Источники питания и оборудование сварки плавлением

А. В. Лупачев
В. Г. Лупачев

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ 

И ОБОРУДОВАНИЕ 

СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

Допущено Министерством образования Республики Беларусь

в качестве учебного пособия для учащихся учреждений образования, 

реализующих образовательные программы среднего специального

образования по специальности «Оборудование и технология 

сварочного производства»

Минск
РИПО
2018

УДК 621.791(075.32)
ББК 38.634я723

Л85

А в т о р ы: 

заместитель генерального директора по развитию группы компаний 

«Строительные материалы и технологии», 
кандидат технических наук А. В. Лупачев;

кандидат технических наук, доцент В. Г. Лупачев.

Р е ц е н з е н т ы:

цикловая комиссия специальных дисциплин специальности

«Оборудование и технология сварочного производства» УО «Могилевский 

государственный политехнический колледж» (Л. Я. Зинкевич);

председатель секции «Сварка и родственные технологии» ОО БИО, главный 

сварщик ОАО «Стройкомплекс», доктор технических наук, профессор Л. С. Денисов.

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части 

не может быть осуществлено без разрешения издательства.

Выпуск издания осуществлен при финансовой поддержке Министерства образования 

Республики Беларусь.

Л85

Лупачев, А. В.

Источники питания и оборудование сварки плавлением : учеб. посо
бие / А. В. Лупачев, В. Г. Лупачев. – Минск : РИПО, 2018. – 288 с., [12] л. 
ил : ил.

ISBN 978-985-503-811-6.

В учебном пособии даны сведения о свойствах сварочной дуги и приведены тех
нологические требования, предъявляемые к источникам питания. Рассмотрены конструктивные особенности и принципы действия источников питания для ручной 
дуговой сварки, механизированной и автоматической сварки и наплавки в защитных 
газах и под флюсом, электрошлаковой и плазменной сварки. Описаны устройства 
сварочных трансформаторов, выпрямителей, генераторов, преобразователей, агрегатов, а также инверторных и специализированных источников питания. Представлены современные сварочные автоматы и полуавтоматы, а также оборудование для 
перспективных способов сварки. Изложены требования безопасности при эксплуатации источников питания и сварочного оборудования. Содержит достаточное количество рисунков и таблиц, помогающих учащимся изучать материал.

Предназначено для учащихся учреждений среднего специального образования 

по специальности «Оборудование и технология сварочного производства».

УДК 621.791(075.32)
ББК 38.634я723

ISBN 978-985-503-811-6 
© Лупачев А. В., Лупачев В. Г., 2018
© Оформление. Республиканский институт

профессионального образования, 2018

ВВЕДЕНИЕ

Человек всегда наблюдал мощные атмосферные электриче
ские разряды, их световое и тепловое действие. Однако прошло 
очень много лет, прежде чем изобретатели, ученые и специалисты начали использовать электрическую энергию для разогрева 
и плавления металлов.

Главной проблемой было отсутствие мощного источника 

электрической энергии. В 1800 г. итальянский ученый А. Вольта 
изобрел первый химический источник тока, который представлял собой сосуд с соленой водой и опущенными в него цинковой и медной пластинками. Собранная батарея из этих элементов 
была названа вольтовым столбом.

В 1802 г. российский ученый В.Вл. Петров с помощью соз
данного им крупнейшего для того времени вольтова столба зажег электрическую дугу между двумя кусочками древесного угля. 
Заменив один из угольков металлической проволокой, он заметил, что вспыхивающая электрическая дуга быстро ее расплавляет. Так ученый пришел к выводу о возможности использования 
электрической дуги для плавления металлов.

Химические источники не позволяли вырабатывать электро
энергию в достаточном количестве, и практическое использование электрической дуги было отложено.

В 1831 г. английский физик М. Фарадей открыл явление элек
тромагнитной индукции. Это открытие позволило ему создать 
электромашинный генератор, преобразовывающий механическое 
движение в электрический ток. Изобретение мощных электромашинных генераторов послужило толчком для использования 
электричества в промышленности. При этом требовалась технология, позволяющая осуществлять быстрое и дешевое сваривание металлов.

Многие ученые пытались применить высокую температуру 

электрической дуги для сваривания металлов. Однако только в 

Введение

1891 г. российскому изобретателю Н.Н. Бенардосу удалось разработать промышленно пригодный способ электродуговой сварки 
металлов. Он использовал присадочный пруток, расплавляемый 
в пламени дуги, горящей между угольным электродом и изделием. Для питания сварочной дуги Н.Н. Бенардос использовал 
аккумуляторы собственной конструкции, заряжаемые от слаботочного электрического генератора.

В 1888 г. российский инженер-изобретатель Н.Г. Славянов 

разработал новый способ сварки при помощи металлического 
плавящегося электрода. Замена угольного электрода металлическим позволила значительно повысить качество соединения. 
Н.Г. Славянов изготовил генератор постоянного тока, обеспечивающий напрямую питание процесса сварки.

Ученые начали разрабатывать специальные источники пита
ния, учитывающие особенности дуговой сварки. Однако известные к началу XX в. генераторы общего назначения имели низкий 
КПД, недостаточную устойчивость дуги, сложность управления. 
Перед электротехниками возникла задача: создать специальный 
сварочный генератор, обладающий лучшими эксплуатационными характеристиками.

Первый специальный сварочный генератор разработал авст
рийский профессор Э. Розенберг в 1905 г. Это был один из этапов 
в развитии регулируемых источников питания. В 1907 г. на заводе Lincoln Electric (США) был выпущен генератор с изменяемым 
напряжением.

Одновременно с разработкой специальных генераторов для 

сварки были созданы моторы для их вращения. Появились производственные электрические, бензиновые и керосиновые двигатели. Некоторые из них были самоходными, часть снабжали компрессорами для пневматического оборудования. Такие установки 
применяли для дуговой сварки в полевых условиях с 1910 г. 

Изобретатели разных стран пытались осваивать переменный 

ток для дуговой сварки, что позволяло существенно упростить 
конструкцию источников энергии. Недостатками являлись низкое качество сварных соединений и неустойчивый дуговой процесс. Разработанные штучные электроды с покрытием, в состав 
которого входили вещества с низким потенциалом ионизации 
(калий, натрий, кальций), позволяли облегчить возбуждение 
дуги и поддерживать ее устойчивое горение.

Введение

Для сварки на переменном токе использовалось специальное 

электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения сети в переменное напряжение, 
необходимое для сварки, – трансформатор. Первые трансформаторы для дуговой сварки на переменном токе были выпущены в 
1923 г. фирмой «Веко», сначала небольшой мощности, а спустя 
два года – на силу тока до 1000 А при напряжении 90 В. Трансформаторы оказались проще в управлении и дешевле в изготовлении, чем генераторы.

В России серийное производство источников питания для ду
говой сварки (генераторов и трансформаторов) началось в 1924 г. на 
заводе «Электрик» (Петроград) под руководством В.П. Никитина. 

Дальнейшее развитие электросварочного машиностроения 

связано главным образом с созданием новых способов и разновидностей сварки. В 1930-е годы в США разработан способ аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом, для которого источник 
питания был дополнительно укомплектован горелкой и газовой 
аппаратурой. К концу 1930-х годов в киевском Институте электросварки под руководством Е.О. Патона был разработан способ
автоматической сварки под флюсом. Этот способ сварки и созданное сварочное оборудование значительно повысили производительность сварочных работ при изготовлении танков и другой 
военной техники в Великую Отечественную войну (1941–1945).

Другое направление качественного совершенствования ис
точников питания и сварочного оборудования связано с появлением новой элементной базы. Успехи в развитии полупроводниковой техники позволили перейти в начале 1950-х годов к выпуску сварочных выпрямителей взамен генераторов. Это улучшило 
энергетические показатели источников питания. 

В 1950-е годы московские ученые К.В. Любавский и Н.М. Но
вожилов изобрели способ механизированной сварки в углекислом 
газе и предложили первые полуавтоматы. 

К концу 1950-х годов в Институте электросварки коллектив 

ученых под руководством Г.З. Волошкевича разработал технологию электрошлаковой сварки и создал оборудование для ее реализации – аппараты и мощные трансформаторы с витковым регулированием. 

С появлением силовых управляемых вентилей – тиристо
ров – в 1960-е годы стали выпускать универсальные выпрямители, 

Введение

а позднее трансформаторы с электрическим фазовым управлением. Это позволило плавно регулировать сварочный ток, получать 
требуемые внешние характеристики источников питания. 

С начала 1980-х годов в качестве сварочных источников 

питания используют силовые транзисторы, которые позволили 
улучшить перенос электродного металла, облегчить настройку 
параметров режима сварки и обеспечить стабильность параметров процесса. На базе управляемых вентилей (тиристоров и 
транзисторов) были созданы выпрямители с промежуточным высокочастотным звеном – инвертором, что позволило значительно 
уменьшить их массу и габариты, а также улучшить динамические свойства источников питания.

Прогресс в разработке источников питания и сварочного 

оборудования принесли системы с полностью цифровым управлением. Применение такого оборудования позволяет легко механизировать и автоматизировать не только процесс сварки, но и 
весь технологический процесс производства сварных конструкций, выполнять контроль над точным соблюдением режимов и 
технологии сварки. Такой подход обусловил появление на рынке 
принципиально новых сварочных аппаратов с синергетическим 
управлением. Сварщику на панели источника питания необходимо выбрать программу сварки по виду свариваемого материала, диаметру проволоки, составу защитного газа, а синергетика 
выставляет заранее подобранный оптимальный режим сварки и 
контролирует его соблюдение.

В прогнозах развития сварочного производства будет менять
ся структура выпуска источников питания, при этом снизится 
доля трансформаторов, возрастет доля выпрямителей, особенно 
инверторных и транзисторных, значительно увеличатся номенклатура и объем выпуска специализированных источников. Непрерывно ведется работа по улучшению сварочных свойств источников питания. Решаются вопросы улучшения возбуждения 
дуги и уменьшения разбрызгивания металла, управления переносом электродного металла и формирования шва. Разрабатываются новые модели сварочного оборудования для разных способов механизированной и автоматической сварки.

ГЛАВА 1

СВОЙСТВА СВАРОЧНОЙ ДУГИ. 

ТРЕБОВАНИЯ К ИСТОЧНИКАМ ПИТАНИЯ 

1.1. Возникновение и строение сварочной дуги

Сварочная дуга. Электрическая дуга – это своеобразный про
водник электрического тока. В отличие от металлических проводов, дуга как проводник представляет собой газовый канал, 
содержащий в своем объеме по длине наряду с нейтральными 
атомами газа электрически заряженные частицы: электроны и 
ионы. Под действием разности потенциалов, которая приложена к электродам, в газовом проводящем канале устанавливается 
упорядоченное движение заряженных частиц – электрический
ток. Прохождение тока через газ получило название электрического разряда.

Физические явления, возникающие при электрическом раз
ряде, зависят от рода и давления газа, материала и геометрии 
электродов, а также от силы тока. Эти факторы обусловливают 
возникновение различных видов электрического разряда (темный разряд, корона, тлеющий разряд и т. д.). Электрической дугой принято считать конечную форму электрического разряда, 
если сила тока, проходящего через газ, превышает 0,1 А. Характерной чертой дугового разряда является большая плотность тока 
в газе и на электродах по сравнению со всеми другими формами 
устойчивых разрядов при том же давлении газа.

В зависимости от температуры проводящего канала дуговые 

разряды подразделяют на термические (температура таких разрядов может достигать нескольких десятков тысяч градусов Цель

Глава 1. Свойства сварочной дуги. Требования к источникам питания

сия) и нетермические, температура которых может лишь немного 
превышать комнатную.

Сварочной дугой называют устойчивый электрический разряд 

в ионизированной смеси газов и паров материалов, используемых 
при сварке.

Сварочная дуга, образуя ярко светящийся высокотемпера
турный факел, в зависимости от силы и типа применяемых электродов может иметь длину газового промежутка (длину дуги) от 
одного до нескольких миллиметров. 

Сварочная дуга характеризуется большой плотностью тока, 

высокой температурой и сильным свечением.

Возникновение сварочной дуги происходит в несколько эта
пов (рис. 1.1).

1

2
3

               а                     б                      в                     г

Рис. 1.1. Возникновение сварочной дуги: а – короткое замыкание; 

б – образование прослойки жидкого металла; в – образование шейки; 
г – возникновение дуги; 1 – электрод; 2 – дуга; 3 – основной металл

Процессы, происходящие в сварочной дуге. Возникает дуга 

при прохождении электрического тока через газ. Любой газ при 
комнатной температуре и нормальном давлении состоит из электрически нейтральных молекул и является изолятором, поскольку в нем нет носителей тока – электрически заряженных частиц. 
Для образования и поддержания горения дуги в промежутке 
между электродами необходимо иметь электрически активные 
отрицательно заряженные частицы – электроны, а также положительные – ионы.

Процесс образования электронов и ионов называют иониза
цией, а газ, содержащий электроны и ионы, – ионизированным.

Ионизацию можно выразить следующим уравнением:

А0 → А+ + е–, 

где А0 – нейтральный атом; А+ – положительный ион; е– – свободный электрон.

Ионизация дугового промежутка происходит во время зажи
гания дуги за счет эмиссии электронов с катода и непрерывно 

1.1. Возникновение и строение сварочной дуги

поддерживается в процессе горения. Эмиссия – появление электронов проводимости.

В сварочной дуге происходит также рекомбинация – объеди
нение отрицательных электронов и положительных ионов в нейтральные атомы.

Сварочная дуга характеризуется плотностью тока – величи
ной, численно равной отношению силы тока к площади поперечного сечения проводника.

Строение сварочной дуги. Ионизированный газ концентри
руется в объеме около 1 см3. Однако и в этом небольшом пространстве можно выделить три области 

Тк

Та

Тст

lк
lст

lд

lа

Рис. 1.2. Строение 
сварочной дуги

(рис. 1.2). Две из них –

катодная lк и анодная lа – пограничные между электродами и 
ионизированным газом. В этих областях наблюдается значительное падение 
напряжения, вызванное образованием 
около электродов пространственных зарядов (скоплением заряженных частиц). 
Третья область, рас положенная между 
катодной и анодной областями, называется столбом дуги lст.

На поверхности анода и катода об
разуются активные электродные пятна (они представляют собой основание 
столба дуги), через которые проходит 
сварочный ток. Электродные пятна выделяются яркостью свечения.

Общая длина сварочной дуги lд равна сумме длин всех трех 

областей:

lд = lк + lст + lа.

Длина дуги при ручной дуговой сварке обычно составляет 

3–5 мм, причем катодная и анодная области имеют малую протяженность: 10–6–10–4 мм.

Общее напряжение сварочной дуги Uд слагается из суммы 

падений напряжений в отдельных областях дуги:

Uд = Uк + Uст + Uа, 

где Uк, Uст, Uа – соответственно падение напряжения в катодной 
области, столбе дуги и анодной области. 

В сварочных дугах Uд обычно составляет 10–60 В.

Глава 1. Свойства сварочной дуги. Требования к источникам питания

Падение напряжения в катодной области Uк часто принима
ют равным потенциалу ионизации газов. Потенциал ионизации 
паров железа Ui

Fe = 7,8 ≈ 8 В. Падение напряжения в анодной об
ласти при ручной дуговой сварке покрытыми электродами примерно Uа = 6 В. 

Сумму падений напряжений в катодной и анодной областях 

можно определить, постепенно уменьшая длину дуги и замеряя 
напряжение при минимальной ее длине, когда падением напряжения в столбе дуги можно пренебречь. Падение напряжения 
в столбе дуги обычно составляет примерно 2 В на 1 мм длины 
дуги. Таким образом, напряжение дуги длиной 4 мм будет 

Uд = Uк + Uст + Uа ≈ 8 + (2 ∙ 4) + 6 ≈ 22 В.

Распределения температур и выделяющейся теплоты в дуге.

Дуговой промежуток (см. рис. 1.2) состоит из наиболее нагретых участков электрода и основного металла (катодное и анодное пятна) и из столба дуги. Сварочная дуга отличается большой 
концентрацией теплоты и высокой температурой. Температура в 
столбе сварочной дуги Тст может быть от 5000 до 12 000 °С и зависит от плотности тока, состава газовой среды дуги, материала 
и диаметра электрода.

Ориентировочно температуру дуги для ручной дуговой свар
ки плавящимся стальным электродом можно определить по формуле

Тд = 800Ui, 

где Ui – потенциал ионизации газа дуги.

При ручной дуговой сварке покрытыми электродами темпе
ратура дуги достигает 6000–8000 °С. Температура катода Тк составляет примерно 3000 °С, а анода Та достигает 4000 °С.

В катодном пятне сварочной дуги выделяется около 36 % 

основного количества теплоты дуги, в столбе дуги – 21 %, в 
анодном пятне – 43 % общей теплоты дуги.

Процессы, происходящие в столбе дуги. Столб дуги заполнен 

заряженными частицами. Почти всегда там присутствуют и нейтральные частицы – атомы и даже молекулы паров веществ, из 
которых выполнены электроды, и газов, окружающих дугу. На 
движение частиц в дуге оказывают действие электромагнитные 
силы и газовые потоки.

Наибольшую скорость имеют электроны. Они легко разгоня
ются и, сталкиваясь с атомами и ионами, передают им свою энер