1.4.2. Дуга змінного струму між електродами з різних матеріалів

при зварюванні у середовищі інертних газів неплавким електродом умови стаціонарності горіння дуги у кожному півперіоді змінної напруги джерела, як продемонстровано вище, коректні лише при однаковості матеріалу електродів. Проте при різних матеріалах, наприклад вольфрам та алюміній, спостерігаються різко відмінні за величиною електричні параметри дугового розряду.

Хоча робота виходу для таких матеріалів практично однакова (φ_Al= 4.25еВ, φ_W= 4,54еВ), а потенціали іонізації становлять е_Al= 5,984еВ, е_W= 7,98еВ, проте їх термоелектронна емісія, розрахована за Річардсоном – Дешманом

, (15)

де , - ефективна робота виходу емітера; - усереднений коефіцієнт відбиття електронів від потенційного бар’єру; ; К – постійна Больцмана і становить для вольфраму 14 А/см² і алюмінію лише 10^-3…10^-2 А/см² (без урахування впливу плівки оксиду алюмінію). Це викликає значну асиметрію струму та напруги дуги (рис. 10).

Рис. 10. Залежність напруги та струму дуги від фази полярності електрода: Пр – пряма полярність (емітер –катод вольфрам); ЗВОР – зворотна полярність (емітер –катод алюміній).

У фазі прямої полярності спостерігається значний дуговий струм забезпечений потужною термоемісійною здатністю вольфраму при незначній напрузі стійкого запалювання дуги u_пв = 10В. У фазі зворотної полярності стійке поновлення дуги вимагає напруги u_пв = 200В, а спад напруги на дузі u_д становить 20В при дуговому струмі І_д = І_ЗВОР = 20…50% І_ПР. Відповідно у зварювальному ланцюзі виникає постійна складова струму І_ПОСТ фази прямої полярності, який негативно впливає на зварювальне джерело, викликаючи постійне підмагнічування осердя трансформатора і вимагає додаткових конструкторських рішень у проектуванні зварювальних джерел для компенсації постійної складової струму.

1.4.3. Природно поновлена дуга змінного струму

Зменшення часу t_п та надійний поновний процес формування дугового розряду може бути забезпечений такими підходами: 1. Зменшення напруги поновного запалювання дуги u_пв за рахунок зміни фізично – хімічних властивостей між електродного проміжку (хімічні елементи з низьким потенціалом іонізації, зменшення тиску газового середовища інше); 2. Збільшення амплітудного значення напруги неробочого ходу джерела U₂₀ (рис.11) відповідно до відношення

(16)

Рис. 11.Способи зменшення часу t_п переривання горіння дуги: а) збільшення амплітуди вторинної напруги джерела (U_2m , U'_2m); б) збільшення частоти вторинної напруги джерела (f, f').

3. Збільшення частоти електрорушійної сили джерела (рис.11.б). Встановлено, що стійкість горіння дуги забезпечується при частоті ; 4. Застосування додаткових конструктивних блоків джерел живлення, а саме: осцилятори та імпульсні стабілізатори горіння дуги; 5. Увімкнення у зварювальний ланцюг лінійної індуктивності (рис. 12).

Рис. 12. Схема електрична принципова зварювального ланцюга з лінійно увімкненою котушкою індуктивності L (- резистивний опір котушки): е₂ ,е_2р, е_L – е.р.с. відповідно вторинної обмотки, розсіяння вторинної обмотки, індуктивності; R R₂ – активні опори відповідно обмотки дроселя (індуктивності), вторинної обмотки джерела; U_R U₁ U₂ U_Н U_д спад напруги відповідно на обмотці дроселя, на вході джерела (напруга живлення), на виході джерела, на активному опорі обмотки дроселя та дузі; ω_К – витки дроселя.

Електричні процеси, що протікають у такому ланцюзі можуть бути коректно описані за таких умов: а) ланцюг є лінійним; б) зварювальна дуга, що є дійсно нелінійним опором провідності замінюється лінійним резистивним опором _д. тоді при проходженні через котушку індуктивності дугового струму і₂ = і_д (він же струм джерела), реактансний опір якої складається з активного опору її витків та їх індуктивного опору L на витках котушки W_к наводиться магніторушійна сила (м.р.с) , яка породжує в осерді магнітопроводу такої котушки змінний магнітний потік. Такий потік зчіплюється з витками котушки та наводить е.р.с. самоіндукції.

Сума електрорушійних сил вторинної обмотки джерела змінного струму, яка складається з е₂ та е.р.с. розсіяння цієї обмотки е_2р і е.р.с. самоіндукції котушки індуктивності е_L, будуть врівноважені спадом напруги на дузі (у даній схемі на лінійному опорі _д), а також спадом напруг на обмотці джерела _дж· і₂ та спадом напруги на обмотці котушки · і₂

, (17)

де - спад напруги на дузі.

Далі приймається: 1. Спад напруги на активному опорі вторинної обмотки джерела значно менший за е.р.с. такої обмотки ( ), тут - активний опір витків вторинної обмотки; 2. Закони зміни дугового струму та напруги на дузі становлять

при початковій фазі струму φ=0 (18)

3. Кут зсуву між біжучими значеннями струму та напруги становить

, (19)

де - індуктивний опір котушки.

4. Практично для всіх зварювальних джерел виконується умова, що активний та індуктивний опори джерела значно менші за індуктивний опір послідовно увімкненої у зварювальний ланцюг котушки індуктивності (_дж≤ ; ≤ ).

Тоді (17) можна привести до вигляду

, (20)

де .

З урахуванням (17,18) баланс напруг джерела та дуги становить

(21)

Звідси можна зробити висновок, що напруга на дуговому проміжку визначається сумою двох е.р.с. – джерела та індуктивності котушки

(22)

Зміна електричних параметрів зварювального ланцюга наведена на рис. 13.

Аналіз електричних процесів у такому ланцюзі демонструє наступне: 1. При зростанні дугового струму і₂ після проходження його фазового нуля у магнітному полі котушки індуктивності накопичується енергія; 2. при зменшенні спаду напруги на дузі та, відповідно, дугового струму, зменшення магнітного потоку у магнітопроводі котушки викликає у її обмотці W_к е.р.с. самоіндукції ; 3. Ця е.р.с. шумується зі спадаючою (за абсолютною величиною) напругою джерела чим продовжує підтримувати різницю потенціалів на дуговому проміжку; 4. Різниця потенціалів забезпечує необхідну напруженість електричного поля дуги, що є достатнім для підтримування дугового струму і₂; 5. При зменшенні напруги джерела до нуля процес дугового розряду продовжується за рахунок накопиченої енергії магнітного поля котушки індуктивності; 6. Дуговий струм і₂ відстає за фазою від напруги джерела на кут φ.

Рис.13. Часова зміна миттєвих значень електричних параметрів зварювального ланцюга з лінійно увімкненою індуктивністю.

Вищевикладене дозволяє безперервне горіння дуги змінного струму (t_п→0), якщо виконуються умови або у загальному випадку: амплітуда спаду напруги на індуктивності повинна бути не меншою за напругу поновного відновлення дуги u_пв.