Вольт-амперна характеристика дуги

Залежність напруги дуги від струму у зварювальному колі називають статичною вольт-амперною характеристикою дуги.

Вольт-амперна характеристика дуги (рис. 2.8) має три області: падаючу, жорстку і зростаючу. В області 1 (до 100 А) зі збільшенням струму напруга значно зменшується. Це відбувається у зв'язку з тим, що при підвищенні струму збільшується поперечний переріз, а отже і провідність стовпа дуги. В області 2 (100–1000 А) при збільшенні струму напруга зберігається постійною, оскільки перетин стовпа дуги та площі анодної і катодної плям збільшується пропорційно струму. Область характеризується сталістю густини струму. В області 3 (більше 1000 А) збільшення струму викликає зростання напруги внаслідок того, що збільшення густини струму вище певного значення не супроводжується збільшенням катодної плями через обмеженість перетину електрода. Дуга області 1 горить нестійко і тому має обмежене застосування. Дуга області 2 горить стало й забезпечує нормальний процес зварювання.

Напруга, необхідна для порушення дуги, залежить: від роду струму (постійний або змінний), дугового проміжку, матеріалу електрода і зварюваних кромок, покриття електродів і ряду інших чинників. Значення напруги, що забезпечують виникнення дуги в дугових проміжках, що дорівнюють 2–4 мм, знаходяться в межах 40–70 В. Напруга для сталої зварювальної дуги може бути визначена за формулою

U_д = α + bl_д,

де а – коефіцієнт, за своєю фізичною сутністю становить суму падінь напруг у зонах катода та анода, В; b – коефіцієнт, що виражає середнє падіння напруги на одиницю довжини дуги, В/мм; l_д – довжина дуги, мм.

Рисунок 2 – Вольт-амперна характеристика дуги

4.Види джерел живлення зварювальної дуги, їх призначення і класифікація

Устаткування для дугового зварювання плавленням складається із таких основних видів обладнання:

• механічного зварювального устаткування (обертані, маніпулятори, кантувачі, роликові стенди і т.п.);

• технологічного обладнання;

• джерел живлення;

• систем керування.

Основним, а деколи й єдиним видом зварювального устаткування є джерело живлення, яке в залежності від виду електричної енергії і способу її перетворювання може бути віднесене до одного з таких типів:

• трансформатор - джерело змінного струму, яке перетворює напругу мережі у знижену змінну напругу, що необхідна для зварювання;

• генератор - джерело постійного струму, що перетворює механічну енергію обертання якоря в енергію постійного струму, яку використовують для зварювання;

• перетворювач - джерело постійного струму, що складається з генератора в комбінації з електродвигуном змінного струму і яке перетворює енергію напруги мережі живлення в енергію постійного струму, необхідну для зварювання;

• агрегат - джерело постійного струму, що складається з генератора і двигуна внутрішнього згоряння, який перетворює енергію спалювання хімічного палива в енергію постійного струму, яку застосовують для зварювання;

• випрямляч - джерело постійного струму, що перетворює енергію напруги мережі у випрямлений постійний струм для зварювання.

Основні вимоги, що ставляться до джерел живлення

Важливою умовою отримання зварного шва високої якості є стійкість процесу зварювання. Для цього джерела живлення дуги повинні забезпечити хороше збудження і стабільне горіння дуги.

Збудження зварювальної дуги починається з короткого замикання зварювального ланцюга – контакту між електродом і деталлю. При цьому відбувається виділення теплоти і швидке розігрівання місця контакту. Ця початкова стадія вимагає підвищеної напруги зварювального струму. Надалі відбувається деяке зменшення опору дугового проміжку (внаслідок емісії електронів з катода і появи об'ємної іонізації газів у дузі), що викликає зниження напруги до межі, необхідної для підтримки стійкого горіння дуги.

У процесі зварювання під час переходу крапель електродного металу до зварювальної ванни відбуваються дуже часті короткі замикання зварювального ланцюга. Разом із цим змінюється довжина зварювальної дуги. При кожному короткому замиканні напруга падає до нульового значення. Для подальшого відновлення дуги необхідна напруга порядку 25–30 В. Така напруга має бути забезпечена за час не більше 0,05 с, щоб підтримати горіння дуги в період між короткими замиканнями. Необхідно врахувати, що при коротких замиканнях зварювального ланцюга розвиваються великі струми (струми короткого замикання), які можуть викликати перегрів у проводці та обмотках джерела струму.

Ці умови процесу зварювання в основному і визначили вимоги, що ставляться до джерел живлення зварювальної дуги.

Для забезпечення стійкого процесу зварювання джерела живлення дуги повинні задовольняти такі вимоги:

1. Напруга холостого ходу має бути достатньою для легкого збудження дуги і в той же час не повинна перевищувати норм безпеки. Максимально допустима напруга холостого ходу встановленого для джерел постійного струму – 90 В; для джерел змінного струму – 80 В.

2. Напруга стійкого горіння дуги (робоча напруга) повинна швидко встановлюватися і змінюватися залежно від довжини дуги. Зі збільшенням довжини дуги напруга повинна швидко зростати, а із зменшенням – швидко падати. Час відновлення робочої напруги від 0 до 30 В після кожного короткого замикання (при крапельному перенесенні металу від електрода до зварюваної деталі) повинен бути менше 0,05 с.

3. Струм короткого замикання не повинен перевищувати зварювальний струм більш ніж на 40–50 %. При цьому джерело струму повинне витримувати тривалі короткі замикання зварювального ланцюга. Ця умова необхідна для оберігання обмоток джерела струму від перегріву і пошкодження.

4. Потужність джерела струму має бути достатньою для виконання зварювальних робіт.

5. Мати пристрій для плавного регулювання сили зварювального струму.

6. Володіти заданою зовнішньою характеристикою.

Зовнішня характеристика джерела живлення

Рис 3 – Основні типи зовнішніх характеристик джерел живлення для дугового зварювання: 1 – крутопадаюча, 2 – пологопадаюча, 3 – жорстка, 4 – зростаюча

Джерела струму для живлення зварювальної дуги повинні мати спеціальну зварювальну зовнішню характеристику. Зовнішньою характеристикою джерела живлення називається залежність між напругою на його вихідних клемах і струмом у зварювальному колі.

Зовнішні характеристики (рис. 3) можуть бути таких основних видів: крутопадаюча 1, пологопадаюча 2, жорстка 3, зростаюча 4.

Розглянуто різні види дефектів і способи їх усунення.

Джерело струму з відповідною зовнішньою характеристикою обирають залежно від вольт-амперної характеристики дуги (рис. 2.).

Області 1 і 2 ВАХ (рис. 2) відповідають режимам зварювання, застосовуваним при ручному зварюванні плавким покритим електродом, а також неплавким електродом у середовищі захисних газів. Механізоване зварювання під флюсом відповідає 2 області (рис. 2) і частково захоплює 3 область (рис. 2) при використанні тонких електродних проводів і підвищеної густини струму, зварювання плавким електродом у захисних газах відповідає 3 області ВАХ (рис. 2.). Для живлення дуги з падаючою або жорсткою ВАХ застосовують джерела живлення з падаючою або пологопадаючою зовнішньою характеристикою. Для живлення дуги зі зростаючою ВАХ застосовують джерела струму з жорсткою або зростаючою зовнішньою характеристикою.

Для живлення зварювальної дуги застосовують джерела змінного струму (зварювальні трансформатори) і джерело постійного струму – зварювальні генератори з приводом від електродвигуна (зварювальні перетворювачі), зварювальні генератори з приводом від двигуна внутрішнього згоряння (зварювальні агрегати) і напівпровідникові зварювальні випрямлячі.

Зварювальні трансформатори завдяки своїм техніко-економічним показникам мають переваги порівняно з джерелами постійного струму. Вони простіші в експлуатації, довговічніші, мають більш високий ККД. Джерела постійного струму переважають у технологічному відношенні: при їх застосуванні підвищується стійкість горіння дуги, поліпшуються умови зварювання в різних просторових положеннях та ін.

Основні технічні показники джерел живлення зварювальної дуги – зовнішня характеристика, напруга холостого ходу, відносна тривалість роботи (ТР) і відносна тривалість вмикання (ТВ) в переривчастому режимі.

Величина ТР визначається як відношення тривалості робочого періоду джерела живлення до тривалості повного циклу роботи і виражається у відсотках: ПР = (t_р / t_ц) 100, де t_р – безперервна робота під навантаженням (зварювання); t_ц – тривалість повного циклу (зварювання + Пауза). Оптимальну величину ТР беруть 60 %. Різниця між ТР і ТВ полягає в тому, що в першому випадку джерела живлення під час паузи не відключаються від мережі і при розімкнутому зварювальному колі працюють на холостому ходу, а в другому випадку джерела повністю відключаються від мережі, що спостерігається при механізованому зварюванні.

Живлення трифазної дуги здійснюють від звичайних однопостових зварювальних трансформаторів, включених за однією з наведених Найбільш простою схемою при використанні однопостових трансформаторів є схема з'єднання у відкритий трикутник.

Зварювальні трансформатори.  Основними Джерела живлення для зварювання на змінному струмі службовцями однофазні зварювальні трансформатори з Первін напругою 220 або 380 В. Однопостові трансформатори з падаючімі характеристиками поділяться на Дві групи:  - Трансформатори з Нормальних магнітнім розсіянням и Додатковий реактивністю котушкі - дроселем;  - Трансформатори з підвіщенім магнітнім розсіянням. Трансформатори Другої групи можна поділіті на три основні типи: трансформатори з Рухом котушкі, трансформатори з магнітнім шунтом, трансформатори з виткового (ступеневу) РЕГУЛЮВАННЯ.  Схеми Будови СУЧАСНИХ однопостовими зварювальних трансформаторів показані на рис.  Рис.4 Схеми Будови зварювальних трансформаторів.  У трансформаторах з Нормальних магнітнім розсіюванням и Додатковий реактивністю котушкі (рис.4 а) 2-4, є загальний магнітопровід 2 з трьома обмотками: ПЕРВИННА 1, вторинно 5 и реактивністю 3. Верхня частина магнітопроводу роз'ємна и має рухомий магнітний шунт 4. Зміною покладено-ня шунта, тоб величина зазору в магнітопроводі, можна регулюваті вторинно (зварювальний) струм. Чім больше зазор, ТІМ більшім буде струм. Переміщення шунта віконується електроприводом з дістанційнім керували - ням. За такий схемі виготовляють трансформатори тіпів ТСД (на 500, 1000 і 2000 А) i СТ (на 1000 і 2000 А).  У трансформаторах з Рухом котушкі (рис.4 б) для регулювання зварювального Струму змінюють відстань между Первін (нерухомости) 1 і вторинно обмотку 5. Котушкі вторинної обмотки пересуваються по стрижнях магнітопроводу 2. При збліженні обмоток 5 і 1 індуктівність розсіяння зменшується, что приводити до Збільшення зварювального Струму. Котушкі вторинної обмотки переміщуються за помощью Гвинтове механізму вручну. На такому прінціпі побудовані зварювальні трансформа-торі (тіпів ТЗ на Струмило від 120 до 500 А, ТСК и ТД на Струмило 300 и 500 А).  У трансформаторах з магнітнім шунтом (рис. 4в) зміна індуктівного опору розсіяння віконується помощью магнітного шунта 4, Який розташованій в вікні магнітопроводу 2 между розняття котушкі первинної 1 і вторинної 5 обмоток. При зменшенні зазору между осердям и шунтом зварювальний струм зменшується. На цьом прінціпі побудовані трансформатори типу СТШ на Струмило 250, 300 и 500 А.  Трансформатори з магнітнім шунтом, Який підмагнічується постійнім Струмило (рис. 4г), мают в вікні магнітопроводу 2 между котушкі 1 і 5 шунт 4, на якому розміщена обмотка підмагнічування 6. Змінюючі струм І _п в Цій обмотці, можна регулюваті індуктівній Опір розсіяння основних обмоток. При І _п= 0 цею Опір мінімальній и зварювальний струм Найбільший. Збільшення І _п приводити до Зменшення зварювального Струму. Подібну конструкцію мают трансформатори тіпів ТДФ-1001 и ТДФ-1601 (відповідно на 1000 і 1600 А при ТБ _ном = 100%) для автоматичного зварювання под флюсом. Трансформатори дозволяють Здійснювати ступеневого-плавне регулювання зварювального Струму. Ступеневого регулювання досягається перемиканням котушок 5 вторинної обмотки, плавне - зміною Струму І _п, для чого обмотка 6 зажівлюється від однофазного тиристорного Випрямляч.  Використання трифазної дуги для зварювання можливо і в інших варіантах. Живлення дуги може здійснюватися від багатопостового зварювального трансформатора чи спеціального однопостового трифазного трансформатора.