3 Основные элементы энергетической системы установки для дуговой сварки

Энергетическая система (рис. 3.1) содержит источник питания, дугу и сварочную ванну.

Рисунок 3.1 – Энергетическая система установки для дуговой сварки

Дуга, как потребитель энергии характеризуется статической вольт-амперной характеристикой U_Д = f(I_Д) (рис. 3.2).

Дуга является нелинейным элементом электрической цепи, сопротивление которого зависит от величины протекающего по нему тока. В широком диапазоне токов в вольт-амперной характеристике (ВАХ) дуги можно выделить три участка

1 – падающая ВАХ, при которой дифференциальное (динамическое) сопротивление цепи является отрицательным

.

На этом участке с возрастанием тока напряжение на дуге уменьшается.

Рисунок 3.2 - Вольт-амперная характеристика дуги

2 – жесткая ВАХ, при которой R_ДИФ = 0. На этом участке с возрастанием тока напряжение на дуге остается постоянным.

3 – возрастающая ВАХ, при которой R_ДИФ > 0 и напряжение на дуге с увеличением тока возрастает.

С точки зрения технологического использования дуги для сварки в вольт-амперной характеристике можно выделить три области А, В, С.

Область А, в которой ВАХ дуги является падающей или жесткой, характерна для сварки неплавящимся электродом в среде аргона.

Область В, в которой ВАХ дуги является пологопадающей или жесткой, характерна для ручной дуговой сварки штучными электродами.

Область С, в которой ВАХ дуги является жесткой или возрастающей, соответствует режимам механизированной сварки в среде защитных газов и под флюсом.

При данном диаметре электрода и величине тока напряжение на дуге зависит от ее длины.

U_Д = U_К + U_А+ U_СТ = U_К + U_А + K_Д l_Д, (3.1)

где U_К и U_А – падения напряжений в прикатодной и прианодной области дуги;

U_СТ – падение напряжения в столбе дуги;

– градиент потенциала в столбе дуги; l_Д – длина дуги.

Градиент потенциала в столбе дуги всегда положителен и составляет 1…5 В/мм. Следовательно, напряжение на дуге возрастает с увеличением ее длины.

Важнейшей характеристикой источника питания, определяющей его энергетические свойства является зависимость между напряжением на выходных клеммах источника и силой тока в сварочной цепи U_ИП = f(I_ИП). Она называется внешней или вольт-амперной характеристикой (ВАХ) источника питания и играет важную роль в обеспечении устойчивого протекания процесса сварки.

Внешние характеристики могут быть падающими (ПВХ), пологопадающими (ППВХ), жесткими (ЖВХ) и даже возрастающими (рис. 3.3).

Форма внешней характеристики определяется дифференциальным (динамическим) сопротивлением источника питания , или обратной величиной, называемой коэффициентом внешней характеристики источника питания

Рисунок 3.3 – Внешние характеристики источников питания: 1 - падающая;

2 – пологопадающая; 3 – жесткая; 4 – возрастающая

Падающим внешним характеристикам соответствует R_ДИФ.ИП < 0 (примерный диапазон падающих характеристик - R_ДИФ.ИП  -3… -0,1 В/А, или К_ИП  -1…-10 А/В). Пологопадающих - R_ДИФ.ИП  - 0,05…-0,01 В/А, К_ИП  -20…-100 А/В. При жестких внешних характеристиках R_ДИФ.ИП = 0, К_ИП = . При возрастающих R_ДИФ.ИП  0.

В зависимости от способа формирования внешней характеристики она может быть естественной (за счет внутреннего сопротивления силового трансформатора или других элементов с индуктивным или активным сопротивлением, включенных в сварочную цепь) или искусственной, полученной при помощи электронных средств управления.

При естественном формировании внешняя характеристика определяется уравнением

, (3.2)

где U_ИП – напряжение на клеммах источника питания при токе нагрузки I_Н,

U₀ – напряжение холостого хода источника питания,

R_ИП и X_ИП – активное и индуктивное сопротивления источника питания.