Тема 3. «Технология дуговой сварки»

Цель работы: Исследование динамических и статических характеристик дуги переменного и постоянного тока.

Порядок выполнения работы: Самостоятельно подготовиться по теоретическому материалу к занятию, при необходимости воспользоваться рекомендуемой литературой. На занятии получить допуск для выполнения работы. Для получения допуска необходимо ответить на вопросы о теоретической части работы, четко понимать ход выполнения работы, а также иметь представление о содержании отчета. Затем индивидуально или в группе (на усмотрение преподавателя) выполнить работу. К следующему занятию подготовить отчет в письменном или печатном виде. Работа считается сделанной, если при сдаче отчета студент может ответить на контрольные вопросы и дать комментарии о работе.

1. Теоретические положения

Дуговая электросварка занимает ведущее место в технологии процессов получения неразъемных соединений.

Технология сварки обычно начинается с выбора режима сварки, приспособлений манипулирования электродом, выбора самого электрода для сварки различных материалов, обработки свариваемой поверхности. Существуют следующие способы зажигания дуги: прямого действия, когда дуга горит между рабочим концом электрода (1) и изделием (2) (рис. 6, а), и косвенного действия, когда дуга горит между двумя электродами (1) (рис. 6, б).

а) б)

1

1

1

2

2

Рис. 6. Способы зажигания дуги: а – прямого действия; б – косвенного действия; 1 – электрод; 2 – изделие

Известно, что дуга загорается в результате разряда. Например, электрический разряд в газе. Газовая среда становится проводящей, если в ней помимо нейтральных частиц имеются электроны и ионы. Дуговой разряд характеризуется высокой плотностью тока, температурой, а также высокой скоростью преобразования энергии. Столб дуги по длине и характеру происходящих процессов разбивают на три части: собственно столб дуги, катодную и анодную области. Катодная область приблизительно равна длине собственного пробега 10^-5 см, протяженность анодной области несколько больше – 10^-3 см.

В электрической дуге энергия, необходимая для эмиссии электронов, получается за счет нагрева катода до высокой температуры (термоэлектронная эмиссия) и создания вблизи катода сильного электронного поля (автоэлектронная эмиссия). Если катод изготовлен из тугоплавкого металла (вольфрам, графит), определяющую роль в поддержании разряда начинает играть термоэлектронная эмиссия. Процессы ионизации нейтральных атомов происходят, в основном, в столбе дуги. Наряду с ионизационными процессами в дуге параллельно и непрерывно идут процессы деионизации – рекомбинация и диффузия ионов и электронов, т.е. объединение ионов и электронов в нейтральные молекулы. В установившемся режиме ионизационные и деионизационные процессы в дуге находятся в равновесии. При зажигании дуги преобладающую роль играют ионизационные процессы, а при гашении – деионизационные.

Зажечь дугу можно тремя способами:

1) касанием электродов с последующим нарушением контакта между ними;

2) подачей импульса высокого напряжения, достаточного для зажигания дуги;

3) повышением проводимости газового промежутка между электродами за счет внешнего источника ионизации.

Статическая вольт-амперная характеристика дуги постоянного тока представлена на рис. 7.

Статическая ВАХ является падающей, т.к. с ростом тока проводимость столба дуги увеличивается, поэтому напряжение, необходимое для поддержания дуги, уменьшается. В области больших токов увеличение проводимости столба дуги замедляется (т.к. усиливаются процессы деионизации), и в дальнейшем сопротивление дуги уменьшается обратно пропорционально току, а напряжение на дуге остается примерно постоянным.

Рис. 7. Статическая вольт-амперная характеристика

Существование дуги переменного тока осложняется периодическим изменением напряжения сети. При отсутствии индуктивности в цепи дуги изменение тока и напряжения дуги за период показано на рис. 8.

Рис. 8. Динамическая характеристика дуги в цепи тока с активным сопротивлением

Пока напряжение источника энергии меньше напряжения зажигания дуги , дуга загореться не может. При синусоидальной кривой напряжение источника зажигания дуги происходит в точке А через промежуток времени

где – амплитуда напряжения источника; – частота тока; – напряжение зажигания дуги для угольных электродов (в обычной атмосфере составляет 45-55 В).

После возникновения дуги и появления тока последний будет изменяться по некоторой кривой. Одновременно с изменением тока имеет место и изменение напряжения дуги. В точке В напряжение источника падает ниже напряжения дуги , дуга гаснет, причем напряжение погасания дуги несколько ниже напряжения зажигания (ввиду того, что при горении дуги дуговой промежуток разогревается и условия ионизации улучшились). На отрезке времени дуга не горит, а затем происходит повторное зажигание, горение и погасание дуги в отрицательной полуволне напряжения источника тока. Характер изменения напряжения дуги имеет более простой вид при токах 100 А и выше. За счет больших токов ионизация нагретого дугового промежутка достаточно интенсивна и напряжение горения дуги мало отличается от напряжения зажигания и практически не зависит от тока дуги В этом случае и

При наличии в электрической цепи индуктивности между током и напряжением будет существовать сдвиг фаз (рис. 9).

Подбором индуктивности можно получить такой угол сдвига фаз , при котором уменьшение напряжения источника питания будет ниже напряжения горения дуги ЭДС самоиндукции. Это напряжение достаточно для поддержания горения дуги до тех пор, пока ток не перейдет через нулевые значения. В этот момент напряжение источника будет иметь другой знак и достигнет значения, достаточного для повторного значения напряжения дуги, т.е. дуга может возникать вновь без всякого перерыва или с незначительным перерывом.

Рис. 9. Динамическая характеристика дуги с индуктивным сопротивлением

На рис. 10 (а, б, в) показаны осциллограммы тока и напряжения и вольт-амперная характеристика дуги для одного полупериода при разных условиях горения дуги. На рис. 10, а приведены характеристики слаботочных дуг с интенсивным охлаждением и осциллограммы напряжения дуги с ярко выраженным пиком нагрузки.

При каждом прохождении тока через ноль газовый промежуток охлаждается и деионизируется, сопротивление его возрастает. Возникновение тока требует повышенного напряжения – возникает пик напряжения (напряжение зажигания).

По мере возрастания тока напряжение на дуге снижается. Снижение тока вызывает новый подъем напряжения, обычно меньший по амплитуде, чем первый. Чем больше мощность дуги, чем хуже ее охлаждение, тем меньше пики зажигания и потухания, тем ближе форма напряжения к трапецеидальной, а ее ВАХ к ломаной линии (рис. 10, б). Такая форма кривых напряжения и тока характерна для дуг сталеплавильных печей, горящих на металл.

Если дуга настолько хорошо теплоизолирована и мощна, что ее проводимость в течение полупериода практически не изменяется, то формы кривых тока и напряжения близки к синусоидальным, а динамическая характеристика дуги представляет собой прямую (рис. 10, в).

а)

б)

в)

Рис. 10. Формы осциоллограмм и динамических характеристик дуг переменного тока

Близкими к синусоидальной форме кривые тока и напряжения могут быть и у менее мощных дуг, если в их цепях имеется значительное активное сопротивление, а также у дуг повышенной частоты, когда состояние газового промежутка не успевает изменяться вслед за изменением тока.

Таким образом, в большинстве случаев для дуг переменного тока кривые напряжения на дуге и тока отличаются от синусоиды, в некоторой части периода через дуговой промежуток ток вообще не проходит.

В электротехнологических установках широко применяются дуговой и искровой разряды. Первый используется в дуговых, вакуумно-дуговых и руднотермических печах, дуговой электросварке, электроимпульсной и электроконтактной обработке, второй лежит в основе электроискровой и электрогидравлической обработки.