5.4 Начальное зажигание дуги

Под начальным зажиганием дуги понимают процесс возбуждения дуги в начале сварки. От него нужно отличать повторное зажигание после случайных обрывов дуги, которое выполняется теми же способа­ми, что и начальное, но происходит в более благоприятных условиях при уже разогретых электродах. Непосредственным критерием при оцен­ке надежности начального зажигания принято считать процент успеш­ных попыток или количество попыток до первой успешной.

Практическое применение при дуговой сварке нашли два способа начального зажигания:

• высоковольтным искровым разрядом,

• разрывом цепи короткого замыкания электрода на изделие. Зажигание дуги высоковольтным разрядом иллюстрирует рисунок. 5.7.

При этом параллельно основному источнику подключается вспомога­тельный высоковольтный источник малой мощности. По соображениям безопасности он выполняется импульсным или высокочастотным (частота f>100 кГц). Назначение высоковольтного источника — пробить искрой, т.е. ионизировать межэлектродный промежуток, по которому за­тем пойдет ток от основного источника.

Рисунок. 5.7 – Схема процесса (а) и осциллограммы напряжения (б) и тока (в) при зажигании дуги высоковольтным разрядом

Зажигание дуги разрывом цепи короткого замыкания внешне вы­глядит довольно просто (рисунок. 5.8). При замыкании электрода на изде­лие сопротивление нагрузки составляет всего 0,01-0,2 Ом, поэтому ток короткого замыкания достигает сотен ампер. С начала короткого замыкания (точка 1) напряжение источника резко снижается до срав­нительно низкой величины U_ик=2-5 В. Ток короткого замыкания быстро возрастает до пикового значения I_кп, а затем несколько снижа­ется до установившегося значения I_к. Разрыв цепи короткого замыка­ния (точка 2) происходит через t_к=0,01-1 с после начала процесса в результате отдергивания электрода или разрушения перемычек меж­ду электродом и изделием. Дело в том, что площадь таких перемычек сравнительно мала, поэтому плотность тока в них настолько велика, что наблюдается их мгновенное расплавление и даже испарение.

Рисунок. 5.8 – Стадии процесса (а) и осцил­лограммы напряжения (б) и тока (в) при зажигании дуги разрывом цепи коротко­го замыкания

После разрыва цепи короткого замыкания с момента 2 наступает стадия развития дугового разряда. Напряжение источника быстро уве­личивается до значения U_{и min}, а затем сравнительно плавно восстанав­ливается до установившегося значения U_и, равного напряжению дуги (точка 3). Начальный пик ЭДС самоиндукции источника в момент 2 имеет малую продолжительность и практически не влияет на надеж­ность зажигания. На стадии развития дугового разряда ток создается движением первичных носителей (электронов и ионов), возникших в результате разрыва цепи короткого замыкания. Источником первичных электронов может служить автоэлектронная эмиссия с катода. Установ­лено, что на ранней стадии разведения электродов при расстоянии меж­ду ними l≈10^-10 см даже относительно низкое напряжение источни­ка обеспечивает высокую напряженность электрического поля около 10 В/см, достаточную для вырывания электронов из катода. Возмож­ным источником первичных электронов является и термоэлектронная эмиссия с катода, поскольку при плавлении и испарении перемычки ме­талл на поверхности электрода достигает температуры 2000-6000 К. Наконец, пар металла, образовавшийся между электродами при такой температуре, достаточно электропроводен благодаря частичной иониза­ции. При последующем увеличении числа носителей возникает само­стоятельный дуговой разряд.

Оценим условия надежного зажигания. На первой стадии необхо­димо обеспечить энергичный разрыв цепи короткого замыкания. При недостаточной плотности тока в электроде (менее 20 А/мм) жидкие перемычки между электродом и изделием не взрываются, а, наоборот, застывают. «Примерзание» электрода можно предотвратить его рез­ким отдергиванием или увеличением тока. Естественное превышение тока короткого замыкания I_к над сварочным в 1,2-5 раз, наблюдающееся у большинства источников, благоприятствует надежному за­жиганию.

На второй стадии важно, чтобы напряжение источника было доста­точным для питания дуги (U_и≥U_д). У малоинерционных источников, таких, как диодные выпрямители, восстановление U_и происходит прак­тически мгновенно.

Проблема осложняется для источников с большой электромагнитной инерцией — тиристорных и дроссельных выпрямителей с обратны­ми связями, и особенно генераторов. У коллекторного генератора (см. рисунок. 5.8) в течение времени установления тока короткого замыкания t_ку, составляющего от 0,1 до 1 с, ЭДС непрерывно снижается и стано­вится в 2-4 раза ниже, чем напряжение при холостом ходе U_хх. Восста­новление ЭДС при переходе к режиму нагрузки идет сравнительно мед­ленно, поэтому в момент 2 близкое к ЭДС значение минимального напря­жения генератора U_и min может оказаться недостаточным для питания дуги. Если дуга все же зажглась, то в случае значительного отдергива­ния электрода в кривой тока обнаруживается опасный провал до I_{д min}, близкого к нулю. Из перечисленных характеристик переходного процес­са в качестве косвенного критерия для оценки надежности зажигания выбрано U_и min. Генераторы в соответствии с требованиями стандарта должны иметь U_и min>24-37 В. Это напряжение зависит в основном от напряжения холостого хода генератора U_хх, о необходимости увели­чения которого уже было сказано. Очевидно также, что надежность зажигания повысится при кратковременном соприкосновении электро­да с изделием, поскольку при t_к<t_ку ЭДС генератора еще не успеет за­метно упасть. Кроме того, полезно в цепь источника вводить индук­тивность. Запасенная в ней на стадии короткого замыкания энергия отдается затем дуге, стремясь поддержать ток на высоком уровне без провала.