Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Источники питания сварочной дуги. Учебное пособие
.pdf
11
.RIU
стстст
ст
ст
ст
F
l
R
100
Теплота на катоде
Теплота на аноде
200
100
300
400
Iд, А
Тепловыделение, %
20
40
60
80
Рис. 1.2. Распределение теплоты между анодом и катодом
в вольфрамовых дугах в зависимости от величины тока Iд
1.1.2. Параметры сварочной дуги
Режим горения дуги характеризуется следующими параметрами:
величиной сварочного тока (Iд);
напряжением на дуге (Uд);
длиной дуги (lд).
Все три параметра взаимосвязаны, и при изменении одного из них меняют свое значение два остальных параметра.
Напряжение на дуге складывается из падения напряжения в катодной и
анодной зонах, а также в столбе дуги (см. рис. 1.1):
Uд = Uк + Uа +U
. (1.3)
ст
Величина падения напряжения в катодной и анодной области (Uк и Uа) в
основном определяется химическим составом электродной проволоки и свариваемого металла, и при заданном способе сварки ее можно принять постоянной:
Uа + Uк =а. (1.4)
Падение напряжения в столбе дуги (Uст) в соответствии с законом Ома для
участка электрической цепи (столба дуги) длиной lст запишем в виде:
(1.5)
Здесь
, (1.6)
12
где
ст
R
ст
F
ст
F
ст
F
ст
F
асткд
llll
д cm
ll
ст
дд
д
F
lI
aU
ст
F
b
F
I
ст
д
дд
blaU
tgb
акд
UUаU
- электрическое сопротивление столба;
- его удельное электросопротивление;
- площадь поперечного сечения столба.
В отличие от металлического проводника, у которого и F постоянны, в
дуге и
зависят от величины тока в дуге. При малом токе, когда концен-
трация заряженных частиц в столбе невелика, площадь сечения проводящего
канала
мала, а удельное сопротивление газового промежутка очень высо-
кое. С увеличением тока в дуге растет число заряженных частиц в столбе, т.е.
уменьшается
, а
- увеличивается и, как следствие, снижается электросо-
противление столба дуги.
Расстояние между электродами – длина дуги lд – складывается из длин
катодной и анодной областей и столба дуги (см. рис. 1.1):
. (1.7а)
Как уже отмечалось выше, длина приэлектродных областей (lк и lа) на 3 и более
порядков меньше длины столба дуги (lст), поэтому величинами lк и lа в формуле
(1.7а) можно пренебречь. Следовательно,
. (1.7б)
С учетом (1.4), (1.5), (1.6) и (1.7б) формула (1.3) примет вид
. (1.8)
При стабильном горении дуги ток (Iд), удельное электросопротивление
() и поперечное сечение (
) – величины постоянные, поэтому, приняв
, формулу (1.3) запишем в виде
. (1.9)
Таким образом, величина напряжения на дуге при стабильном ее горении
пропорциональна ее длине. Графически зависимость напряжения на дуге от ее
длины представляет собой прямую линию, где
(рис. 1.3).
При lд = 0 (короткое замыкание или момент отрыва электрода от сварива-
емого изделия при замыкании дуги)
. Угол наклона прямой ()
зависит от материала электродов и состава газовой среды в столбе дуги.
Величина сварочного тока и электросопротивление дуги зависят от коли-
чества заряженных частиц в столбе дуги (электронов, положительных и отрицательных ионов). Чем больше в единице объема столба дуги заряженных частиц, тем выше электропроводимость (обратная величина электрическому сопротивлению) дуги, тем выше величина тока Iд (при постоянной длине
lд = const).
13
lд а Uд
Степень ионизации, %
Rmin
Rд
Iд
0
25
50
75
100
Рис. 1.3. Зависимость напряжения на дуге от ее длины
Таким образом, электрическое сопротивление дуги, в отличие от посто-
янного сопротивления металлического проводника, зависит от концентрации
заряженных частиц и диаметра проводящего канала по оси дуги. При малой
степени ионизации дугового промежутка сечение проводящего канала мало и
поэтому электрическое сопротивление столба Rд очень большое, а величина тока Iд незначительна (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Влияние степени ионизации столба дуги на величину тока (Iд)
и электрическое сопротивление (Rд)
14
По мере возрастания концентрации заряженных частиц и сечения прово-
)I(fUдд
),I(fU
дд
ст
F
2
1
Iд
Uд
III
Механизированная
сварка под флюсом
II
Механизированная
сварка в СО2
Ручная сварка
покрытым
электродом
I
дящего канала электрическое сопротивление дуги уменьшается, а величина тока возрастает.
При высокой концентрации заряженных частиц, когда степень ионизации
газового промежутка приближается к 100 %, электрическое сопротивление дуги
снижается до постоянного значения R
, величина которого определяется хи-
min
мическим составом газовой среды (потенциалом ионизации), и дуга приобретает свойства металлического проводника (рис. 1.4 и 1.5).
1.1.3. Статическая вольтамперная характеристика дуги
Зависимость напряжения стабильно горящей дуги от величины ее тока
называется статической вольтамперной характеристикой дуги
(ВАХ). В переходном режиме (первоначальное или периодическое зажигание),
когда количество заряженных частиц в столбе дуги увеличивается в течение
определенного времени, зависимость напряжения от тока и времени
называется динамической вольтамперной характеристикой дуги.
В связи с описанными выше процессами принято считать, что дуга является нелинейным элементом электрической цепи, т.е. таким, у которого активное сопротивление не постоянно, а меняется с изменением величины тока, и
дуга имеет криволинейную статическую ВАХ (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Статическая вольтамперная характеристика дуги (1)
и металлического проводника (2)
На ВАХ дуги выделяют три участка: с падающей ВАХ (I); с жесткой (II) и
возрастающей (III) (см. рис.1.5).
В маломощных дугах (участок I) с ростом тока интенсивно увеличиваются диаметр катодного пятна dк и сечение столба дуги (
) (рис. 1.6). Это при-
водит к снижению электросопротивления дуги, уменьшению плотности тока и
15
напряжению Uд. Такая падающая характеристика наблюдается при сварке по-
321
III
дд
RI
эк
dd
ст
F
ст
U
д
U
2
ст
мм/А100I
д
l
э
d
dст
dэ
dк=dэ
dст - max
I2
dк<dэ
dст
lд
I1 dк<dэ
dст
dк
I3
dк
dк
крытыми электродами или неплавящимся вольфрамовым электродом.
Рис. 1.6. Изменение диаметров катодного пятна (dк) и столба дуги (dст)
при увеличении тока в дуге (Iд): dэ – диаметр электрода;
При дальнейшем росте тока пропорционально увеличиваются диаметр
катодного пятна и электропроводящего канала столба и, следовательно, увеличивается площадь сечения столба, а произведение
остается постоянным.
То есть напряжение дуги на участке II с ростом тока не меняется. ВАХ дуги на
участке II – жесткая, она характерна для механизированной сварки под флюсом. Граница между I и II участками при различных способах и условиях дуговой сварки (плавящийся или неплавящийся электрод, диаметр электродной
проволоки и др.) находится приблизительно в диапазоне 50-100 А.
Возрастающий участок III наблюдается при таком токе, когда дуга уже
заняла весь торец стержневого электрода (
площади сечения столба
затруднено. Поэтому с ростом тока пропорцио-
нально увеличивается его плотность и напряжение
напряжение дуги
. Возрастающая характеристика наблюдается при сварке на
), и дальнейшее увеличение
, а вместе с этим растет
высоких плотностях тока, когда применяется электродная проволока небольшого диаметра (1,2 – 2,0 мм) (механизированная сварка под флюсом и механизированная сварка плавящимся электродом в защитных газах, плазменная дуга).
Граница между II и III участками приблизительно соответствует плотности тока
ны дуги
.
Рассмотрим, как зависит положение статической характеристики от дли-
и диаметра электрода
. В соответствии с формулой (1.8) измене-
16
ние длины дуги приводит к изменению величины напряжения в столбе и, сле-
и
U
ди
II
)I(fUди
и
Z
и
E
)RZZ(IE
дприи
Uд
I
д
I
2
I1
dэ1<dэ2
dэ1
d
э2
l
д1
l
д2
lд3<lд1<lд2
l
д3
довательно, к изменению общего напряжения дуги. При увеличении длины дуги (с lд1 до lд2) вольтамперная характеристика смещается вверх и, наоборот,
уменьшение длины дуги приводит к смещению ВАХ вниз (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Зависимость ВАХ-дуги от ее длины и диаметра электрода:
lд – длина дуги; dэ – диаметр электрода;
I1 и I2 – граница между жесткой (участок I) и возрастающей (участок II)
ВАХ при диаметре электрода d1 и d2 соответственно
Изменение диаметра электрода отражается и на положении границы II-III
– между жесткими и возрастающими участками характеристики. Чем больше
диаметр электрода, тем при большей величине тока произойдет заполнение
торца электрода катодным пятном. При этом граница перехода от жесткого
участка характеристики к возрастающему сместится вправо (см. рис. 1.7 –
пунктирная линия).
1.1.4. Статические характеристики источников
Зависимость напряжения на клеммах источника (
), к которым подклю-
чается дуга (нагрузка), от величины тока в сварочной цепи (
) называется
внешней статической вольтамперной характеристикой источника:
. (1.10)
Электрическая цепь «источник-дуга» представляет собой единую энергетическую систему (рис. 1.8).
В этой системе источник с внутренним сопротивлением
тродвижущую силу
, которая расходуется на преодоление сопротивления
генерирует элек-
всех элементов системы: самого источника Zи, сварочных проводов Zпр и сварочной дуги Rд:
. (1.11)
17
ди
R,R
и
X
F
l
R
д
R
св
Z
иии
XRZ
Е
и=Ux
Iд
IдRи
Uд= IдRд
I
дХи
Е
и=Ux
Rд а 2 1 Xи
Eи
Rи
Uи
Uд
источник
Iд
IдRи
б
Uд= IдRд
в
Zпр
Рис. 1.8. Схема системы «источник-дуга» (а) и ее векторные диаграммы
для источника постоянного (б) и переменного тока (в);
1 и 2 – клеммы источника;
– активное сопротивление источника
и дуги;
– индуктивное сопротивление источника; Z
– сопротивление
пр
сварочных проводов
Всякая электрическая цепь представляет собой электросопротивление Z,
складывающееся из активной R и индуктивной Х составляющих:
Z = R + X . (1.12)
Металлический проводник обладает активным сопротивлением, величина
которого зависит от материала проводника – удельного электросопротивления
(ρ), его длины (l) и площади поперечного сечения:
.
Если в цепь подается переменное (по величине или направлению) напря-
жение, то вокруг проводника возникает переменное магнитное поле, генерирующее в проводнике ток самоиндукции. Этот ток направлен противоположно к
основному току, поэтому в цепи с переменным напряжением возникает индуктивное сопротивление Х, и полное сопротивление сварочной цепи описывается формулой (1.12).
В цепи постоянного тока, когда напряжение меняется только в момент
включения или выключения подачи энергии, в установившийся период самоиндукция отсутствует и цепь представляет собой только активное сопротивление (Z = R).
Сварочная дуга также обладает только активным сопротивлением
.
Полное электрическое сопротивление сварочной цепи
складывается из
внутреннего сопротивления источника (сопротивление обмоток трансформатора, генератора или сопротивление выпрямительного блока –
), со-
18
противления дуги
д
R
прпрпр
XRZ
дпрприисв
RХRХRZ
)RXXR(IE
дпри
и
д
и
0XR
прпр
иии
XRZ
дид
д
и
д
x
и
UZI)RZ(IUE
ддид
x
и
RIXIUE
ддxи
RIUE
xии
UUE
ид
ZI
дд
RI
)RZ(IUU
ди
дxи
и сопротивления проводов, соединяющих источник с ду-
гой –
:
. (1.13)
В последовательно соединенной цепи системы «источник-дуга» протекает общий для источника и дуги сварочный ток Iд, поэтому уравнение (1.11) с
учетом (1.13) в векторной форме принимает следующий вид
. (1.14)
На внешних клеммах источника «1» и «2» (см. рис. 1.8, а) электродвижущая сила Еи примерно равна напряжению холостого хода источника: Еи Ux.
Если пренебречь сопротивлением проводов (
сопротивление источника обозначить как
, то формула (1.14)
), а внутреннее
примет вид
. (1.15)
При сварке на переменном токе электродвижущая сила источника затра-
чивается на преодоление индуктивного сопротивления его обмоток (Хи) и на
питание сварочной дуги (см. рис. 1.8, в):
. (1.16)
Электродвижущая сила источника постоянного тока в основном отдается
сварочной дуге, так как индуктивное сопротивление источника в этом случае
равно нулю (Хи=0), а активное сопротивление обмоток, изготовляемых из меди
или алюминия с высокой электропроводностью, мало, поэтому
. (1.17)
Уравнения (1.16) и (1.17) являются статическими вольт-амперными ха-
рактеристиками источников питания дуги при сварке на переменном и посто-
янном токах соответственно.
1.1.5. Режимы работы источника
В процессе сварки источник работает на трех режимах: холостой ход,
сварка и короткое замыкание.
При холостом ходе дуга не горит, ток в сварочной цепи отсутствует (Iд=
0). В этом случае напряжение на клеммах источника максимально:
, и называется напряжением холостого хода (Uх).
При сварке в сварочной цепи идет ток Iд, а напряжение на клеммах источника станет ниже, чем при холостом ходе на величину падения напряжения
внутри источника (
) и на дуге (
)
. (1.18)
19
С учетом (1.16) и (1.17) статические характеристики источников в ска-
)
RX
(
I
U
U
2
д
2
и
2
д
2
x
и
ддxи
RIUU
0UU
ди
kи
x
кз
RX
U
I
k
x
кз
R
U
I
k
R
б
x
кз
R
U
I
0
I
U
и
0
I
U
и
2
3
Iд
Iк
Uх
Uи 3 2 1 Uи=f(Iд)
Uд
лярной форме примут следующий вид:
- для источника переменного тока
- для источника постоянного тока (Хи = 0)
; (1.19)
. (1.20)
При коротком замыкании напряжение на дуге и на клеммах источника
равно нулю (
), а по цепи идет ток короткого замыкания (Iкз). В соот-
ветствии с (1.19) и (1.20) ток короткого замыкания для цепи переменного тока
будет равен
, а для цепи постоянного тока
,
где Rk – электросопротивление контакта электрод-деталь.
Таким образом, при сварке на переменном токе, ток короткого замыкания
ограничен величиной индуктивного сопротивления источника (Хи), а при сварке
на постоянном токе – величиной сопротивления в контакте электрод-деталь.
Так как при коротком замыкании сопротивление в дуговом промежутке мало
(
0), ток в сварочной цепи в этом случае неограниченно возрастает. Для
ограничения тока короткого замыкания в цепь постоянного тока включают добавочное (балластное) активное сопротивление Rб, тогда
.
Графическое изображение статической вольт-амперной характеристики
источника представлено на рис. 1.9. Точка «1» характеризует режим холостого
хода, точка «2» – режим сварки, точка «3» – режим короткого замыкания.
Рис. 1.9. Статическая внешняя вольтамперная характеристика источника
По типу внешних статических ВАХ все источники можно разделить на
источники с падающей (
), жесткой (
) и возрастающей характе-
ристиками. В общем случае характеристика источника нелинейна и угол накло-
20
на характеристики к оси тока, например в точках «3» и «2» (
и
tg
1
2
и<0,07 В/А
падающие
Uи Iд
Iд
Uи
и = + 0,1 – 0,07 В/А
жесткие
3
и
), разный
2
(см. рис. 1.9). Для удобства определения типа ВАХ источника ее приближенно
принимают прямолинейной (рис. 1.10). Тангенс угла наклона линейной характеристики (
) – величина постоянная и называется дифференциальным
сопротивлением источника. Стандартом ГОСТ Р МЭК 60974-1-2004 характе-
ристики делятся на следующие:
- жесткие (
= +0,1…-0,07 В/А) и
и
- падающие ( < - 0,07 В/А).
Рис. 1.10. Вольтамперные характеристики источников
1.1.6. Динамические свойства источника
В процессе сварки происходят случайные неуправляемые или управляе-
мые перерывы в горении дуги. К случайным неуправляемым перерывам отно-
сятся: короткое замыкание электродом или расплавленным электродным металлом, обрыв дуги из-за чрезмерного удлинения дуги и др. Управляемые пере-
рывы в горении дуги применяют для регулирования объема сварочной ванны,
скорости кристаллизации и охлаждения металла шва и околошовной зоны и т.п.
(при импульсно-дуговой сварке, когда дозируется время горения и перерывов
дуги).
При обрыве дуги и восстановлении ее стационарного горения параметры
системы «источник-дуга» (напряжение Uд и ток Iд) восстанавливаются не сразу,
а через некоторое время. Этот процесс восстановления системы называется пе-
реходным.
Рассмотрим осциллограмму тока при переходе такой системы от режима
холостого хода к короткому замыканию, а затем к режиму стабильного горения
дуги (рис. 1.11).
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]