Промышленные электротехнологические установки ЭТУ Часть

• Промышленные электротехнологические установки (ЭТУ) • Часть 2 Электроустановки для сварки кафедра Эт. Эн Колесник Г. П. 1

Электроустановки для сварки • Элекросварка – это способ получения неразъемного соединения металлических деталей путем их местного нагрева электроэнергией до жидкого или пластического состояния. Температура дуги в зоне сварки превышает 5000 градусов Цельсия. • Наиболее распространенные виды электросварки – дуговая и контактная. • В зоне сварки создается ванночка расплавленного металла, которая при охлаждении затвердевает и образует сварной шов, прочно соединяющий свариваемые детали. • Дуговая сварка: - соединяемые детали нагреваются вместе с присадочным материалом при помощи электриче-ской дуги. • Сварка открытой дугой с плавящимся электродом обычно применяется для сварки черных металлов. 2

– Плавящийся электрод по составу близок к свариваемому материалу и покрыт обмазкой, которая плавится при сварке и образует шлаки и газы, повышающие устойчивость дуги и защищают расплавленный металл от окисления. – Ручная сварка открытой дугой с неплавящимся электродом обычно применяется для соединения цветных металлов и сплавов. – Сварка автоматическая (полуавтоматическая) закрытой дугой с плавящимся непокрытым электродом под слоем флюса применяется для соединения любых металлов. – Сварка защищенной дугой с неплавящимся вольфрамовым электродом (среда аргона или углекислого газа) применяется для соединения нержавеющих и жаропрочных сталей. Газовая струя защищает место сварки. – Сварка автоматическая (полуавтоматическая) защищенной дугой с плавящимся непокрытым электродом (среда аргона или углекислого газа). Применяет3 ся для соединения сталей и цветных металлов.

Дуговая сварка • 4

Дуговая сварка • 5

Контактная электросварка • Это процесс образования неразъемного соединения при нагреве деталей протекающим по ним током, расплавления и сдавливания их с последующим охлаждением зоны сварки. • Тепловая энергия, выделяющаяся между электродами, пропорциональна суммарному сопротивлению контакта и детали и квадрату тока. При коротких промежутках времени необходимая энергия может быть получена при больших значениях тока. При этом исключается ненужный нагрев всей массы детали. • Для повышения КПД контактной сварки необходимо источник питания максимально приблизить к месту сварки (уменьшение сопротивления детали). 6

Контактная электросварка Так как нагрев зависит от времени прохождения тока, то различают: • «Жесткий» режим сварки токами большой силы при минимальном времени нагрева. Применяется для сварки легированных сталей и цветных металлов. Режим для алюминия: плотность тока 160 -400 А на кв. мм, давление при сжатии 0, 4 -1, 2 ГПа, время сварки 0, 1 -1, 0 с. • «Мягкий» режим это сварка с длительным прохождением тока и постепенным нагревом. Применяется для сварки углеродистых сталей с показателями: – Плотность тока 80 -160 А на кв. мм, давление при сжатии 0, 15 -0, 4 ГПа, время сварки 0, 5 -3, 0 с. 7

Виды контактной электросварки • 8

Схема шовной (роликовой) сварки 9

Разновидности контактной сварки • Стыковая – детали соединяются по всей площади их касания. • В зависимости от марки металла, площади сечения и требований к качеству соединения сварка может выполнятся сопротивлением и оплавлением. • Стыковая сварка сопротивлением – заготовки помещают в стыковочную машину, сжимают и пропускают ток. Металл в зоне сварки прогревается до пластического состояния (температура 0, 8 – 0, 9 температуры плавления) и происходит осадка. Перед началом осадки подачу тока прекращают. 10

Разновидности контактной сварки • Стыковая сварка оплавлением применяется для больших сечений свариваемых деталей и происходит в три стадии: – Предварительный подогрев в зажимах машины выполняется периодическим смыканием и размыканием изделий при постоянной подаче тока, что обеспечивает процесс прерывистого оплавления торцов. – Оплавление – в процессе непрерывного медленного сближения изделий происходит прогрев в глубину до пластического состояния и возникновение на торцах тонкого слоя расплавленного металла. – Окончательная осадка – окончание процесса резким увеличением скорости сближения при небольшом усилии, осуществляющим осадку. 11

Точечная сварка • Это способ контактной сварки, при которой детали соединяются в отдельных местах их касания, условно называемых точками. • Электроды с помощью нажимного устройства плотно сжимают свариваемые детали, после этого пропускают электрический ток, нагревающий место сварки под электродом до температуры плавления, что приводит к образованию неразъемного соединения. • Время сварки зависит от толщины свариваемых деталей, физических свойств материала, мощности сварочного устройства, степени сжатия деталей. 12

Цикл точечной сварки • 13

Шовная сварка • Это способ контактной сварки, при которой соединение двух свариваемых деталей (обычно листов) осуществляется с помощью вращающихся роликов при пропускании через место сварки электрического тока. При этом заготовки соединяются непрерывным прочноплотным сварным швом, состоящим из ряда точек, частично перекрывающих друга. • Два способа роликовой сварки: – Импульсное включение тока при непрерывном вращении роликов; – Включение тока при неподвижных роликах и вращение роликов при выключенном токе. 14

Электрооборудование установок контактной сварки • 15

Электрооборудование установок контактной сварки. Общие данные • УКС пониженной частоты (5 – 20 Гц) имеют более высокий коэффициент мощности и меньший расход мощности при тех же размерах сварочного контура. • Сварочные трансформаторы УКС промышленной частоты стержневые или броневые. Вторичная обмотка имеет один или несколько витков, соединенных параллельно, обмотка выполнена из: – Алюминиевого сплава с внутренней стальной трубкой для охлаждения водой; 16

Электрооборудование установок контактной сварки. Общие данные – Сварными из медных полос с припаянными по периметру витков медными трубками для охлаждающей воды; – Из медных листов цельноштампованными и припаянными по периметру медными трубками для охлаждающей воды. Коэффициент мощности однофазных УКС 0, 5… 0, 6. Трехфазные УКС с выпрямителем во вторичном контуре применяются для сварки крупногабаритных листовых конструкций из алюминиевых сплавов, титана и стали (нержавеющей и жаропрочной). 17

Электрооборудование установок контактной сварки. Общие данные • УКС накопительные предназначены для точечной сварки из легких сплавов изделий малой толщины. • УКС специализированные предназначены для сварки изделий специальной конструкции. • Управление УКС осуществляется механическими выключателями тока, электромагнитными контакторами, электронными контакторами. 18

ВАХ сварочной дуги • Установки дуговой сварки работают в режиме многочисленных технологических коротких замыканий во вторичной цепи источника во время зажигания дуги касанием электродов или при несогласованности скорости плавления электрода со скоростью его подачи. • По длине различают 3 вида сварочных дуг: – Длинная, средняя, короткая. • В зависимости от нелинейного характера ВАХ дуги и величины сварочного тока выделяется 3 зоны сварки: – сварка малыми токами, до 100 А, – сварка средними токами, от 100 до 1000 А, – сварка большими токами, более 1000 А. • Напряжение холостого хода 60 – 65 В. (по ТБ не более 90 В) • Время нарастания напряжения от нуля до значения достаточного для зажигания дуги по ГОСТу не более 0, 03 с. 19

ВАХ сварочной дуги и внешние характеристики источника питания 20

Область применения источников с заданным типом ВАХ • Рекомендуются к применению источники с ВАХ: • Круто падающая: для ручной дуговой сварки, автоматической сварки под флюсом и некоторых видов сварки в среде защитных газов. Чем круче ВАХ, тем меньше колебания тока при изменении длины дуги. • Полого падающая: для автоматической сварки под флюсом тонкой проволокой (в большинстве случаев). • Жесткая: для сварки в среде защитных газов на постоянном токе в 3 зоне. 21

Регуляторы сварочного тока • Регуляторы сварочного тока позволяют выполнить настройку сварочного тока для различных режимов и получить семейство внешних ВАХ с плавным или ступенчатым переходом с одной характеристики на другую. • Для любой сварочной дуги рекомендуются следующие рабочие зоны: • 1 зона – для ручной сварки малыми токами открытой дугой от источника с падающей характеристикой. • 2 зона – для ручной сварки средними токами открытой дугой и автоматической сварки под флюсом тонкой проволокой от источника с падающей характеристикой. • В этом случае напряжение дуги: – 25 – 50 В – для ручной сварки открытой дугой; – 30 – 40 В – для сварки под флюсом; – 20 – 30 В – для сварки в среде защитных газов. • 3 зона – для автоматической сварки под флюсом толстой проволокой большими токами от источника с жесткой характеристикой. Сварка в среде защитных газов 22 начинается при значительно меньших токах.

Электрооборудование установок дуговой сварки • Дуговой сварочный процесс обеспечивается источником питания, которым является сварочный трансформатор, одно или трехфазный. • По количеству питаемых сварочных постов: одно- и многопостовые. • По способу получения падающих внешних ВАХ и регулирования тока различают: – Трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием и дроссельным регулятором тока; – Трансформаторы с повышенным магнитным рассеянием и катушечным, шунтовым или витковым ступенчатым регулятором тока. 23

Схемы сварочных аппаратов с нормальным магнитным рассеянием • С отдельным дроссельным регулятором 24

Схемы сварочных аппаратов с нормальным магнитным рассеянием • Со встроенным регулятором 25

Сварочный аппарат со встроенным РТ • Все три обмотки находятся на одном магнитопроводе, что позволило уменьшить габариты, расход меди и трансформаторной стали. • При регулировании тока с максимального на минимальное значение несколько увеличивается напряжение холостого хода, что повышает устойчивость горения дуги. • По такой схеме изготавливаются трансформаторы типов ТСД и СТ на токи 1000 и 2000 ампер. 26

• Трансформаторы ТСД и СТ имеют ступенчатое регулирование напряжения холостого хода вторичной обмотки и предназначены для автоматической сварки под флюсом. • ТСД-500 для автоматической и ручной сварки: – Номинальный ток 500 А; – Напряжение холостого хода 80 В; – Продолжительность включения 60 % при длительности цикла 10 мин; – Диапазон регулирования сварочного тока от 200 до 600 А. 27

Схемы сварочных аппаратов с повышенным магнитным рассеянием • С подвижной катушкой 28

Схемы сварочных аппаратов с повышенным магнитным рассеянием • С магнитным шунтом 29

Схемы сварочных аппаратов с повышенным магнитным рассеянием • С шунтом и подмагничиванием 30

Аппараты с повышенным магнитным рассеянием • При сближении подвижной вторичной обмотки с первичной индуктивность рассеяния уменьшается и сварочный ток увеличивается. • Типы аппаратов: – ТС на токи от 120 до 500 А; – ТСК и ТД на токи 300 и 500 А; – ТСК выполнены с параллельной компенсацией в сетевой обмотке; – ТД оборудованы переключателем диапазонов сварочного тока. ТД-504 имеет ПР=60 %, в первом диапазоне напряжение хх 60 В, ток от 240 до 750 А; во втором 70 В, 75 -240 А соответственно. 31

• При повороте шунта изменяется индуктивное сопротивление рассеяния. При уменьшении зазора между магнитопроводом и шунтом сварочный ток уменьшается. • Трансформатор типа СТШ на токи 250, 300 и 500 А предназначены для автоматической сварки под флюсом и ручной дуговой сварки. • Трансформатор типа ТДФ на токи 1000 и 1600 А при ПВ=100 % имеют шунт с подмагничиванием. С увеличением тока подмагничивания сварочный ток уменьшается. ТДФ предназначены для автоматической сварки под флюсом. • Трансформатор ТСП – для ручной дуговой сварки. 32 ТСП-1 на 180 А при ПВ=50 %.

Источники питания сварочного тока • Машинные сварочные преобразователи: – Однопостовые выполняются с обмоткой независимого возбуждения, – Многопостовые с обмоткой параллельного возбуждения, – Падающая ВАХ при встречном включении сериесной (шунтовой) обмотки, т. е. при размагничивании машины постоянного тока. – ПСУ-500 однопостовый на ток 500 А имеет как падающие, так и жесткие внешние ВАХ, предназначены для ручной дуговой сварки и для сварки в защитных газах. 33

Машинные сварочные преобразователи • ПСГ-300, однопостовый, на ток 300 А, пределы регулирования тока 50 - 350 А, а напряжения от 15 до 35 В, предназначен для сварки в защитных газах. ВАХ жесткая. • ПСО-300, однопостовый, при ПР (ПВ)=65 % и номинальном напряжении 30 В пределы регулировки тока 75 – 300 А. ВАХ жесткая. • ПСМ-1000, многопостовый, рассчитан на одновременное питание 9 или 6 постов с номинальным током 200 или 300 А. ВАХ жесткая. 34

Принципиальная электрическая схема многопостового сварочного аппарата • 35

Сварочные выпрямители • Выполняются с неуправляемыми вентилями или тиристорами. • Используются сухие сварочные трехфазные трансформаторы с повышенным рассеянием с подвижными катушками вторичных обмоток. • ВСС, однопостовый, на токи 120 и 300 А, селеновый, однодиапазонный, номинальное напряжение 25 В, напряжение холостого хода 58 -65 В. ПР=65 %. • ВКС, однопостовый, на токи 120 и 300 А, кремниевый, однодиапазонный. 36

Сварочные выпрямители • ВД-303, однопостовый, на токи 120 и 300 А, кремниевый, двухдиапазонный с полого- или крутопадающей и жесткой ВАХ. • ВКСМ и ВДМ на токи 1000 и 1600 А соответственно, с кремниевыми диодами и жесткими ВАХ, многопостовые. • ВДУ, однопостовый, тиристорный, на токи 500, 1000 и 1600 А, имеют крутопадающее и жесткие ВАХ. 37

Структурная схема сварочного выпрямителя • 38

Внешние ВАХ выпрямителя ВД-303 • 39

Схема силового блока сварочного выпрямителя • 40

Сварочные инверторы • Дальнейшим развитием сварочных аппаратов, после простого трансформатора, с помощью которого сварка производится на переменном токе, стали сварочные выпрямители. Они несколько дороже сварочного трансформатора, однако они легче и имеют меньшие габариты, а главное — ими варить гораздо удобней, да и качество шва при этом получается лучше Сварочные инверторы - это следующий этап в развитии сварочных выпрямителей. Как и в сварочном выпрямителе, сварка с помощью сварочного инвертора производится с использованием постоянного тока. Однако при этом, для уменьшения габаритов и массы прибора, используется способ 41 двойного преобразования электроэнергии.

• Вначале сетевое напряжение выпрямляется, затем преобразуется в переменное напряжение нужной величины на повышенной частоте (обычно 30 - 40 к. Гц). Затем это напряжение повышенной частоты преобразуется в постоянный ток, с помощью которого и производится сварка. Выигрыш здесь в двух моментах: • относительно высокочастотный трансформатор инвертора при той же мощности что и обычный трансформатор, работающий на частоте 50 Гц, имеет гораздо меньшие габариты и массу; • использование управляемого преобразователя напряжения позволяет сварочному инвертору работать при пониженном относительно номиналь42 ного напряжении в сети 220 В /50 Гц.

В схемотехнике сварочных инверторов используются мощные МОП или IGBT транзисторы. В современных инверторах используют преимущественно IGBT транзисторы, т. к. это позволяет поднять рабочую частоту инвертора до 70 -90 к. Гц и тем самым ещё больше уменьшить массу и габариты используемого в нем трансформатора. Важное достоинство инвертора, перед сварочным трансформатором или сварочным выпрямителем (которые, как правило, включают до счетчика электроэнергии, поскольку они сильно «нагружают» питающую сеть), — это то, что его можно включать в обычную бытовую розетку без опасений 43 сжечь проводку.

• Недостатки сварочных инверторов: • чувствительность к скачкам напряжения в питающей сети; • они нуждаются в защите от пыли и влаги; • менее надежны, т. к. содержат гораздо больше различных электронных компонентов, чем сварочные выпрямители и тем более сварочные трансфоматоры; • стоят дороже. Но есть у сварочного инвертора и одно очень важное положительное качество - сварщикуновичку научиться варить на нем проще и ряд ошибок он «прощает» . 44

Электроды для сварки • В первом приближении их можно разделить на две категории для обычной сварки и для ответственных случаев. Для проведения обычных сварочных работ чаше всего используют электроды марок АНО или МР-3. Для ответственных конструкций лучше использовать электроды типа УОНИ. Надо отметить, что работать с электродами УОНИ сложнее, они требуют большего тока дуги, хуже «разжигаются» , но прочность полученного при их использовании шва гораздо выше. Для получения качественного сварного шва важно правильно выбрать диаметр электрода. Ситуация такова - чем толще свариваемые детали, тем больше 45 должен быть диаметр электрода и ток дуги.

• Для бытовых целей, как правило, используют электроды диаметром 2 -4 мм. При работе со сварочным инвертором требуются меньшие токи дуги, чем в других случаях. Важно отметить, что при использовании в сварочном инверторе токов, указанных на коробке с электродами (они приведены для работы со сварочным трансформатором) такими электродами можно не просто варить, а уже и резать металл. Ориентировочные токи дуги при работе со сварочным инвертором составляют. • для электрода толщиной 2 мм - 30 -50 А; • для электрода толщиной 3 мм - 60 -90 А; 46 • для электрода толщиной 4 мм - 80 -1 60 А;

Предварительные преобразования электрических токов позволяют использовать трансформатор с очень малыми габаритами. К примеру, чтобы получить в инверторе сварочный ток 160 А достаточно трансформатора вес, которого 250 г, а на обычных сварочных аппаратах необходим медный трансформатор с весом 18 кг. • 47

Устройство сварочных инверторов 48

Плазменная сварка и резка • При плазменной сварке и резке в качестве источника нагрева используется электрическая дуга, столб которой принудительно обжат для повышения концентрации его тепловой энергии на обрабатываемом изделии. При обычной дуговой сварке дуга горит свободно между электродом и изделием. Однако если при помощи каких-либо приемов не дать возможность дуге занять ее естественный объем, а сжать ее, то температура дуги значительно повышается. • Основным инструментом при плазменной сварке и резке является плазмотрон. В устройствах такого типа рабочий газ подается в разрядную камеру, внутри которой горит мощная дуга. • За счет теплообмена с дугой газ нагревается, ионизируется и истекает через выходное отверстие камеры (сопло) в виде плазменной струи, используемой в качестве источника нагрева. Плазмой принято считать частично или полностью ионизированный газ. Плазма газового разряда в зависимости от состава среды характе-ризуется температурами от 2000 до 49 50000 0 С.

Принципиальные схемы плазмотронов прямого действия (а) и косвенного (б): 1 – вольфрамовый электрод; 2 – электроизоляционная втулка; 3 – сопло; 4 – плазменная струя; 5 – изделие 50

Современный аппарат плазменной резки и сварки 51

Сварочные швы а - лазерная сварка; б - плазменная сварка; в - ручная аргонодуговая сварка неплавящимся электродом. 52

Лазерная сварка металлов • При лазерной сварке металлов источником нагрева служит лазерный луч. Для этих целей используются лазерные установки различных видов. Однако из всех типов лазеров для сварки металлов наиболее подходят газовые и твердотельные модификации лазеров. Большая концентрация тепловой энергии, высокая скорость лазерной сварки по сравнению с дуговыми способами и незначительное тепловое воздействие на околошовную зону вследствие высоких скоростей нагрева и охлаждения металла существенно повышают сопротивляемость большинства конструкционных материалов образованию горячих и холодных трещин. Это обеспечивает высокое качество сварных соединений из материалов, плохо свариваемых другими способами сварки. 53

• Главное преимущество по сравнению с другими существующими методами сварки: • Узкая зона термического влияния, за счет большой скорости сварки; • Прочность лазерного сварного соединения сравнима с прочностью основного металла; • Низкая деформация сварных изделий или полное её отсутствие; • Сварные швы с глубоким проплавлением (с отношением глубины проплавления к ширине шва меньше или равно 1); • Возможность подачи в зону сварки защитного газа и легирующих элементов (проволоки, ленты и т. д); 54 • Отсутствие пористости в сварных соединениях.

Сравнение плотности мощности, создаваемой различными видами сварочных источников энергии. 55

Роботизированный лазерный комплекс для сварки: TRUMPFHL 4006 D 56 .

Лазерный сварочный станок серии LMI фирмы Presco Laser Systems. Сварка швов плоской и эллиптической геометрии. • 57

Электроустановки высокоинтенсивного нагрева • Высокоинтенсивный нагрев обеспечивается установками электронно-лучевого и светолучевого нагрева. • Электронно-лучевые установки (ЭЛУ): – Обработка тугоплавких и химически активных металлов; – Сварка; – Испарение металлов и оксидов; – Выращивание монокристаллов; – Металлизация. Напыление. Основные технологические операции: плавка, испарение, термообработка и сварка. 58

Достоинства электронно-лучевого нагрева • Плавное изменение удельной энергии в зоне нагрева в широких пределах. • Большая удельная мощность (мегаватты) в месте действия луча на обрабатываемое изделие. • Пространственная управляемость положением луча с помощью магнитной системы. • Возможность использования вакуума в качестве рабочей среды. • Прецизионное (малоразмерное) воздействие луча на изделие. 59

Установки электронно-лучевого нагрева • Недостатки: – Необходимость обеспечения высокого вакуума. – Сложное изготовление и эксплуатация ЭЛУ. – Высокая стоимость электронно-лучевого оборудования. • Принцип действия – электронный луч, представляющий собой направленный поток электронов, переносит энергию от излучателя к изделию. Электроны ускоряются, приобретая кинетическую энергию, пропорциональную их скорости. • При столкновении с обрабатываемым веществом они отдают приобретенную энергию. 60

Принцип действия ЭЛУ • Энергия от излучателя переносится направленным потоком электронов к изделию. • Энергия электрона ускоренного в электрическом поле • Мощность электронного луча • Удельная мощность в луче • Скорость электрона в момент воздействия на обрабатываемую поверхность • Глубина проникновения электронов 61

Принцип действия ЭЛУ • Энергия в э. В; масса электрона в кг; линейная скорость электрона в м/с; заряд электрона в К; пройденная электроном разность потенциалов в В; мощность электронного луча в в. Т; • Ускоряющее напряжение в В; ток луча в А; поперечное сечение луча на обрабатываемой поверхности в кв. мм; радиус луча в мм; глубина проникновения в м; плотность вещества в кг на куб. м. 62

Схема ЭЛУ для переплавки металлов • 63

Схема ЭЛУ для выращивания монокристаллов • 64

Схема испарительной ЭЛУ • 65

Энергетический комплекс ЭЛУ • Состав комплекса: – Электронная пушка; – Система электропитания; – Система управления лучом. • Электронная пушка – это устройство, в котором исходящий (эмиссия) из катода пучок электронов формируется в электрическом и магнитном полях в луч, ускоряемый в электрическом поле, и, проходя через отверстие в аноде, направляется на нагреваемый объект. • Мощность электронной пушки (в луче) промышленного плавильного ЭЛУ составляет от 50 до 2000 к. Вт. По способу формирования электронного луча различают: ЭЛУ с кольцевым катодом (ускоряющее напряжение от 5 до 15 к. В); ЭЛУ с радиальной пушкой (ускоряющее напряжение около 15 к. В); ЭЛУ с аксиальной пушкой (ускоряющее напряжение около 5 к. В). 66

Электроснабжение ЭЛУ • Электроснабжение ЭЛУ получают от высоковольтных источников питания постоянного тока, которые включают: – Повышающие трансформаторы; – Высоковольтные выпрямители, собранные на тиратронах или кремниевых диодах; – Параметрические источники тока для стабилизации тока электронного пучка. • Основные цепи электроснабжения ЭЛУ: – Цепи накала катода; – Цепи питания преобразователя постоянного тока; – Цепи, обеспечивающие работу вакуумной камеры, к которым относятся цепи системы вакуумирования и контроля вакуума. • Вспомогательные цепи электроснабжения ЭЛУ: – Цепи фокусировки, отклонения и развертки электронного луча. 67

Электромеханический комплекс ЭЛУ • Электромеханический комплекс ЭЛУ в своем составе имеет: – Вакуумную (рабочую) камеру с вакуумной системой (создание и поддержание в рабочем объеме вакуума от 0, 1 до 0, 0001 Па); – Систему позиционирования и перемещения заготовки (погрешность позиционирования от 1 до 5 мкм); – Систему наблюдения за ходом технологического процесса; – Систему биологической защиты от рентгеновского излучения; – Вспомогательные системы и устройства. 68

Светолучевые установки (СЛУ) (лазеры) • Применяются в технологических процессах обработки различных материалов любой твердости. • Сверление без возникновения в обрабатываемом изделии механических напряжений и с очень большой точностью. • Мощность непрерывного излучения СЛУ до нескольких сотен к. Вт с энергией непрерывного импульса до нескольких сотен джоулей. • Особенность лазерной установки – интенсивный локальный разогрев обрабатывае 69 мого материала.

• Стадии взаимодействия лазерного излучения с материалом: – Поглощение света с последующей передачей энергии тепловым колебанием решетки твердого тела; – Нагрева металла без разрушения, включая и плавление; – Разрушение материала испарением и выброс его расплавленной части; – Остывания после окончания воздействия. • Нагрев и плавление используются при термообработке и сварке, а тепловое разрушение и выброс расплавленной части преобладает в процессах резки и сверления отверстий. 70

Оптические квантовые генераторы • Лазер это оптический квантовый генератор (ОКГ) - является источником энергии, генерирующим монохроматические волны оптического диапазона под воздействием индуцированного (вынужденного) излучения. • Принцип действия: - при вспышке разрядной трубки, подключенной к источнику питания, возбуждается активный элемент лазера – рубиновый стержень. Атомы хрома, находящиеся в состоянии покоя на нижнем энергетическом уровне, под действием испускаемых импульсной лампой фотонов переходят на более высокий энергетический уровень. • После поглощения импульса света возбужденные атомы хрома через промежуточное состояние переходят на более низкий уровень, при этом излучая избыток энергии в виде электромагнитных колебаний. 71

• Часть излучаемой атомами энергии рассеивается наружу через стенки стержня, а другая часть в виде фотонов направлена по оси стержня в обе стороны. • Направленные фотоны по пути своего движения вызывают цепную реакцию образования новых фотонов, взаимодействуя с находящимися в стержне возбужденными атомами. • Возникший поток световой энергии многократно отразившись от отражателей, установленных на концах рубинового стержня, лавинообразно нарастает после каждого отражения. В итоге – мощный световой поток в виде светового когерентного излучения выходит через полупрозрачное зеркало, на одном из торцов рубинового стержня. • Энергия светового потока при помощи фокусирующего светового устройства может быть сфокусирована на очень 72 маленькой площади.

Структурная схема промышленной лазерной установки • 73

Электрохимические и электрофизические установки • В основе работы электрохимическое действие тока. • Типы установок: – Электролизные (выделение вещества на электродах); – Электрохимические (удаление материала с обрабатываемой поверхности); – Электроэрозионные (эффект расплавления и испарения микрочастиц материала); – Электрохимико-механические (обработка металлических изделий в электролитах с одновременным механическим воздействием). 74

Электролизные установки • Электролиз – это явление выделения вещества на электродах при прохождении через электролит тока, процессы окисления и восстановления на электродах, сопровождающиеся приобретением или потерей частицами вещества электронов. • Электролизер – это ванна, в которой процесс идет с поглощением электрической энергии. • Принцип действия электролизной установки • рассматривается на примере схемы электролизера с анодным растворением и катодным осаждением. 75

• Напряжение на электролизной ванне состоит из трех составляющих: – Напряжения электрохимического разложения вещества – ; – Приэлектродного напряжения (на аноде и катоде); – Напряжения в электролите . 76

Схема электролизной установки • 77

Электрооборудование электролизной установки • Питание электролизных установок постоянным током осуществляется от генераторов постоянного тока или полупроводниковых выпрямительных агрегатов, преобразующих переменный ток промышленной частоты в постоянный. • КПД выпрямительных агрегатов 97 … 98 %, напряжение 4, 2… 4, 5 В, сила тока при работе 40… 250 к. А. 78

Преобразовательные подстанции (ППС) • Состав: – Распределительное устройство (РУ) переменного тока, – Силовых трансформаторов с регулированием напряжения (ПБВ или РПН), – Полупроводниковых агрегатов, – РУ постоянного тока, – Потребителей собственных нужд. Вторичные обмотки трансформаторов выполняются из алюминиевой ленты, ширина которой соответствует длине магнитного сердечника. 79

Электрохимические установки • Электрохимическая обработка при невысокой плотности тока (2… 3 А на кв. см, кислый раствор и медленное перемешивание электролита) в стационарном электролите. Применяется для электролитического шлифования или полирования. • Электрохимическая обработка при высокой плотности тока в проточном электролите. Применяется для копирования формы детали путем анодного растворения. • Возможные операции: очистка поверхности металла анодным травлением от оксидов, ржавчин, жировых пленок; заострение и затачивание режущего инструмента; гравирование и маркирование по металлу путем анодного растворения открытых участков металла. 80

Установка ЭХО в стационарном электролите • Электрохимическая обработка, основанная на анодном растворении, ведется на постоянном, импульсном, пульсирующем токе. 81

Электрооборудование установок ЭХО • 82

Электроэрозионные установки • Электроэрозионная обработка (ЭЭО) – это непосредственное использование теплового эффекта электрической энергии для размерной обработки металлов с высокими механическими свойствами. Основана на эффекте расплавления и испарения микрочастиц материала под действием импульсов электрической энергии, выделяемой между электродоминструментом и деталью, погруженными в жидкую непроводящую среду. 83

Этапы процесса в межэлектродном промежутке при ЭЭО 84

Магнитоимпульсные установки (МИУ) • Магнитоимпульсная обработка (МИО) – это способ пластической деформации металлов и их сплавов при прямом преобразовании электрической энергии в механическую непосредственно в обрабатываемом изделии. • Обработка производится под действием электродинамических сил, возникающих в проводящем теле, помещенном в переменное электромагнитное поле. • Состав МИУ: источник питания (зарядное устройство) (ИП); батарея конденсаторов (накопитель энергии) (БК); коммутирующее устройство (КУ); индуктор (И). 85

Принципиальная электрическая схема МИУ для обработки металлов • 86

Функциональная электрическая схема МИУ • 87

Электромагнитные установки (ЭМУ) • К ним относятся насосы магнитогидродинамического принципа действия, предназначенные для транспортировки жидких металлов. Они делятся на кондукционные и индукционные насосы. • Кондукционные насосы могут быть постоянного и переменного тока. Кондукционный насос постоянного тока подобен электродвигателю постоянного тока, в котором обмотка якоря заменена токопроводящей жидкостью. Индукционный насос по устройству аналогичен АД с полым ротором. 88

Принципиальная схема кондукционного насоса постоянного тока • 89

Принципиальная схема винтового индукционного насоса • 90

Электрогидравлические установки (ЭГУ) • Электрогидравлический эффект – это возникновение высокого давления при высоковольтном электрическом разряде между электродами, погруженными в непроводящую жидкость. При этом импульсная ударная волна создает давление до 300 МН на м кв. (3000 атм. ). • При этом способе электрическая энергия преобразуется в механическую без промежуточных звеньев с высоким КПД. • При высоковольтном разряде в жидкости энергия, запасенная в накопителе мгновенно преобразуется в тепловую, световую и механическую. Жидкость практически несжимаемая поэтому возникает электрогидравлический удар, что усиливает действие электрического взрыва. 91

Принципиальная электрическая схема ЭГУ • 92

ЭГУ для штамповки • 93

Ультразвуковые установки (УЗУ) • В основе данного способа обработки лежит механическое воздействие на материал ультразвуковыми колебаниями с частотой ударов от 16 до 30 к. Гц. Ультразвуковые колебания сопровождаются рядом эффектов: – Кавитация – образование в жидкости пузырьков во время фазы растяжения и лопание их во время фазы сжатия. Местные мгновенные давления достигают 100 млн Н на кв. м. – Поглощение ультразвуковых колебаний веществом, в котором часть энергии превращается в тепловую, а часть расходуется на изменение структуры вещества. 94

Элементы УЗУ • Источник ультразвуковых колебаний (механические и электрические); • Акустический трансформатор скорости (концентратор); • Детали крепления. • Электрические источники УЗК преобразуют электрическую энергию в механические колебания соответствующей частоты. Используются электродинамические, магнитострикционные и пьезоэлектрические. Последние два используются наиболее часто. 95

Акустический узел УЗУ • 96

Электрокинетические установки • в основе работы таких установок используется электронно-ионная технология (ЭИТ), сущность которой в том, что действие электрического поля высокой напряженности на твердое, жидкое или газообразное вещество изменяет его свойства и способствует распределению обрабатываемого вещества в пространстве. ЭИТ состоит: – Электризация вещества; – Формирование движения в электрическом поле; – Готовый продукт. 97

Основные виды ЭИТ • Электрогазоочистка – выделение из газового (воздушного) потока твердых тел или жидких частиц (электрофильтры); • Электросепарация – разделение многокомпонентных систем на составные части (для разделения суспензий, эмульсий и сыпучих смесей; для опреснения воды); • Электроокраска – нанесение твердых или жидких покрытий на изделия (окраска изделий). 98

Принципиальная схема электрофильтра • 99

Ячейка опреснительной установки • 100

Установка для окраски в электростатическом поле • 101