычно не встречаются ни в каких других типах сварочных источников питания.