Характеристики сварочной дуги
Зависимость между напряжением и силой тока при постоянной длине горящей дуги принято называть статической вольт-амперной характеристикой.
Известны статические вольт-амперные характеристики (ВАХ) сварочных дуг трёх типов:
Падающая – с ростом сварочного тока I Ug уменьшается (рис. 15, а).
Жёсткая – с ростом I Ug практически не изменяется (рис. 15, б).
Возрастающая – рост I вызывает увеличение Ug (рис.15, в).
Рис. 15. Вольт-амперные характеристики дуги: а – падающая; б – жёсткая; в – возрастающая
Падающие ВАХ имеют свободные малоамперные дуги, горящие в атмосфере воздуха и в среде аргона при токах от нескольких до 70-80 А. Причиной снижения напряжения на дуге является уменьшение длины столба дуги Uст. С ростом тока более интенсивно протекает ионизация газа столба дуги, проводимость столба дуги увеличивается, а площадь поперечного сечения столба дуги возрастает. Разности потенциалов в катодных и анодных областях практически не зависят от величины тока, а зависят только от физических условий, в которых существует дуга.
Жёсткую ВАХ имеют сварочные дуги с токами 80 А и выше при ручной дуговой и механизированной сварке под флюсом. С ростом сварочного тока увеличивается площадь столба дуги, в результате чего проводимость разрядного промежутка практически не изменяется. Увеличение тока с одновременным увеличением площади сечения столба дуги приводит к тому, что площадь плотности тока в столбе дуги и напряжённость электрического поля остаются постоянными.
При механизированной сварке под флюсом, когда диаметр электродной проволоки невелик, плотность тока в электроде несколько больше таковой при свободной малоамперной дуге, горящей в воздухе или в аргоне. Начиная примерно с 300-400 А и выше ВАХ дуги, горящей под флюсом, становится пологовозрастающей. На рис.15, б такая характеристика показана пунктиром.
И, наконец, когда требуемое для повышения силы тока количество заряженных частиц не может быть получено за счёт расширения столба (активное пятно занимает всю площадь электродной проволоки) и для увеличения их количества требуется повышенное напряжение, получается возрастающая ВАХ дуги.
Обычно падающая характеристика дуги наблюдается при сварке, если применяется плотность тока на электроде менее 10 А/мм2, жёсткая – 10-50 А/мм2, возрастающая – 50-200 А/мм2.
Внешней ВАХ источника питания дуги называется зависимость напряжения на зажимах источника от величины сварочного тока.
Источники питания дуги могут иметь следующие виды внешних характеристик (рис. 16):
– крутопадающую (1);
– пологопадающую (2);
– жёсткую (3).
Крутопадающая характеристика применяется для ручной дуговой сварки покрытыми электродами, пологопадающая – полуавтоматической и автоматической сварки плавящимися электродами с постоянной скоростью подачи сварочной проволоки в зону дуги.
Рис. 16. Виды внешних ВАХ источников питания дуги
Устойчивое горение дуги при сварке возможно при условии пересечения статической характеристики дуги с внешней характеристикой источника (Uдуги = Uист) в рабочей точке.
На рис. 17 показаны крутопадающая внешняя характеристика источника питания и пересекающиеся с ней три вольт-амперные характеристики дуги различных длин L1, L2, L3. Рабочая точка А соответствует месту пересечения внешней характеристики источника с характеристикой дуги.
Рис. 17. Пересечение крутопадающей внешней характеристики с характеристиками дуг длиной L1, L2, L3 (L1 > L2 > L3)
Во время горения дуги и переноса электродного металла на изделие длина дуги изменяется, вольт-амперная характеристика дуги меняет своё положение в интервале от В до С, вследствие чего будет изменяться значение напряжения и сварочного тока. Устойчивое горение дуги будет тогда, когда при случайном отключении от установившегося состояния (точка А) режим сварки быстро восстанавливается. Например, при случайном уменьшении длины дуги (точка С) ток возрастает до I3, электрод быстро оплавляется и восстанавливается прежняя длина дуги. Обратный процесс произойдёт при увеличении длины дуги (точка В).
Внешние характеристики источника тока называются статическими. Это означает, что они определяют конечное значение тока, измеренное при определённом напряжении, и не отражают закон изменения тока и напряжения в переходный период.