Джерела нагрівання та

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

ОСОБЛИВОСТІ ГОРІННЯ ДУГИ ЗМІННОГО СТРУМУ

Живлення зварювальної дуги електричною енергією є складна й важка в практичній реалізації задача. З одного боку, дуга, як саморегульований процес, потребує для свого існування невичерпного і необмеженого постачання енергії, з іншого боку, таку благодать не здатне забезпечити жодне реальне джерело електричного живлення. Можливі компроміси шукають на різних шляхах і, як показав досвід, один з найефективніших з них в плані здешевлення ресурсів, економного використання енергії та мінімізації матеріалоємності самого джерела живлення − це використання змінного струму промислової частоти. В цьому випадку джерело живлення дуги являє собою тільки понижуючий трансформатор з можливістю роботи в режимі коротких замикань (спадаюча вольт-амперна характеристика). Конструкція, яка містить в собі тільки обмотки з мідних дротів, намотані на потужну серцевину з трансформаторної сталі, здатна надійно працювати сотні років, забезпечуючи коефіцієнт корисної дії 80…90% і має вартість в 2…4 рази нижчу від випрямляча, який хоча й може живити дугу постійним струмом, але має набагато нижчу надійність і ККД не більше 60%.

Тому вже на початку промислового застосування зварювальних технологій науковці та інженери докладали зусиль по застосуванню живлення дуги змінним струмом. Але зіткнулись на цьому шляху з гнітючим явищем низької стабільності процесу: або дугу неможливо було запалити, або ж вона переривалась відразу після запалювання, або погасала спонтанно в самі непередбачувані моменти. Очевидно, є такі особливості дуги змінного струму, які приводять до цих сумних наслідків.

Змінний струм промислової частоти являє собою синусоїдальні коливання напруги частотою 50 герц (в Європі та Азії). Це означає, що відповідно до закону гармонічних коливань напруга періодично змінюється від нуля до максимального значення, при цьому двічі за період змінюючи по-

131

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

лярність ( ±U х.х. ). Тепер згадаємо розглянутий в попередніх розділах вивід вольт-амперної характеристики дуги - там ніде не зустрічається напруга, яка від джерела живлення приходить до дуги.

Справді, найпростіша з можливих, форма запису вольт-амперної характеристики дуги: U д = a + bLд

де: a - сума катодного і анодного падінь напруги; Lд - довжина дуги. b - коефіцієнт, який залежить від властивостей газів дугового

проміжку; Таким чином, напруга, при якій горить дуга, є властивість даної дуги і

вона теоретично ніяк не залежить від електричних властивостей джерела живлення. В той же час напруга джерела живлення, як показувалось вище, може приймати значення від нуля до напруги холостого ходу ( + U х.х. ) і в наступному напівперіоді знов від нуля до напруги холостого ходу, але в оберненій полярності ( - U х.х. ). Ця колізія вирішується дуже просто: дуга може горіти тільки в ті проміжки часу, коли поточне значення напруги джерела живлення U (за своєю абсолютною величною U ) в своїх колива-

льних змінах рівне, або більше за напругу горіння дуги (Uд) і не може го-

ріти, коли ця умова не виконується. Тобто, для можливості існування ду-

гового розряду повинна виконуватись умова: U ³ Uд .

Розглянемо ці суперечності на деяких прикладах:

Пік запалювання дуги

Нижче наведено осцилограми (залежності від часу t ) напруги U = f (t ) і струму I = f (t ) в дузі при горінні дуги в повітрі між графітови-

ми (вугільними) електродами. При цьому електричною енергією дугу забезпечує джерело живлення змінного струму промислової частоти 50 Гц з напругою холостого ходу ±U х.х. .

132

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Припустимо, нехай дуга горить (проміжок часу t1 → t2 ). В цей час напруга холостого ходу джерела живлення перевищує необхідну для горіння дуги, дуговий процес можливий, і він справді відбувається. Але, в момент часу t2 напруга від джере-

ла живлення стає рівною, а потім і меншою за необхідну. Дуговий процес стає неможливим, струм в дузі від-

сутній ( I = 0 ). Дуга не зможе горіти аж до моменту часу t3 в наступному напівперіоді. Здавалося б, вона могла б загорітись раніше (в момент часу t? ), коли наступила рівність напруги холостого ходу і напруги, необхідної для горіння дуги. Але, поки дуга не горіла (в проміжок часу t2 → t3 ) в ній не виділялась теплота. В той же час відбувались процеси дифузії розпеченого газу та заряджених часток в навколишній простір, рекомбінація іонів; зменшилась температура дуги. Все це призвело до погіршення провідності газів дугового проміжку і тому дуга загориться пізніше (в момент часу t3 ),

коли напруга холостого ходу значно перевищить (за абсолютною величиною) напругу горіння дуги. Але, коли дуговий процес відновиться, напруга на дузі негайно стане такою, якою її визначає ВАХ дуги: U д = a + bLд.

Такий самий процес мав місце і на початку першого напівперіоду ( t? → t1 ) і буде на початку кожного наступного напівперіоду, незалежно від полярності.

Таким чином, при горінні дуги змінного струму, такі найголовніші особливості дошкуляють зварникам:

− в кожному напівперіоді напруга змінює полярність +U х.х. , −U х.х. ;

133

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

−двічі за кожний період дуга погасає і запалюється знову;

−на початку кожного напівперіоду в момент відновлення дугового процесу спостерігається імпульс напруги, який носить спеціальну на-

зву − пік запалювання дуги.

Очевидно, що чим більша величина піка запалювання, тим менш стабільною буде дуга і тим більші проміжки часу вона не буде горіти. І якщо з погасанням і повторним запалюванням дуги, при живленні її змінним струмом, боротись принципово неможливо, то шкідливий вплив піка запалювання на стабільність дугового процесу можна ослабити підвищенням напруги холостого ходу джерела живлення, або додаванням в газову фазу дуги компонентів з низьким потенціалом іонізації (натрій, калій, кальцій,

ін.).

Вентильний ефект

Періодична зміна полярності живильної напруги теж має свої негативні наслідки. Наступний рисунок показує подібні до попередніх осцилограми напруги й струму при горінні дуги в повітрі, але між електродами з графіту й сталі. Зміна полярності живильної напруги в кожному напівперіоді призво-

дить до того, що катод і анод поперемінно міняються місцями. Тобто, го-

ловні носії електрики в дузі − електрони, постачаються в дугу в різні напівперіоди різними катодами: то графітом, то залізом. Але, ці матеріали емітують електрони за різними механізмами: графіт − «гарячий» катод

(термоелектронна емісія), сталь − «холодний» катод (лавиноподібна авто-

134

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

електронна емісія). Відповідно, буде значна різниця в кількості електронів, які потрапляють в дугу в різні напівперіоди, різною буде провідність дугового проміжку і, як наслідок, різним буде падіння напруги на дузі в усі позитивні (Uд) і в усі негативні (Uд′ ) напівперіоди. Різним буде й струм, який проходить через дугу в різні напівперіоди: якщо провідність дуги краща, то падіння напруги менше, а струм більший, і навпаки, якщо провідність дуги гірша, то падіння напруги більше, а струм менший.

Така несиметрія напруги та струму в дузі в різні напівперіоди призво-

дить до того, що в електричному колі «дуга ↔ джерело живлення» весь час горіння дуги існує деяка постійна складова напруги ( U ) і циркулює деякий постійний струм ( I ). Цей постійний (симетруючий) струм у випадку сильних відмінностей в емісії електронів матеріалами, між якими горить дуга, буває досить значним (сотні ампер) і іноді може вивести з ладу джерело живлення.

Явище появи в змінному струмі постійної складової носить спеціальну назву: вентильний ефект (в старі часи випрямляч струму називався ‘вентиль’). Слід відзначити, що несиметрія струму та напруги при живлен-

ні дуги змінним струмом − вентильний ефект − завжди присутні, в тій чи іншій мірі, бо електрод і зварювальна ванна завжди існують в різних умовах і по різному емітують електрони в дугу. Наприклад, температура краплі на торці електрода буває часто рівною температурі кипіння матеріалу електрода, а температура ванни тільки в незначній мірі перевищує температуру плавлення зварюваного матеріалу (для сталі це 3013К і 1760К). Це ставить вимогу до конструкції джерела живлення дуги змінним струмом: воно обов’язково повинно бути спроможне проводити постійний струм (10…20% від робочого струму).

Вентильний ефект буває настільки значним, що в одному з напівпері-

135

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

одів дуга може погасати взагалі і струм через неї не проходить. Наприклад, в тому випадку, коли поверхня одного з електродів, між якими горить дуга, вкрита домішками, які заважають виходу електронів, або унеможливлюють його взагалі.

Наведена тут осцилограма ілюструє процес горіння дуги в повітрі між графітовим та алюмінієвим електродом. Кисень, який є в повітрі, окислює алюміній, утворюючи на його поверхні плівку оксиду Al2O3 .

Це досить стійка при високій температурі сполука, яка не проводить електричний струм. Таким чином, в ті

напівперіоди, коли катодом повинен служити алюміній, емісія електронів стає неможливою і струм через дугу не проходить. Падіння напруги на дузі в цьому випадку немає (спостерігається напруга холостого ходу джерела живлення) і струм дорівнює нулю.

Погасання дуги триває час дещо довший за тривалість напівперіоду: додається час, який дуга не горить в протилежному напівперіоді, коли U < U д . Струм протікає через дугу тільки в ті напівперіоди, коли катодом служить матеріал, здатний постачати в дугу електрони, в даному випадку − графіт.

Але поновлення дугового процесу в ці напівперіоди супроводжується піком запалювання, величина якого може досягати іноді напруги холостого ходу джерела живлення (дуга надто довго не горіла, температура стовпа дуги значно зменшилась). Дуговий процес в цьому випадку вкрай нестабільний і може часто самочинно перериватися.

Складності в подоланні несиметричності напруги та струму в дузі, які

136

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

залежать від багатьох, часто важкопрогнозованих, причин, привели конструкторів джерел живлення дуги до створення приладів, які забезпечують дугу електрикою у вигляді різнополярних імпульсів, причому, параметри імпульсів кожної полярності регулюються окремо.

Осцилограми коротких замикань при переносі електродного металу

Дугове зварювання плавким електродом у більшості випадків супроводжується крапельним переносом електродного металу. При ручному дуговому зварюванні покритим електродом перехід краплі з електрода у зварювальну ванну часто відбувається з коротким замиканням дугового проміжку. При короткому замиканні напруга на дузі стає майже рівною нулю, а струм досягає максимального можливого в даному електричному колі значення.

Наступний рисунок показує такі моменти коротких замикань при переході крапель електродного матеріалу з електрода в зварювальну ванну. Після перетікання краплі дуговий процес стабільно відновлюється. Таким чином, короткі замикання не є джерелом якоїсь особливої нестабільності дуги

змінного струму, але збільшення струму в колі дуги під час короткого замикання може сягати значних величин, якщо не вжиті спеціальні заходи по його обмеженню. Головною причиною нестабільності горіння дуги змінного струму є, все ж таки. періодичні (з частотою електромережі) погасання і повторні запалювання дуги, які визначаються величиною і тривалістю піка запалювання.

137

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

МАГНІТОГІДРОДИНАМІЧНІ ЯВИЩА В ЗВАРЮВАЛЬНІЙ ДУЗІ

Відомо з фізики, що на провідник зі струмом, який знаходиться в магнітному полі діє сила Лоренца (вона називається ще іноді пондеромоторна сила), напрямок дії якої визначається за правилом Ампера (правило лівої руки, див. рис.) Величину цієї сили визначають із

B– магнітна індукція: B = m × H ;

μ– магнітна проникність;

H– напруженість магнітного поля.

Отже, сила, яка діє на провідник: F = m × H × I × l .

Творець Всесвіту влаштував так мудро, що вектори всіх трьох фігурантів цих подій (напрямок руху провідника, напрямок струму і напрямок індукції магнітного поля) взаємно перпендикулярні в тримірному просторі і взаємно обумовлюють один одного: якщо є електричний струм і магнітне поле, то провідник рухається (електродвигун), якщо є рух провідника і магнітне поле, то виникає електричний струм (електрогенератор), якщо є рух провідника і струм, то виникає магнітне поле, яке намагається зсунути провідник з напрямку його руху. Останнє явище якраз і описують пондеромоторними силами.

Електрична дуга, як цілісний провідник, є носієм власного магнітного поля. Це магнітне поле, в свою чергу, спотворює форму провідника (робить дугу дугою), але крім того, воно ще й взаємодіє з кожною зарядженою часткою в дузі, яка проявляє хоча б натяки направленого руху (дрейф під дією електричного поля).

Стосовно до теми цього розділу будемо розглядати взаємодію заря-

138

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

джених часток, які переносять струм в дузі, з магнітним полем самої дуги, як об’ємного (просторового) цілісного провідника.

В загальному вигляді на заряджену частку, яка рухається в електромагнітному полі діє сила Лоренца, яку векторний аналіз визначає, як векторну суму електростатичної сили і магнітної сили:

Електростатична сила однакова для всіх заряджених часток в дузі, вона постійна по площині перетину стовпа дуги, викликає дрейф заряджених часток в напрямку вектора напруженості електричного поля і в подальшому в цьому розділі не розглядається, оскільки це було зроблено раніше.

Про доцентрову магнітну силу і пінч-ефект

Магнітна сила, відповідно до правил множення векторів, має напрямок дії вектора перпендикулярний до площини векторів швидкості руху частки та індукції магнітного поля.

Розглянемо докладніше магнітну складову. Вважаючи за вектор швидкості часток вектор їхнього дрейфу в електричному полі дуги між її електродами, легко бачити, що магнітна сила ( Fмаг ), яка перпендикулярна до пло-

щини напрямків індукції ( B ) і дрейфу (V ), заставляє заряджену частку рухатись в магнітному полі по кривій. В однорідному магнітному полі ця крива – коло, яке частка описує в площині перетину провідника навколо його осі (див. рис.).

139

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Але, якщо матеріальна точка рухається по колу, тоді на неї діє доцен-

r

− дрейфу частки); r – радіус кола, яке ця частка описує в магнітному полі. Тоді, згідно щойно викладених положень, доцентрова сила визначиться наступною залежністю:

Fдоц = ma = mV 2 = qVB = qVμH , r

де: m – маса частки

Примітка: в однорідному полі можна оперувати

скалярними величинами.

Отже магнітне поле примушує заряджену частку рухатись спірально в стовпі дуги.

Але в стовпі дуги є два сорти часток: електрони {вони заряджені не-

гативно, (–) } та іони {вони заряджені позитивно, (+)}. Відповідно, вони рухаються в протилежних напрямках і обертаються в магнітному полі в протилежні сторони.

Розглянемо докладніше поведінку часток в дузі. Електрони – частки з досить малою масою і розмірами, а іони – за розмірами і масою майже такі, як нейтральні атоми. Через це, стикаючись з атомами, іони захоплюють їх в обертальний рух навколо осі дуги назустріч руху електронів. Це утруднює рух електронів, призводить до зменшення величини вільного пробігу і збільшення числа зіткнень в хаотичному тепловому русі. Фізично це явище аналогічно збільшенню тиску (див.

рис.).

На рисунку: H – напруженість магнітного поля;

140