1.6. Сварочная дуга переменного тока

Дуговая сварка на переменном токе широко применяется в промышленности. Это объясняется тем, что источники питания переменного тока просты по устройству и в эксплуатации, имеют меньший вес и габариты по сравнению с источниками постоянного тока и более экономичны. В то же время они обеспечивает высокое качество сварных швов.

Различают дуги переменного тока однофазные и трехфазные. Все положения, рассмотренные при изучении дуги постоянного тока, справедливы и для дуг переменного тока. Однако у последних есть особенности.

1.6.1. Особенности горения однофазной дуги переменного тока. При использовании переменного тока дуга горит с перерывами. Это связано с изменением направления векторов напряжения и тока в течение каждого периода колебаний. При прохождении положительной полуволны синусоиды вторичного напряжения U₁ (рис. 1.14) в цепи дуги протекает ток L₂ того же направления. В момент t_y, когда U₂ становится меньше U_g, дуга гаснет. Напряжение и ток дуги равняются нулю. Напряженность электрического поля резко снижается, становится недостаточной для ионизации атомов смеси газов и паров, дуговой разряд переходит в недуговую форму. Об этом свидетельствует осциллограмма тока i₂ показывающая, что его величина в период от t_y до t₃ составляет 1...2 % от его действующего значения (остаточная проводимость столба дуги обусловлена эмиссионной способностью нагретых электродов). Однако в течение этого времени цепь дуги остается разомкнутой.

В точке 0 направление вектора и» изменяется на противоположной. Электроды дуги меняют полярность. До момента зажигания идет нарастание амплитуды U₂ до величины напряжения зажигания дуги U₃. Вместе с U₂ возрастает напряженность электрического поля. При U_2t1=U₃ она становится достаточной для ионизации дугового промежутка, дуга вновь зажигается, ток i₂ резко возрастает. Протекание тока продолжается до момента угасания t_y. Затем меняется направление вектора U₂ и процесс повторяется.

Интервал времени от t_y до t₃ называют временем перерыва t_n горения дуги. Время перерыва является основным фактором, определяющим устойчивость горения дуги. В период t_n, когда дуга не горит, происходит охлаждение электродов и паро-газовой смеси, что предопределяет быстрое уменьшение количества заряженных частиц дугового промежутка. Чем длительнее будет интервал t_n, тем сильнее произойдет охлаждение и тем труднее возбуждение дуги в следующий полупериод. Поэтому задача повышения устойчивости горения дуги при ее питании переменным током сводится к решению проблемы сокращения перерыва t_n.

Рис. 1.14. Изменение напряжения вторичной обмотки трансформатора U2 дуги U2 и тока L2 в течение периода колебаний при наличии в цепи дуги активного сопротивления

1.6.2. Горение дуги переменного тока с активным сопротивлением в её цепи. Если индуктивным сопротивлением вторичной обмотки трансформатора можно пренебречь, то при наличии активного сопротивления, включенного в цепь дуги последовательно, ток и напряжение дуги совпадают по фазе (рис. 1.14). Следовательно, в этих условиях наблюдается нестабильность горения дуги. При этом в начале и конце каждого полупериода дуга практически некоторое время не горит (рис. 1.14).

Для уменьшения времени t₃ можно использовать несколько способов.

Из рис. 1.14 видно, что уменьшение напряжения зажигания дуги до U_3min путем введения в парогазовую смесь межэлектродного пространства элементов с низким потенциалом ионизации дает возможность уменьшить период до зажигания дуги до t_3min, с одной стороны, и увеличить время горения дуги до t_ymin с другой. В целом это приводит к уменьшению времени перерыва горения дуги.

Период t_n можно уменьшить за счет увеличения напряжения вторичной обмотки сварочного трансформатора. Из рис. 1.15, а видно, что увеличение амплитуды U_2m1, до U_2m2 приводит к сокращению t_n на величину t_{3 1} – t_{3 2}. Аналогичное влияние оказывает увеличение частота колебаний (рис. 1.15, б).

Однако воспользоваться этими способами можно в ограниченных пределах. Исследования показывают, что наиболее эффективно соотношение U_2xx / U_g = 2…4, а по частоте – f₂ = (5.....9) f₁. В этих пределах дуга горит наиболее устойчиво. Но увеличение напряжения холостого хода ограничено технико-экономическими показателями и условиями безопасности обслуживающего персонала. Поэтому увеличением напряжения источника питания пользуются редко. Повышение частоты в указанном интервале и особенно её регулирование связано со значительными техническими трудностями. Поэтому этот способ уменьшения времени перерыва горения дуги применяются очень редко. В этих случаях в качестве источников питания применяют генераторы переменного тока повышенной частоты.

Рис. 1.15. Влияние амплитуды напряжения источника питания (а) и его частоты (б) на величину периода перерыва горения дуги

Для теоретических расчетов времени перерыва горения дуги получено выражение

(1.18)

где  – 2f. Если предположить, что U₃/U_g – 1,5...2,5 то для устойчивого горения дуга, т.е. t_n будет мало, необходимо, чтобы U_2m / U_g > 2.

Наконец, для повышения устойчивости горения дуги переменного тока используют различные вспомогательные устройства – осцилляторы, импульсные возбудители, стабилизаторы.

Однако наиболее простым и эффективным мероприятием является включение в цепь последовательно с дугой индуктивного сопротивления. Оно может быть выполнено в виде отдельной катушки с ферромагнитным сердечником или представлять собой индуктивное сопротивление вторичной обмотки сварочного трансформатора.

1.6.3. Горение дуги переменного тока при включении в её цепь индуктивного сопротивления. В этом случае между током дуги и напряжением источника питания имеется сдвиг по фазе на угол ₂ (рис. 1.16). Он обусловлен наличием индуктивного сопротивления в цепи дуги. Возбуждение дуги производится также при достижении напряжением на дуговом промежутке величины зажигания дуги U₃. Несмотря на то, что на рис. 1.16 t_n = 0, в действительности при переходе кривой через ноль вследствие чрезвычайно малой проводимости дугового промежутка цепь дуги на очень короткое время оказывается разомкнутой.

Рис. 1.16. Изменение U2, UL, Ug и тока дуги i2 в течение периода колебаний при включении в цепь дуги индуктивного сопротивления

При уменьшении e₂ происходит спад магнитного поля в сердечнике катушки индуктивности, что вызывает появление э.д.с. самоиндукции катушки e_L. Благодаря этому поддерживается напряженность электрического поля, необходимая для протекания i₂ при уменьшении U₂ до нуля и изменении его вектора на противоположное направление. Кривая тока i₂ имеет синусоидальную форму.

Таким образом, при последовательном включении в цепь дуги индуктивного сопротивления возрастает устойчивость её горения, так как время перерыва t_n сводится до возможного минимума.

Величина индуктивности, обеспечивающая устойчивое горение дуги и наилучшие экономические показатели процесса, определяется по выражению

(1.19

где – коэффициент устойчивости – градиент столба дуги, K_cm – коэффициент саморегулирования по току.

Можно показать, что условием непрерывного горения дуги в этом случае будет

(1.20)

где Практически m = 1.5...3,0. Это значит, что отношение

должно быть в пределах 1,5...2.5.

Условие непрерывности горения дуги переменного тока (1.20) было определено для случая, когда активного сопротивления в цепи дуги нет. Реальные же обмотки трансформаторов и катушек индуктивности всегда имеют определенную величину активного сопротивления. С учетом этого фактора отношение должно быть несколько выше. В тех случаях, когда индуктивное сопротивление в пять и более раз выше активного, для определения соотношения U_2m /U_g можно пользоваться выражением (1.20).

1.6.4. Трехфазная сварочная дуга. Трехфазной дугой называют систему дуг, горящих между двумя электродами и изделием в общем плавильном объеме. Каждый электрод, в том числе и являющийся изделием, получает питание от одной фазы трехфазного источника питания (рис. 1.17): фазы а и б подключены к электродам Э₁ < и Э₂, С – к изделию И. И

Рис. 1.17. Схема трехфазной дуги

з рис. 1.17 видно, что трехфазная дуга состоит из трех отдельных дуг. Дуги 1 и 2 – прямого действия, они горят между электродами и изделием, дуга 3 – косвенного действия, она существует между электродами Э₁ и Э₂. Напряжения U_a и U_б сдвинуты по фазе на угол 120°. Поэтому дуги 1, 2 и 3 горят поочередно, а в отдельные (переходные) моменты – по две дуги одновременно. Таким образом, в любой момент горит, по крайней мере, одна из трех дуг, что весьма благоприятно отражается на устойчивости горения. Вследствие этого имеется возможность снизить напряжение холостого хода источника питания (Uxх/U_g = 1,2...1,25) и уменьшить величину индуктивного сопротивления в цепи дуги.

При сварке трехфазной дугой создаются условия для регулирования величин токов в каждой фазе. Это дает возможность управлять количеством теплоты, расходуемой на плавление электродов и на проплавление металла детали.

При ручной трехфазной сварке электроды Э₁ и Э₂ располагают параллельно и разделяют непроводящим покрытием, получая так называемый сдвоенный электрод. При автоматической сварке электродные проволоки располагают под углом, как показано на pac.1.17.

Механизированная сварка трехфазной дугой применяется для сое­динения стальных и алюминиевых сплавов больших толщин. Она в 2 … 2,5 раза производительнее, чем однофазная дуговая сварка на переменном токе. Но широкого распространения трехфазная сварка не получила, так как оказалась неконкурентноспособной с электрошлако­вой сваркой.