Лекция№3_Особ_гор_свар_дуги_пер_тока
.docЛекция №3
Особенности горения сварочной дуги переменного тока
Устойчивость горения дуги при сварке на переменном токе ниже, чем на постоянном. Действительно, при частоте переменного напряжения сети 50 Гц сварочный ток 100 раз в секунду снижается до нуля и меняет направление на обратное, причем после каждого такого обрыва дуга должна возбуждаться снова. Таким образом, при сварке на переменном токе источник должен обладать специфическим свойством — обеспечивать многократное повторное зажигание дуги.
Процесс повторного зажигания дуги при переходе тока через нуль рассмотрим по осциллограммам (рис. 3.1,а). В конце предыдущего полупериода с момента t1 напряжение трансформатора становится недостаточным для питания дуги, в результате дуга угасает, а ток резко снижается. С момента угасания t1 температура межэлектродного промежутка ТМЭ падает, а его сопротивление RМЭ резко возрастает (рис. 3.1,6).
Рис. 3.1. Типичные осциллограммы дуги переменного тока: а — сварочные ток iд и напряжение ид, б — температура Тмэ и сопротивление RMЭ межэлектродного промежутка |
При достаточно благоприятных условиях (большой объем и высокая степень ионизации остаточной плазмы, мощная термоэлектронная эмиссия с горячих неплавящихся электродов) из двух процессов существенно преобладает ионизация, поэтому при достижении напряжением источника величины Uд дуговой разряд легко восстанавливается. Менее благоприятные условия повторного зажигания (рис. 3.1) наблюдаются в большинстве случаев сварки (покрытыми электродами, под флюсом и т.д.). Термоэлектронная эмиссия со сравнительно холодных плавящихся электродов не обеспечивает необходимого количества заряженных частиц. Поэтому дуга возобновляется только в момент t2 при достижении напряжением источника довольно высокой величины напряжения повторного зажигания U3, достаточной для развития автоэлектронной эмиссии. Наконец, в неблагоприятных условиях (малая мощность дуги, большая ее длина, обдув газовыми потоками) из двух процессов преобладает деионизация, при этом температура Тмэ межэлектродного промежутка резко снижается, а его сопротивление RMЭ также резко возрастает, как показано пунктиром на рис. 3.1, б, и дуга обрывается.
После зажигания напряжение на дуге снижается от U3 до приблизительно постоянной величины Uд и сохраняется на этом уровне до следующего угасания в момент t4. Ток после зажигания резко возрастает и далее меняется по кривой, близкой к синусоиде, достигая максимума в момент t3. Оценивая осциллограммы (рис. 3.1,а) в целом, заметим, что кривые тока и напряжения дуги отличаются от синусоидальных. Как показано выше, это объясняется нелинейностью нагрузки, т. е. непостоянством активного сопротивления дуги, а также непостоянством характера разряда.
Рис. 3.2. Динамическая характеристика дуги переменного тока |
На динамической характеристике легко фиксируются напряжение U3 и ток I3 повторного зажигания. Обращает на себя внимание большой пик напряжения зажигания обратной полярности U3.ОБР. Дело в том, что в этот момент катодом является сравнительно холодная сварочная ванна с невысокой эмиссионной способностью. Заметно также, что максимальное значение тока в полупериоде прямой полярности выше, а напряжение ниже соответствующих величин для полупериода обратной полярности. Следовательно, дуга частично выпрямляет ток, наблюдается так называемый вентильный эффект. Динамическая характеристика на участке 2-3 нарастания тока проходит выше, чем на участке спада 3-4. Таким образом, при частоте 50 Гц проявляется инерционность тепловых процессов в дуге. На участке 2-3 температура столба дуги ниже, чем на участке 3-4 (рис. 3.1, б), поэтому сопротивление дуги больше и напряжение дуги также выше.
Статическая вольт-амперная характеристика дуги переменного тока Uд = f(Iд) строится не для мгновенных, а для действующих, т. е. среднеквадратичных значений. По рис. 3.1,а
В эксперименте такая характеристика получается при использовании приборов электромагнитной системы — вольтметра и амперметра. Характеристика Uд = f(Iд) подобна той, что была ранее описана для дуги постоянного тока (рис. 2.2). Поэтому для обеспечения устойчивого процесса последовательно со вторичной обмоткой трансформатора должен быть включен элемент, формирующий падающую характеристику источника — резистор, катушка индуктивности или конденсатор.
3.1.3. Дуга переменного тока в цепи с резистором
Рассмотрим работу источника переменного тока — трансформатора с резистором в цепи дуги (рис. 3.3,а). Трансформатор снижает сетевое напряжение до необходимого при сварке, резистор формирует падающую внешнюю характеристику и используется для настройки тока.
Рис. 3.3. Дуга в цепи с резистором: а — электрическая схема, б — осциллограммы тока и напряжения
Поскольку электрическая цепь содержит нелинейный элемент — дугу, ведем анализ для мгновенных значений ид, и2, i2. По второму правилу Кирхгофа для мгновенных значений напряжений имеем:
и2 = ид + иR , (3.1)
т. е. вторичное напряжение трансформатора уравновешивается падениями напряжения на дуге и резисторе.
На рис. 3.3, б приведены осциллограммы тока и напряжения для вторичной цепи с учетом следующих ограничений и упрощений.
Напряжение дуги ид от момента зажигания t3 до момента угасания tу считаем постоянным:
ид = Uд,
а в момент зажигания t3 изображаем кратковременным импульсом:
ид = U3.
В интервалах 0-t3 и tу -π дуги нет.
Вторичное напряжение и2 зависит от амплитудного значения U2m и фазы его циклического изменения с частотой ω = 2nf:
и2 = U2m sin ωt.
Сварочный ток i2 = iд, если не учитывать преддуговой ток, получим из (3.1):
i2 =(и2 - ид) /R.
Его кривая имеет вид отрезка синусоиды.
Длительность повторного зажигания t3 можно определить, если считать, что до момента зажигания дуги i2 = 0 и иR = 0, т. е. все напряжение трансформатора приложено к межэлектродному промежутку (и2 = ид):
(3.2)
|
Как видно на рис. 3.3, б, сварочный ток i2 появляется в момент t3 при достижении напряжением и2 значения напряжения повторного зажигания U3, после чего напряжение дуги устанавливается на постоянном уровне Uд, а ток изменяется по синусоидальному закону до момента угасания tУ при снижении и2 до Uд. В следующем интервале длительностью ωtП , начинающимся в момент tУ и заканчивающимся в следующем полупериоде при новом зажигании, сварочного тока нет, если не считать незначительного преддугового тока. Во втором полупериоде описанные процессы повторяются. Наличие бестоковой паузы ωtП затрудняет повторное зажигание дуги и снижает общую устойчивость процесса. Поэтому в современной сварочной технологии трансформатор с резистором не используется.
3.1.7. Критерии устойчивости дуги переменного тока
В качестве непосредственного критерия устойчивости можно принять частоту обрывов дуги. Поскольку устойчивость дуги переменного тока определяется надежностью повторного зажигания, то в качестве косвенных критериев обычно принимают напряжение U3, ток I3 и время t3 повторного зажигания. При испытании трансформатора для их определения записывают начальный участок осциллограмм тока и напряжения (рис. 3.7). Типичные характеристики повторного зажигания при сварке покрытыми стальными электродами следующие. Напряжение повторного зажигания U3 = 15-90 В, максимальный преддуговой ток I3 = 2-30 А, время зажигания t3 составляет от 0,1 до 3 мс. Устойчивость повышается с увеличением преддугового тока 13 и снижением напряжения U3 и времени t3.
Рис. 3.7. Начальные участки осциллограмм напряжения и тока дуги (электрод ОЗС-4, 3 мм, 100 А, трансформатор ТДМ-401)
Время повторного зажигания t3, чаще других принимаемое в качестве косвенного критерия устойчивости, зависит от параметров дуги и источника. Для цепи с резистором (рис. 3.3,б) время t3 определяется из (3.2). Для цепи с катушкой индуктивности (рис. 3.4,б) необходимо в этом уравнении учесть еще и угол φ сдвига фаз между напряжением и2 и током i2:
Угол φ зависит от величины сопротивления дуги Rд, а также индуктивного Xl = ωL и активного R сопротивления в цепи дуги:
Приемы повышения устойчивости проанализируем с помощью уравнения (3.22). Чем меньше время зажигания, тем меньше охлаждение межэлектродного промежутка и тем вероятней повторное зажигание. Как уже отмечалось, в переходном периоде идут два встречных процесса — охлаждение и нагрев межэлектродного промежутка. Уменьшить t3, т. е. повысить устойчивость, можно либо технологическими приемами — замедляя охлаждение и деионизацию межэлектродного промежутка, либо электротехническими приемами — ускоряя нагрев благодаря увеличению скорости нарастания напряжения и тока дуги.
Все технологические приемы так или иначе направлены на снижение напряжения зажигания U3. С этой целью для замедления охлаждения межэлектродного промежутка увеличивают температуру и массу нагретых электродов, увеличивают ток, снижают теплопроводность электродов, ограничивают теплоотвод газовыми потоками. Для увеличения эмиссионной способности электродов рекомендуется использовать неплавящиеся электроды с высокой температурой нагрева (вольфрамовые и угольные). Для увеличения ионизации остаточной плазмы вводят легко ионизируемые вещества, содержащие К, Na, Ca, в состав покрытий и флюсов. Снижается напряжение зажигания и при уменьшении длины дуги.
Из электротехнических приемов простейшим является увеличение напряжения трансформатора U2m (или его напряжения холостого хода Uх), хотя он связан с ухудшением безопасности труда. Устойчивость повышается и при увеличении частоты f переменного тока. Однако заметный эффект достигается лишь при увеличении частоты выше 300-500 Гц. Поскольку увеличение частоты связано с существенным усложнением конструкции источника, такой прием на практике применяется редко. Таким образом, самым эффективным приемом является включение в цепь дуги катушки индуктивности (см. раздел 3.1.4). Устойчивость дуги повышается при увеличении индуктивности L и снижении величины активного сопротивления R в цепи дуги, приводящих к увеличению угла сдвига φ фазы сварочного тока относительно напряжения трансформатора. Полезно также последовательное включение конденсатора (см. раздел 3.1.5) или параллельное включение импульсного стабилизатора (см. раздел 3.1.6).
Скорость нарастания проводимости межэлектродного промежутка в преддуговом периоде
– это комплексный критерий устойчивости, учитывающий как значения времени t3, так и напряжения U3 и тока 13 повторного зажигания, которые можно получить в эксперименте по начальным участкам осциллограмм (рис. 3.7). Единица измерения этого критерия – сименс в секунду (См/с = 1/(Ом·с)). Критерий обладает ясным физическим смыслом – понятно, что при высокой скорости восстановления проводимости В3 выше и вероятность повторного зажигания. Так, у электродов с фтористо-кальциевым покрытием, известных низкой устойчивостью горения дуги, В3 = 40-3000 См/с, а у электродов с рутиловым покрытием, предназначенных для сварки на переменном токе, В3 = 700-8000 См/с. Обнаружено также, что при сварке покрытыми электродами скорость В3 в полупериоде прямой полярности в 4-5 раз выше, чем при обратной полярности. Поэтому и обрыв дуги переменного тока, как правило, происходит в начале полупериода обратной полярности. По этой же причине сварка вольфрамовым электродом алюминия, как правило, невозможна без импульсной стабилизации в полупериоде обратной полярности (раздел 6.1.1).
Скорость нарастания тока (di2/dt)3 в интервале повторного зажигания также принимают в качестве критерия устойчивости. Ее можно вычислить по осциллограммам (рис. 3.7):
(di2/dt)3 = I3/t3.
Но более эффективно ее экспериментальное определение по осциллографической записи фазовой характеристики di2/dt = f(i2), которая получается, если подать на горизонтальный вход осциллографа сигнал тока i2 с шунта в сварочной цепи, а на вертикальный вход — сигнал di2 /dt c дифференцирующей RС-цепочки, подключенной к этому же шунту (рис. 3.8). Видно, что непосредственно перед переходом тока через нуль наблюдается пик скорости, соответствующий резкому спаду тока при угасании di2/dt)У, а после перехода — провал до значения, соответствующего скорости нарастания тока (di2/dt)3 в интервале повторного зажигания. Такой характер изменения тока при переходе через нуль отмечался ранее на осциллограммах (рис. 3.1 и 3.4). Типичные значения скоростей 15-150 кА/с. Чем выше скорость (di2/dt)3, тем надежней повторное зажигание и выше устойчивость процесса сварки. Разработан ряд специфических приемов, направленных на увеличение этой скорости. С этой целью снижают вихревые токи в магнитопроводе и кожухе трансформатора, не допускают насыщения железа магнитопровода. Иногда в цепь дуги включают дроссель насыщения, увеличивающий эту скорость в 2-4 раза и ограничивающий амплитуду тока, так что кривая сварочного тока вместо синусоидальной приобретает форму трапецеидальных импульсов. Но самым эффективным приемом увеличения скорости является использование импульсного стабилизатора, подающего на дугу кратковременные импульсы тока после его перехода через нуль.
Для сравнения трансформаторов различной мощности удобно характеризовать их не абсолютной, а относительной скоростью
(di2/dt)3/(di2/dt)У,
которую желательно приближать к 1. У большинства сварочных трансформаторов эта величина находится в интервале 0,3-0,8. Используется также комплексный критерий для оценки трансформаторов
который учитывает полезное влияние на устойчивость как увеличения напряжения холостого хода Ux, так и увеличения скорости (di2/dt)3. У трансформаторов промышленного назначения Fз = 20 – 60 В, у бытовых трансформаторов – 17 – 35 В.
Рис. 3.8. Фазовая характеристика di2/dt = f(i2) (электрод ОЗС-4, 5 мм, 200 А, трансформатор ТДМ-401)