Procese Şi Echipamente La Sudarea Cu Energie Electrică

PROCESE ŞI ECHIPAMENTE LA SUDAREA CU ENERGIE ELECTRICĂ

16 Aprilie 2014

Caracteristici ale arcului electric

Pentru realizarea arcului electric, definit ca o descărcare electrică autonomă în gaze sau vapori metalici, având o densitate ridicată de curent electric şi o tensiune redusă pe canalul de descărcare, sunt necesare două condiţii principale: realizarea condiţiilor pentru amorsarea descărcării realizarea condiţiilor de stabilitate a canalului de

descărcare format


Îndeplinirea celor două condiţii principale este influenţată de un mare număr de factori: natura (structura chimică, starea electrică) şi parametrii gazului în care are loc descărcarea (presiune, temperatură, umiditate), natura electrozilor sau a materialelor între care are loc formarea canalului de descărcare (compoziţia chimică, temperatura, dimensiuni, distanţa), caracteristicile tensiunii de alimentare (forma curbei, amplitudine)


Determinarea parametrilor curentului electric în circuitul arcului electric se face pe baza schemei echivalente (a) pentru cele mai multe dintre tehnologiile de sudare, dar la sudarea prin procedeu WIG, la curenţi mici, este conectat în serie cu circuitul de sudare un condensator C (b), pentru limitarea componentei continue din curba curentului electric.

iA

u

r L

uA u

r L

uA

iA C

a b

Scheme echivalente ale circuitului arcului electric.


Analiza schemelor echivalente din fig. (a) şi (b) permite

punerea în evidenţă a următoarelor aspecte: stabilitatea arcului electric este determinată de structura

circuitului de alimentare inductivitatea circuitului determină în mare măsură stabilitatea

arcului electric stabilitatea arcului electric este influenţată şi de caracteristica

externă a sursei de alimentare prezenţa unui condensator în circuitul electric de alimentare,

necesar în cazul în care sunt utilizaţi electrozi cu caracteristici fizico termice foarte diferite de caracteristicile materialelor de imbinat, determină eliminarea componentei continue a curentului în circuit

Parametri tehnologici ai procesului de sudare

Principalii parametri electrotehnologici care determină caracteristicile cordonului de sudură sunt: intensitatea IA a curentului electric de sudare, definită ca fiind valoarea

efectivă a curentului care trece prin arcul electric tensiunea arcului electric UA , definită ca fiind valoarea efectivă a tensiunii

la bornele arcului electric, pe durata procesului de sudare viteza de sudare vs;

energia liniară w0 , care estimează cantitatea de căldură degajată în zona cusăturii, pe unitatea de lungime

lungimea Lca a canalului arcului electric, definită ca fiind distanţa dintre capătul inferior al electrodului şi baia cu metal lichid;

forma (AC sau DC) ca şi polaritatea (în cazul sursei DC) tensiunii de alimentare

tensiunea de mers în gol U0 , determinată la bornele sursei de alimentare,

atunci când descărcarea electrică este întreruptă

Sisteme de control automat al procesului de sudare

În cazul unui volum mare de lucrări de îmbinare prin sudare electrică, procedeele manuale sunt caracterizate de productivitate redusă, cost ridicat al lucrărilor, influenţa calificării muncitorilor asupra calităţii sudurii realizate, pierderi ridicate de material (în primul rând electrozi)

Pentru eliminarea acestor deficienţe sunt utilizate procedee adecvate proceselor automate, în care electrozii sunt sub formă de sârmă înfăşurată pe un tambur special, iar avansul electrodului este controlat în funcţie de mărimi specifice procesului de sudare.


În principiu, schema de automatizare a procesului de sudare cuprinde elementele indicate în fig. de mai jos:

TI

xi RC EE

Tr

xe arcul electric

xr

Schema de principiu a sistemului automat de control a procesului de sudare.

K

SEA


Parametrii arcului electric xe sunt preluaţi de traductorul Tr

(de curent în arcul electric sau de tensiune la bornele arcului electric, în funcţie de procedeul de sudare utilizat), care transmite informaţia respectivă xr la comparatorul K, unde este transmisă şi valoarea prescrisă xi (valoarea impusă) a parametrului controlat

Abaterea valorii reale xr faţă de valoarea prescrisă xi este transmisă regulatorului RC, care asigură informaţia necesară elementului de execuţie EE

Acesta determină modificarea mărimilor de ieşire ale sursei de alimentare SEA, precum şi controlul poziţiei electrodului de sudare, astfel încât să se asigure parametrii doriţi ai arcului electric.


În cazul producţiei de masă, au cunoscut o largă utilizare roboţii de sudare, în care conducerea întregului proces, de la stabilirea curentului de sudare, a duratei procesului şi a poziţionării electrozilor, este preluată de un calculator de proces

Calculatorul de proces asigură conducerea tuturor operaţiilor, pe baza unui program implementat anterior, având în principal următoarele funcţiuni:

controlul parametrilor de sudare şi urmărirea realizării parametrilor pre programaţi;

controlul poziţiei arcului electric şi realizarea traseului impus; controlul vitezei de sudare, a necesarului de gaz protector şi a poziţiei

electro dului

Surse pentru instalaţii de sudare cu arc electric

În funcţie de forma curentului în arcul electric, sursele pentru alimentarea instalaţiilor de sudare (SEA) sunt de tensiune alternativă, la frecvenţă industrială 50 Hz (transformatoare de

sudare de tensiune continuă (generatoare rotative, instalaţii de redresare); cu înaltă frecvenţă cu curent pulsat

Sursele de alimentare a instalaţiilor de sudare trebuie să permită reglarea valorii curentului în circuitul de sudare, pentru a asigura adaptarea la grosimea materialelor care se sudează, şi a valorii tensiunii la bornele arcului electric


Dacă se are în vedere că expresia tensiunii UA la bornele arcului electric are forma

în care

Z = r + jL,

se obţine

AA IZUU 0

Z

UUI A

A

0


Din relaţia de definire a lui (IA) rezultă cele trei metode de reglare a regimului de lucru: modificarea tensiunii U0 de mers în gol a sursei modificarea impedanţei Z a circuitului de alimentare a arcului

electric combinarea celor două metode anterioare


U U01

U02

U03

IA3 IA2 IA1 I Isc1 Isc3 Isc2

UA

a

U U0

UA

Isc1 I Isc2 IA2 Isc3 IA3

b

U01

U02

I

UA

U

IA1 IA21 IA22 IA23 IA13 IA12 IA11

c

Caracteristici externe ale surselor de alimentare a instalaţiilor de sudare.

0 0 0


Principalul dezavantaj al primei metode constă în faptul că la valori reduse IA3 (a) ale curentului de sudare, tensiunea de mers în gol U03 scade mult, arcul electric amorsează cu dificultăţi şi devine instabil, în special la alimentarea cu tensiune alternativă

Metoda este utilizată în special la alimentarea cu tensiune continuă de la generatoare rotative


În cea de a doua metodă se modifică impedanţa Z a circuitului de alimentare şi se menţine tensiunea de mers în gol U0.

Valoarea U0 este specifică unui anumit regim de lucru. Metoda este utilizată la sudarea manuală sau

automată utilizând transformatoare de sudare


Cea de a treia metodă de reglare este utilizată la majoritatea surselor clasice pentru sudare, pentru a asigura un domeniu mai larg al regimurilor de lucru

Forma caracteristicii externe a surselor de sudare se alege în funcţie de procedeul de sudare utilizat, urmărindu-se şi asigurarea stabilităţii arcului electric.

În cazul procedeelor clasice, sursele de sudare sunt caracterizate de faptul că prezintă o caracteristică externă căzătoare, având curentul de scurtcircuit Isc puţin mai mare faţă de curentul nominal IN al sursei Isc = (1,1...1,25)IN .

Surse de tensiune alternativă

În mod uzual, sunt folosite transformatoare de sudare monofazate, de construcţie specială, care asigură, pe de o parte, în secundar tensiunea U0 necesară amorsării, iar pe de altă parte, prin forma caracteristicii externe tensiune – curent realizează arderea stabilă a arcului electric

Impedanţa Z a circuitului transformatorului este predominant inductivă, astfel încât în cazurile practice, caracteristica externă poate fi dedusă pe baza relaţiei în care se neglijează termenul rezistiv

pentru UA = 0, rezultă valoarea curentului de scurtcircuit al sursei

Isc = U0 / X.

2220 XIUU AA


Pentru modificarea curentului de scurtcircuit şi deci a caracteristicii externe a transformatorului pot fi adoptate următoarele două măsuri: modificarea reactanţei X a circuitului, prin utilizarea

unui transformator cu flux de dispersie mare sau a unei bobine exterioare

modificarea tensiunii de mers în gol, prin schimbarea numărului de spire în circuit, în primarul sau secundarul transformatorului


U1

I

II EL

M

1

2

3 4

2

1

Transformator de sudare cu şunt magnetic mobil (TSM).

•Transformatorul de sudare cu şunt magne tic mobil (TSM) cuprinde un miez magnetic, cu coloana I, pe care este plasată înfăşurarea primară 1, şi un element 2 al înfăşurării secundare, un şunt magnetic mobil 4 şi coloana II, pe care este plasată înfăşurarea de reacţie 3 (al doilea element al înfăşurării secundare)


Prin modificarea poziţiei şuntulul, pe o direcţie perpendiculară pe planul ferestrei transformatorului, se modifică fluxurile magnetice 1 şi 2 , tensiunea indusă în înfăşurarea de reacţie 3 şi deci intensitatea curentului în arcul electric.

La sudarea cu arc electric trifazat, pentru realizarea sursei de alimentare, pot fi adoptate următoarele soluţii: două transformatoare de sudare monofazate, cu trei bobine

conectate pe fazele secundare un transformator de sudare trifazat trei transformatoare de sudare monofazate conectate în triunghi sau

în stea, pe fiecare dintre fazele din secundar fiind plasată o bobină reglabilă


În prezent, sistemele de reglare a curentului în circuitul de sudare pot fi realizate cu variatoare de tensiune alternativă VTA

VTA T B TC

R BCG

IA

EL

M xi

xr uc

Sursă de sudare cu variator de tensiune alternativă.

C


Unghiul de intrare în conducţie a tiristoarelor variatorului VTA este comandat de către blocul BCG, care primeşte informaţiile necesare de la regulatorul R.

Comparatorul C primeşte semnalul xr, proporţional cu intensitatea curentului de sudare, de la traductorul de curent TC şi semnalul xi privind valoarea impusă (dorită) a curentului în circuitul de sudare.

Surse de tensiune continuă Sursele de tensiune continuă, în variantele clasice, sunt de

două tipuri: generatoare rotative, antrenate de motoare electrice sau de motoare

Diesel; redresoare de sudare

Sursele de sudare cu generatoare rotative trebuie să satisfacă următoarele condiţii principale: să asigure tensiunea minimă de aprindere a arcului electric; să prezinte inerţie electromagnetică redusă; să permită reglarea într-o gamă largă a curenţilor de sudare; să permită funcţionarea în paralel; să prezinte o caracteristică exterioară puternic căzătoare.

Surse de tensiune continuă În cazul generatoarelor rotative, tensiunea Ug la bornele de ieşire

ale generatorului egală, în funcţionare, cu tensiunea UA la bornele arcului electric poate fi determinată din relaţia

Ug = E - RIA = ke - RIA

în care R este rezistenţa circuitului intern al generatorului, iar E – tensiunea electromotoare a generatorului, proporţională cu fluxul de excitaţie e al maşinii (k este o constantă a maşinii)

Specific generatoarelor rotative pentru sudare este o înfăşurare de excitaţie demagnetizantă, parcursă de curentul de sudare, care determină reducerea fluxului total e la creşterea curentului de sudare

Realizarea caracteristicii căzătoare se obţine în special printr-o alegere adecvată a sistemului de excitaţie al maşinii

Surse de tensiune continuăGeneratoarele de tip GESSA (generatoare de sudare cu excitaţie serie antagonistă) au o înfăşurare de excitaţie Em alimentată separat cu tensiunea U, iar valoarea curentului de excitaţie Ie este reglată cu ajutorul reostatului Re. Înfăşurarea de demagnetizare Ed este parcursă de curentul de sudare IA şi este reglabilă în trepte, cu ajutorul comutatorului Q de selectare a domeniului de curent electric. Fluxul magnetic total e este determinat de diferenţa dintre fluxul de magnetizare m şi fluxul de demagnetizare d.

Re

U

Ie

m wm

GESSA

wd

d EL

M

IA

Schema generatorului GESSA.

Em

Ed

Q

Surse de tensiune continuă

În general, sursele de sudare cu tensiune continuă, cu redresare, utilizează o schemă trifazată, realizând astfel o încărcare simetrică a reţelei electrice, o solicitare mai redusă a diodelor redresoare (faţă de schema monofazată) şi o încărcare mai bună a fazelor transformatorului.

Reglarea formei caracteristicii externe a sursei se poate realiza cu ajutorul unei bobine B premagnetizată cu curent continuu


Sursele de sudare cu redresoare vor înlocui generatoarele rotative

În general, sursele de sudare cu tensiune continuă, cu redresare, utilizează o schemă trifazată, realizând astfel o încărcare simetrică a reţelei electrice, o solicitare mai redusă a diodelor redresoare (faţă de schema monofazată) şi o încărcare mai bună a fazelor transformatorului

Surse de tensiune continuă Reglarea formei caracteristicii externe a sursei se poate realiza

cu ajutorul unei bobine B premagnetizată cu curent continuu

A B C

3

230/

400

V; 5

0 H

z

b a

SEA B D

TA

DA

EL

M

Schema de principiu a unei surse de sudare cu redresoare necomandate.

Rm

Surse de tensiune continuă Transformatorul principal al sursei SEA are caracteristica

tensiune – curent electric rigidă şi conexiunea triunghi – stea a înfăşurărilor, pentru a limita transfe rul în reţeaua electrică de alimentare a armonicelor cu rang multiplu de trei

Bobina B este premagnetizată de la sursa auxiliară de tensiune continuă, realizată de transformatorul auxiliar TA şi redresorul auxiliar DA

Curentul electric în circuitul de premagnetizare este reglabil cu ajutorul rezistorului Rm

Prin comutarea pe poziţia a sau b, este posibilă modificarea pantei caracteristicii externe a sursei de sudare

Curentul din circuitul de premagnetizare se închide prin arcul electric dintre electrodul EL şi obiectul procesat M


IA

EL

M xi

VTA T B TC

R BCG

xr uc

Sursă de sudare de tensiune continuă cu variator de tensiune alternativă.

D

C


Informaţiile xr , privind valoarea reală a curentului de sudare, se obţin la bornele traductorului de curent TC

La comparatorul C sunt transmise şi informa ţiile privind regimul dorit de sudare (mărimea xi)

Regulatorul de curent R transmite blocului BCG tensiunea de comandă uc , pentru a stabili unghiul necesar de intrare în conducţie a tiristoarelor variatorului de tensiune alternativă VTA, astfel încât în circuit să rezulte valoarea dorită (impusă) a curentului de sudare.


În cazurile practice, sursele de sudare de tensiune continuă cu redresoare se realizează în următoarele variante: puternic căzătoare, utilizabile pentru sudarea WIG; căzătoare şi rigidă (surse universală); puţin căzătoare (rigidă), utilizabile pentru sudarea MIG, MAG

Consumul de energie electrică în procese de sudare cu arc electric

Energia electrică necesară în procesele de sudare poate fi determinată dacă se cunosc parametrii procesului

Astfel, dacă sunt cunoscute durata efectivă a procesului de sudate ts şi durata de mers în gol t0 a utilajului (necesar în general pentru schimbarea electrozilor sau pentru reglaje), energie electrică W utilizată poate fi determinată din relaţia

în care Ps este puterea absorbită de echipamentul de sudare pe durata procesului efectiv, iar P0 – puterea absorbită de echipamentul de sudare la funcţionarea în gol

00 tPtPW ss


Puterea activă Ps necesară echipamentului de sudare pe durata procesului poate fi calculată din relaţia

în care a este randamentul circuitului de alimentare (se au în vedere pierderile în circuit de alimentare al arcului electric)

Relaţia energiei electrice W poate fi scrisă şi sub forma:

în care coeficientul = t0/ts caracterizează duratele inactive ale procesului (pauze, înlocuiri de electrozi, pregătirea şi fixarea materialelor de îmbinat etc.)

a

AAs

IUP

ss tPPW )( 0


Durata efectivă ts poate fi determinată în funcţie de cantitatea de material care urmează a fi depusă în cusătură

cs este raportul dintre materialul efectiv depus în cusătură şi masa teoretică de material necesară îmbinării (LsAi), Ls – lungimea cordonului de sudură, Ai – aria transversală a rostului dintre materialele de imbinat (aria din interiorul materialului), - densitatea materialului, m0 – cantitatea de material depus în unitatea de timp

În calculul consumului de energie electrică, într-o întreprindere cu ample instalaţii de sudare, este necesar a avea în vedere toate procedeele utilizate, precum şi dezvoltarea pe care o are fiecare procedeu în parte

0m

ALct isss

Perturbaţii introduse în reţeaua electrică de alimentare de instalaţiile de sudare cu

arc electric

Arcul electric este o sarcină neliniară, variabilă în timp, determinând apariţia în reţeaua electrică de alimentare a unor importante perturbaţii sub formă de armonice

Într-o primă aproximaţie spectrul armonicelor determinate de sudarea electrică poate fi determinat din relaţiile

instalaţii de sudare la tensiune alternativă (alimentate între două faze)

instalaţii de sudare cu tensiune continuă (redresare cu 6 pulsuri)

n

snk

Uk

DAkSI

2

kU

DAkSI

n

snk

3

Perturbaţii introduse în reţeaua electrică de alimentare de instalaţiile de sudare cu

arc electric

Sn este puterea aparentă nominală a instalaţiilor de sudare conectate la barele de alimentare, ks – coeficientul de încărcare al sursei (ks = Sr / Sn, unde Sr este puterea aparentă reală absorbită de instalaţia de sudare), DA – durata relativă de funcţionare, k – rangul armonicei (k = 3,5,7...), Un – tensiunea nominală pe barele de alimentare

Procese Şi Echipamente La Sudarea Cu Energie Electrică

Documents

Transcript of Procese Şi Echipamente La Sudarea Cu Energie Electrică