Источники питания электросварочного оборудования

УДК 621.791
ББК 34.641
         Д13
Рецензент:
член президиума, председатель Поволжского отделения Российской 
академии транспорта, д. т. н., проф., президент  
МОО «Профессиональный инженер» Кочетков Андрей Викторович
Давыдов, Д. А.
Д13           Источники питания электросварочного оборудования : учебное 
пособие / Д. А. Давыдов, В. В. Ермолаева. - Москва ; Вологда : 
Инфра-Инженерия, 2024. - 220 с. : ил., табл.
      ISBN 978-5-9729-2063-1 
Приведён широкий спектр источников питания современного электросварочного оборудования. Рассмотрены физические 
принципы функционирования различных сварочных процессов, 
области применения и особенности работы различных типов сварочных агрегатов. 
Для студентов направлений, связанных с электротехническими и электротехнологическими процессами и установками.
 
УДК 621.791
ББК 34.641
ISBN 978-5-9729-2063-1 
‹ Давыдов Д. А., Ермолаева В. В., 2024
 
 
 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2024
 
 
 
‹ Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024

Оглавление
Введение ...............................................................................................5
1. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ ..................10
1.1. Физические основы электрической дуговой сварки 
................10
1.2. Технология дуговой сварки 
........................................................11
1.3. Характеристики источников питания дуговой сварки ............15
1.4. Источники питания дуговой сварки ..........................................19
1.4.1. Сварочные трансформаторы ............................................20
1.4.2. Сварочные выпрямители ..................................................34
1.4.3. Импульсные источники питания .....................................52
1.4.4. Сварочные инверторы 
.......................................................56
1.4.5. Сварочные генераторы 
......................................................64
1.4.6. Сварочные осцилляторы 
...................................................71
1.4.7. Источники питания плазменной сварки 
..........................75
Контрольные вопросы .......................................................................82
2. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ 
.........84
2.1. Физические основы контактной сварки ....................................84
2.2. Источники питания контактной сварки ....................................89
Контрольные вопросы .....................................................................102
3. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ 
СВАРКИ 
...............................................................................................104
3.1. Физические основы ультразвуковой сварки 
...........................104
3.2. Источники питания ультразвуковых излучателей .................114
3.3. Электроакустические преобразователи ..................................122
Контрольные вопросы .....................................................................125
4. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ  
И ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ ..................................................................127
4.1. Физические основы электронно-лучевой сварки 
...................127
4.2. Формирование электронного пучка ........................................131
4.3. Источники питания электронно-лучевой сварки ...................133
4.4. Физические основы лазерной сварки ......................................144
4.5. Накачка лазеров 
.........................................................................154
4.5.1. Накачка твердотельных лазеров ....................................155
4.5.2. Накачка жидкостных лазеров 
.........................................160
3

4.5.3. Накачка газовых лазеров.................................................162
4.5.4. Накачка полупроводниковых лазеров ...........................169
4.5.5. Накачка волоконных лазеров .........................................171
4.6. Источники высокого напряжения (ИВН) 
................................172
Контрольные вопросы .....................................................................176
5. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ УСТАНОВОК 
ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ СВАРКИ (ЭШС)  
И ИНДУКЦИОННОЙ СВАРКИ ...................................................178
5.1. Физические основы и технология ЭШС .................................178
5.2. Источники питания ЭШС .........................................................186
5.3. Физические основы индукционной (высокочастотной)
сварки ................................................................................................190
5.3.1. Индукционная сварка металлов .....................................190
5.3.2. Высокочастотная сварка диэлектриков 
.........................197
5.4. Источники питания индукционной (высокочастотной)
сварки ................................................................................................201
5.4.1. Инверторы установок индукционной сварки ...............201
5.4.2. Ламповые генераторы .....................................................209
Контрольные вопросы .....................................................................215
Библиографический список .........................................................216

ВВЕДЕНИЕ
Сварка - это процесс получения неразъемного соединения посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, пластическом деформировании, или совместном действии того и другого. 
Впервые возможность получения подобных соединений была предложена в 1802 г. академиком Василием Владимировичем 
Петровым, где в качестве источника тепла предлагалось использовать энергию дуги, возникающей между двумя угольными или 
металлическими стержнями (электродами). То есть дуговая сварка. Однако, по причине отсутствия, каких либо источников электроэнергии, способных поддерживать этот процесс необходимое 
время, использовать это явление не представлялось возможным.
Первое практическое применение дуговая сварка нашла 
в 1882 г. благодаря методу, разработанному Николай Николаевичем Бенардосом. 
В последующие годы им были предложены способы сварки 
дугой, горящей между двумя или несколькими электродами, сварки в атмосфере защитного газа, газоэлектрической сварки, контактной точечной электросварки с помощью клещей. Как источник 
питания во всех случаях использовалась батарея аккумуляторов. 
В силу особенностей работы аккумуляторной батареи, в первую 
очередь таких как: размеры, сложность монтажа, ограниченное 
время работы от перезарядки до перезарядки значительно ограничивали сферу применения сварки.
Широкое распространение дуговая сварка получила после 
разработки в 1888 г. Николай Гавриловичем Славяновым сварочного генератора и автоматического регулятора длины сварочной 
дуги. Им же и предложен метод сварки плавящимся металлическим электродом.
Значительный вклад в развитие сварки как технологии в первой половине ХХ века внёс Евгений Оскарович Патон. В частности, предложенные им способы, являются основой современной 
электрошлаковой сварки и ряда других. Позднее его работы продолжил Борис Евгеньевич Патон [1].
5

Дальнейшее развитие электроэнергетики, электротехники 
и электроники, открытие в середине ХХ века квантовых генераторов (лазеров), появление мощных электронно-лучевых пушек 
привело к появлению новых источников, способных создать высокую температуру, что обусловило появление отдельных классов сварки, различающихся физическими принципами нагрева.
Перечень существующих сварочных процессов и их условное цифровое обозначение установлены ГОСТ Р ИСО 4063-2010 
(идентичен международному стандарту ISO 4063:2009) (в перечне не приводятся газовая, термитная и механическая сварка) [2].
Условное обозначение для любого процесса содержит не более трех цифр, которое охватывает:
 
x основные группы - одна цифра;
 
x группы - две цифры;
 
x подгруппы - три цифры.
1 Сварка дуговая.
11 Сварка дуговая плавящимся электродом без защитного газа.
111 Сварка ручная дуговая плавящимся электродом (сварка 
дуговая плавящимся покрытым электродом).
112 Сварка (дуговая) гравитационная покрытым электродом.
113 Сварка дуговая голой проволокой (без дополнительной 
защиты).
114 Сварка дуговая порошковой самозащитной проволокой.
115 Сварка дуговая электродной проволокой с покрытием.
118 Сварка лежачим электродом.
12 Сварка дуговая под флюсом.
121 Сварка дуговая под флюсом сплошной проволокой.
122 Сварка дуговая под флюсом ленточным электродом.
124 Сварка дуговая под флюсом с добавлением металлического порошка.
125 Сварка дуговая под флюсом порошковой проволокой.
126 Сварка дуговая под флюсом порошковым ленточным 
электродом.
13 Сварка дуговая плавящимся электродом в защитном газе.
131 Сварка дуговая сплошной проволокой в инертном газе.
6

Сварка дуговая порошковой проволокой с флюсовым наполнителем в инертном газе.
133 Сварка дуговая порошковой проволокой с металлическим 
наполнителем в инертном газе.
135 Сварка дуговая сплошной проволокой в активном газе.
136 Сварка дуговая порошковой проволокой с флюсовым наполнителем в активном газе.
137 Сварка дуговая порошковой проволокой в инертном газе.
138 Сварка дуговая порошковой проволокой с металлическим 
наполнителем в активном газе.
14 Сварка дуговая неплавящимся вольфрамовым электродом 
в защитном газе.
141 Сварка дуговая вольфрамовым электродом в инертном газе с присадочным сплошным материалом (проволокой или стержнем).
142 Сварка дуговая вольфрамовым электродом в инертном газе без присадочного материала.
143 Сварка дуговая вольфрамовым электродом с присадочным 
порошковым материалом (проволокой или стержнем) в инертном газе.
145 Сварка дуговая вольфрамовым электродом с присадочным сплошным материалом (проволокой или стержнем) в инертном газе с добавлением восстановительного газа.
146 Сварка дуговая вольфрамовым электродом с присадочным 
порошковым материалом (проволокой или стержнем) в инертном 
газе с добавлением восстановительного газа.
147 Сварка дуговая неплавящимся вольфрамовым электродом в активном газе.
149 Сварка атомно-водородная.
15 Сварка дуговая плазменная.
151 Сварка плазменная плавящимся электродом в инертном 
газе.
152 Сварка дуговая плазменная с присадочным порошковым 
материалом.
153 Сварка плазменная дугой прямого действия.
154 Сварка плазменная дугой косвенного действия.
7

Сварка плазменная с переключаемой дугой.
181 Сварка дуговая угольным электродом.
185 Сварка дугой, приводимой в движение магнитным полем.
2 Сварка контактная.
21 Сварка контактная точечная.
211 Сварка контактная точечная односторонняя.
212 Сварка контактная точечная двусторонняя.
22 Сварка контактная шовная.
221 Сварка контактная шовная внахлестку.
222 Сварка контактная шовная с раздавливанием кромок.
223 Сварка контактная шовная с предварительным утонением нахлесточного соединения.
224 Сварка контактная шовная проволокой.
225 Сварка контактная шовная стыковая с ленточными накладками из фольги.
226 Сварка контактная шовная с накладкой.
23 Сварка контактная рельефная.
231 Сварка контактная рельефная односторонняя.
232 Сварка контактная рельефная двусторонняя.
24 Сварка контактная стыковая оплавлением.
241 Сварка контактная стыковая оплавлением с предварительным подогревом.
242 Сварка контактная стыковая оплавлением без предварительного подогрева.
25 Сварка контактная стыковая сопротивлением.
27 Сварка контактная высокочастотная.
29 Прочие процессы контактной сварки.
4 Сварка давлением.
41 Сварка ультразвуковая.
5 Сварка лучевая.
51 Сварка электронно-лучевая.
511 Сварка электронно-лучевая в вакууме.
512 Сварка электронно-лучевая в атмосфере.
52 Сварка лазерная.
521 Сварка твердотельным лазером.
522 Сварка газовым лазером.
8

Сварка диодным лазером.
7 Прочие процессы сварки.
72 Сварка электрошлаковая.
721 Сварка электрошлаковая ленточным электродом.
722 Сварка электрошлаковая проволочным электродом.
73 Сварка дуговая с принудительным формированием и газовой защитой.
74 Сварка индукционная.
741 Сварка индукционная стыковая.
742 Сварка индукционная шовная.
743 Сварка индукционная высокочастотная.
75 Сварка световым лучом.
752 Сварка световым излучением дуги.
753 Сварка инфракрасным лучом.

1. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ 
ДУГОВОЙ СВАРКИ
1.1. Физические основы электрической 
дуговой сварки
Дуговая сварка является наиболее распространённым электротехнологическим процессов в машиностроении, автостроении, 
строительной индустрии и т. д. Под электрической дуговой сваркой понимают процесс получения неразъемных соединений металлических деталей за счет их сплавления за счёт температуры 
создаваемой электрической дугой. То есть дуговая сварка представляет собой комплекс металлургических и физико-химических 
процессов, протекающих в металле при высоких концентрированных температурах.
Сварочной дугой называют мощный, длительно существующий электрический разряд между находящимися под напряжением электродами в смеси газов и паров. Дуга характеризуется высокой температурой и большой плотностью тока. Сварочная дуга 
как потребитель энергии и источник питания дуги образует взаимно связанную энергетическую систему [3]. Различают два режима работы этой системы:
 
x статический, когда величины напряжения и тока в системе 
в течение достаточно длительного времени не изменяются; 
 
x переходной (динамический), когда величины напряжения 
и тока в системе непрерывно изменяются.
Однако во всех случаях режим горения сварочной дуги определяется током (Iд), напряжением (Uд), величиной промежутка 
между электродами (так называемым дуговым промежутком) 
и связью между ними.
В дуговом промежутке (рис. 1.1а) различают три области: анодную 1, катодную 3 и столб дуги 2. Падение напряжения в анодной 
и катодной областях постоянно для данных условий сварки. Падение напряжения в единице длины столба дуги - также величи10

на постоянная. Поэтому зависимость напряжения дуги от ее длины имеет линейный характер (рис. 1.1б).
                          а)                                                            б)
Рис. 1.1. Дуговой промежуток:
 а - области дугового промежутка: 1 - анодная область; 2 - столб дуги;  
3 - катодная область; б - зависимость напряжения от длины дуги
Расплавляясь под действием дуги, кромки свариваемых деталей и торец плавящегося электрода образуют сварочную ванну, которая короткое время находится в расплавленном состоянии. При кристаллизации металла образуется сварное соединение.
1.2. Технология дуговой сварки
В зависимости от способа получения дуги и подачи электрода в рабочую зону, все виды сварочных процессов приведённых 
в «Ведении», можно разделить на три основных типа:
 
x ручная дуговая сварка штучными металлическими плавящимися электродами с покрытием (MMA (Manual Metal Arc));
 
x полуавтоматическая (автоматическая) сварка под флюсом или в среде защитных инертных (активных) газов 
(MIG/MAG (Mechanical Inert/Active Gas));
 
x сварка неплавящимся (вольфрамовым) электродом в среде 
инертных защитных газов, например, так называемая аргоно-дуговая сварка (TIG (Tungsten Inert Gas)).
11