4.1.2. Збудження дуги безконтактним способом

Особливістю зварювання неплавким електродом є небажаність збудження дуги прямим його контактування із виробом. Напруга неробочого ходу таких джерел (60…100В) недостатня для електричного пробою газового проміжку між електродом і виробом.

Для утворення у дуговому проміжку вільних носіїв електрики необхідний короткочасний імпульс великої пробивної напруги достатній для початкового іскрового розряду з подальшим його розвитком у дуговий.

Такий розряд створюється додатковими пристроями джерела, як осцилятор, імпульсний збуджувач і стабілізатор горіння дуги або їх комбінацією в одному функціональному вузлі, а також стабілізаторами горіння дуги резонансного типу

У зварюванні використовують, за схемою увімкнення відносно дугового проміжку, осцилятори двох типів: а) паралельні; б) послідовні (рис. 28 а,б).

За електричною схемою осцилятор являє генератор згасаючих коливань (час згасання 2мс) високої частоти (0,1…3МГц) напругою 2…20КВ. Осцилятори застосовують у джерелах постійного струму (початкове збудження дуги; можливе підтримування дуги і в часі зварювання при коливаннях довжини дугового проміжку) та у джерелах змінного струму – поновне збудження дуги після зміни полярності дугового струму при зварюванні неплавким електродом.

В осциляторі паралельної дії (рис. 28 а) розв’язуючий трансформатор промислової частоти Т₁ живлений від мережі через подвоєний відносно землі П- подібний мережевий фільтр навантажений на коливний контур резонансної напруги. Контур складається з ємності С_к , первинної обмотки підвищую чого трансформатора Т₂ та розрядника газо пробивного типу F.

При резонансі напруг реактивні ємність С_к та приведена до резонансного контуру індуктивність L_T взаємно компенсуються за спадом напруги на них, а струм у контурі визначається лише умовами досягнення дійсного резонансу.

Струм контуру становить , (63)

де ; - резонансна частота контуру; r – активний опір контуру. Напруга на ємності та індуктивності становлять , (64)

де - характерний параметр контуру (65)

а)

б)

Рис. 28. Типові схеми електричні принципові осциляторів: а) паралельні; б) послідовні. (пояснення у тексті).

Звідси витікає, що напруга на ємності та індуктивності буде тим більшою, чим менше значення параметру m., тобто менше відносне значення опору ланцюга.

При зростанні напруги на вторинній обмотці трансформатора Т₁ (рис.28а) конденсатор С_к заряджається за півперіод до амплітудного її значення з накопиченням енергії в електричному полі . При перевищенні напруги пробою на розряднику F коливний контур замикається і в ньому починає протікати струм .

Якщо умова строго резонансу не виконується, тобто для будь якої частоти не характерне відношення () де к – числовий коефіцієнт, дійсне значення струму у такому коливному контурі, а значить і струму осциляції у дуговому проміжку, приведеного через коефіцієнт трансформації трансформатора Т₂, буде становити

(66)

При протіканні струму енергія електричного поля конденсатора, з урахуванням втрат на активних опорах коливного контуру трансформується у магнітну енергію індуктивності . У контурі виникає коливний процес енергетичного обміну, що в умовах неповного резонансу можна оцінити за дійсними значеннями напруг на ємності та індуктивності

(67)

Практично можна вважати, що переважаюча частина активного опору зосереджена на трансформаторі Т₂, то дійсна реактансна напруга на його первинній обмотці становить

(68)

При розрахунку конструктивних параметрів коливного контуру слід виходити з наперед прийнятої умови повного резонансу: досягнення повних напруг на ємності та індуктивності, коли числовий коефіцієнт к становить

(69)

З (69) витікає, що індуктивність та ємність мають максимум напруги при різних частотах, проте відносне значення таких частот має відповідати умові

(70)

З (68,69) витікає, що чим менша величина характеристичного параметру m коливного контуру осцилятора, тобто , тим більшими будуть значення напруг на ємності та індуктивності. Конструктивно важливо мінімізувати величину параметру m, що дозволить виконати умову однаковості напруг приблизно на одній частоті , де - числовий коефіцієнт, який відповідає вищезазначеній умові.

У осциляторах досягнути умови повного резонансу не можливо, максимальну енергетичну високочастотну віддачу коливного контуру у дуговий проміжок можна за рахунок регулювання зазору у пробійнику F, який, у даному випадку, є нелінійним активним опором.

Для захисту джерела від високочастотної складової осцилюючого розряду використовується Г- подібний фільтр L_фС_ф (якщо власна індуктивність джерела є значною, то достатньо встановити тільки ємнісну складову фільтра). Прохідні ємності С_з разом з вторинною обмоткою трансформатора Т₂ утворюють фільтр низькочастотної складової розряду, що убезпечує роботу оператора – зварника.

Суттєвим недоліком осцилятора паралельного типу є чутливість до режиму короткого замикання електроду на виріб.

Осцилятор послідовного типу (рис.28б) дозволяє увімкнення індуктивності коливного контуру послідовно з дуговим проміжком, що робить такий осцилятор мало чутливим до режиму короткого замикання, проте при конструктивному рішенні L – індуктивності такого коливного контуру слід враховувати, що індуктивність одночасно комутує зварювальний струм. Для використання осцилятора у високострумових джерелах дана індуктивність виконується за паралельним з’єднанням її елементів.

4.2. збудження та підтримування стабільного горіння дуги змінного струму

4.2.1. Імпульсні збуджувачі – стабілізатори дуги

При зварюванні на змінному струмі крім початкового збудження дугового розряду виникає необхідність повного його поновлення в умовах залишкової іонізації дугового проміжку в момент переходу напруги джерела через фазовий нуль.

а) б)

Рис. 29. Схема зовнішньої електричної комутації стабілізатора (а) та осцилограми стабілізуючих імпульсів та напруги джерела (б): а) 1 – стабілізатор; 2 – зварювальне джерело; 3 – електрод; 4 – виріб; б) 1- імпульс стабілізації; 2 – напруга на виході джерела.

Надійно реалізувати процес подальшого горіння дуги у такому випадку дозволяють імпульсні збуджувачі дуги, що генерують синхронізовані з частотою напруги джерела високочастотні імпульси підвищеної напруги (200…300В) у момент зміни полярності е.р.с. е_дж (рис. 29) при стандартній напрузі неробочого ходу джерела.

Імпульсні стабілізатори більш стійкі у роботі ніж осцилятори, не створюють радіоперешкод, проте невисокий рівень амплітуди напруги імпульсу не гарантує строгого запалювання дуги без торкання електроду з виробом. Тому для використання їх при дуговому зварюванні неплавким електродом слід передбачати і наявність осцилятора (первинне запалювання дуги), а функцію її підтримування виконує стабілізатор.

Можливість обійтися без осцилятора дозволяють збуджувачі – стабілізатори горіння дуги (рис.30), які працюють у резонансно – діодному режимі, що дозволяє отримати на накопичувальному конденсаторі напругу, яка у 5-6 разів перевищує напругу окремого джерела постійного струму (ДПС).

Рис. 30. Схема електрична принципова збуджувача – стабілізатора горіння дуги.

Збуджувач – стабілізатор живиться від мережі паралельно із зварювальним джерелом (трансформатор Т₁) і синхронізований напругою на його вторинній обмотці. Накопичувальний конденсатор С₃ заряджається від додаткового джерела постійного струму (ДПС) через діод VD₁ і зарядний дросель L₁. Після закінчення заряду на конденсаторі встановлюється подвійна напруга ДПС (завдяки великій індуктивності зарядного дроселя L₁). При переведенні тиристора VS₁ у відкритий стан відбувається резонансний розряд накопичувального конденсатора С₃ на первинну обмотку високочастотного трансформатора Т₂, магнітопровід якого виконаний з фериту. Завдяки цьому контур розряду ємності володіє високою добротністю, що забезпечує перезаряд С₃ до практично подвійної зворотної напруги. Таким чином, при наступному циклі заряду ємності зарядний струм вже бути визначатися сумою напруг: напруга ДПС і узгодженою із нею напругою на С₃. Відбувається циклічне нарощування напруги на ємності і із урахуванням втрат на активних опорах заряд – розрядного ланцюга конденсатора С₃ кінцева напруга на ньому сягне 4-5 значень напруги ДПС.

Генерація імпульсів у дуговому проміжку протікає з частотою 100Гц, в той час як релаксація напруги на С₃ відбувається протягом одного півперіода напруги мережі живлення. Власна частота коливань контуру становить 20КГц; розрядний струм має sin – форму.

Синхронізація роботи пристрою з напругою на виході зварювального трансформатора на всіх режимах роботи здійснюється транзисторно – діодними парами (VD₄- VD₇, VT₂ – VT₃). потенціометр R₁₂ дозволяє зміщувати момент подавання імпульсу відносно фазового нуля шляхом подавання напруги раз узгодження на інвертований вхід м/с DA₁. Сигнал розбалансу з виходу м/с є напругою бази транзистора VT₁. Емітерний струм VT₁ завдає струм оптотрону VS₂, який через подільник напруги R₁- R₂ комутує ємність С₄ із електродом керування тиристора VS₁.

Використання потужної накопичувальної ємності дозволяють створити простіші імпульсні стабілізатори горіння дуги (рис. 31) без вимоги забезпечення схемою резонансу напруг, як вказано вище.

Рис. 31. Схема електрична принципова імпульсного стабілізатора горіння дуги.

Такий пристрій являє собою імпульсний генератор з амплітудою вихідної напруги 600…1000В, піковим струмом 60…80А тривалістю 60…80мкс і тактом імпульсів 50Гц. Заряд потужної накопичувальної ємності С_н відбувається через діод V₁ обмежуючий резистор R_обм від підвищуючої обмотки трансформатора T (напруга U_ab). Діод V₁ не дозволяє розряду конденсатора С_н на обмотку трансформатора, коли її напруга стає меншою за U_ab. При подаванні на електрод керування тиристора V₂, синхронізованого з напругою фази мережі, імпульсу керування відбувається розряд ємності на дуговий проміжок між електродом та виробом через баластний резистор R_бал. Перехід тиристора у режим ключа забезпечується позитивним потенціалом на його аноді відносно катоду, а закривання після повного розряду ємності на дуговий проміжок.

Забезпечити 100Гц імпульсну стабілізацію горіння дуги дозволяє схема двотактного стабілізатора (рис.32), кожне плече якого катодною напругою тиристорів VS₁, VS₂ синхронізоване з фазою напруги зварювального джерела.

Подавання керуючого сигналу на тиристорні ключові елементи у вищенаведених схемах може бути забезпечене зворотним зв’язком за напругою або струмом дугового проміжку (рис.33), що дозволяє змінювати параметри та момент подавання імпульсу в залежності від технологічних умов процесу зварювання.

Рис.32. Схема електрична принципова двотактного імпульсного стабілізатора горіння дуги змінного струму.

а) б)

Рис.33. Зворотні зв’язки для керування ключовим елементами стабілізації режиму горіння дуги: а) за напругою на дузі; б) за дуговим струмом: БК – блок керування ключовими елементами; ЗП – зарядний пристрій.