Устойчивость горения сварочной дуги при малых отклонениях напряжения на дуге.

Для стабильного горения дуги требуется равенство тока и напряжения дуги току и напряжению источника питания: IД = IИ; UД = UИ

Кроме того, необходимо соответствие внешней вольт-амперной характеристики источника и статической вольт-амперной характеристики дуги (рис.1.7). В точках их пересечения наблюдается равенство значений тока и напряжения источника и ду­ги. Для решения вопроса об устойчивости горения дуги в точках пересечения необходимо рассмотреть условия горения при небольших отклонениях тока от равновесия.

Если при горении дуги в точке А произошло уменьшение тока (IA min < IA ), то для поддержания дугового разряда, согласно статической вольт-ам­перной характеристике дуги, требуется более высокое напря­жение. Его величина становится больше, чем может дать источ­ник при этом же токе (- Uи). В связи с этим произойдет дальнейшее самопроизвольное снижение тока (IA  0), и дуга погаснет. Следовательно, в точке А дуга стабильно гореть не может. В точке В при снижении тока напряжение источника оказывается большим (Uи ), чем это необходимо для го­рения дуги по статической вольт-амперной характеристике. Бла­годаря этому произойдет самопроизвольное увеличение тока (IВ min  IВ ), и процесс горения вернется в точку В. Увеличение тока в точке В приведет к возрастанию напряже­ния, необходимого для горения дуги. Источник питания при этих же значениях тока дуги дает меньшее напряжение (- Uи). Это вызовет самопроизвольное снижение силы тока (IВ max  IВ ), и горение дуги снова переместится в точку В. Следова­тельно, точки В пересечения вольт-амперных характеристик являются точками устойчивого горения дуги. Для этих точек .может быть записано неравенство в дифференциальной форме: дUд/дIр> дUИ/дIр

Обычно условия устойчивого горения дуги записывают в следующем виде: IД = IИ = IР; UД = UИ = UР

Ку = RДИФ.С = RДИФ.Д – RДИФ =(дUд/дI - дUИ/дI)р > 0, где RДИФ.Д и RДИФ — дифференциальные сопротивления соответственно нелинейного участка электрической цепи с дугой и источника питания при I = IР ( индекс «р» означает в данном случае равновесное состояние при отсутствии возмущения),

Uд , UИ — напряжение дуги и источника в установившемся режиме; IД , IИ — ток дуги и источника в установившемся режиме; Ку — общее динамическое сопротивление дуги и источника. В литературе KУ называют еще дифференциальным сопротивление энергетической системы источник питания — дуга RДИФ.С или коэффициентом (критерием) устойчивости.

А нализ зависимостей, приведенных на рис. 1.7, позволяет сделать ряд принципиальных выводов.

1. Если статическая вольт-амперная характеристика дуги падающая (дUд/дI < 0), то для устойчивого горения дуги тре­буются источники питания только с падающими внешними вольт-амперными характеристиками (дUИ / дI < 0), причем крутизна падения внешней характеристики источника в рабочей точке должна быть больше (рис. 1.7, а, точка В")

|дUИ/дI|р >|дUд/дI|р

2. При наличии жесткой статической вольт-амперной харак­теристики дуги дUд/дI=0) источник питания и в этом случае должен иметь падающую внешнюю характеристику (дUИ / дI < 0). Однако крутизна ее падения может быть любой (рис. 1.7, а, точка В').

3. Для устойчивого горения дуги с возрастающей статической вольт-амперной характеристкой (дUд/дI>0) принципиально мо­гут быть использованы источники питания с любой внешней характеристикой (рис. 1.7, а, точка В). Исключение составляют источники с возрастающей вольт-амперной характеристикой, крутизна подъема должна быть меньшей по сравнению с крутиз­ной подъема статической характеристики дуги (рис. 1.7, в):

|дUИ/дI|р <|дUд/дI|р

4. Источники питания с падающими вольт-амперными харак­теристиками принципиально пригодны для многих способов дуговой сварки.

5. Источники питания дуги с жесткими и возрастающими вольт-амперными характеристиками имеют ограниченное при­менение и могут быть использованы только для сварочных дуг с возрастающей статической вольт-амперной характеристикой.

Уменьшения времени перерыва в горении дуги. Для уменьшения времени перерыва tn в горении дуги и увеличения производной тока di2/dt при смене полярности можно идти двумя путями: уменьшать UП.В, изменяя физико-химические свойства среды между электродом и изделием, или изменять свойства источника питания. UП.В можно уменьшить, вводя в парогазовую среду между электродом и изделием химические элементы с низкими потенциалами ионизации. Это можно осуществить путем покрытия стержневых электродов слоем, содержащим требуемые элементы, а при механизированной сварке вводить их в состав флюса или в состав фитиля, находящегося внутри полой электродной проволоки. Снижение UП.В можно осуществить также, снижая давление среды.

При том же значении UП.В время перерыва tn в горении дуги можно уменьшить за счет увеличения амплитудного значения напряжения u2 трансформатора. На рис. 1.9, а видно, что при увеличении U2m трансформатора дуга повторно возбуждается в момент t'в , благодаря чему уменьшается tn.

Однако увеличение U2m, а следовательно, и действующего значения напряжения холостого хода ограничено не только технико-экономическими показателями (увеличивается сечение сердечника, растет расход обмоточных материалов трансформатора), но в первую очередь условиями безопасности при выполнении сварочных работ (возрастает опасность поражения током обслуживающего персонала). Исходя из этого, желательно не увеличение, а уменьшение U2х.х.

Напряжение холостого хода источника во многом зависит от напряжения UП.В. Даже небольшие перерывы в горении дуги приводят к резкому возрастанию пика зажигания. Пиковые значения напряжения возрастают при увеличении длины дуги, снижении сварочного тока, наличии в столбе дуги фторидных соединений. В обычных трансформаторах для дуговой сварки принимают

Из рис. 1.9, б видно, что уменьшить tn можно увеличением частоты напряжения u2. При f' > f (f=50 Гц) дуга повторно возбуждается при t'в < tв. Наиболее устойчиво горит дуга при частоте f' = (5—9)f. Cварочная дуга повышенной частоты издает резкий звенящий звук и неблагоприятно воздействует сварщика.

Облегчить повторное возбуждение дуги переменного тока можно также применением специальных устройств — осцилляторов и импульсных возбудителей.

Рис. 1.9. уменьшения времени перерыва tn в горении дуги: а – при увеличении амплитуды вторичного напряжения трансформатора, б – при увеличении частоты вторичного напряжения.

Горение сварочной дуги при включении в сварочный контур линейной индуктивности. На практике питание дуги переменным током при ручной дуговой сварке в атмосфере воздуха плавящимся электродом и при сварке под флюсом осуществляют, включая в цепь дуги не резистор, а катушку с ферромагнитным сердечником, обладающую значительной индуктивностью, или осуществляют питание дуги от трансформатора, oбмотки которого обладают большой индуктивностью. Принципиальная электрическая схема источника питания дуги переменным током с катушкой индуктивности в сварочном контуре приведена на рис. 1.10. Катушка обладает индуктивностью L и резистивным сопротивлением R. Для облегчения анализа процессов, происходящих в схеме, примем, что цепь линейная. Дуга замещена линейным резистивным сопротивлением RД. На схеме е2— вторичная э. д. с. трансформатора; е2 – э. д. с. рассеяния вторичной обмотки; R2— резистивное сопротивление этой обмотки.

При прохождении сварочного тока i2 no обмотке катушки индуктивности магнитодвижущая сила wk i2 возбуждает в ceрдечнике катушки изменяющееся во времени магнитное поле, которое индуктирует в обмотке э.д.с. самоиндукции eL. По второму правилу Кирхгофа можно составить уравнение для сварочного контура, обходя его по направлению тока i2

e2 + e2 + eL= uД + R2i2 + Ri2, (1)

г де uД — мгновенное значение напряжения на дуге.

Рис. 1.10. Принципиальная электрическая схема источника питания дуги переменным током с катушкой индуктивности в сварочном контуре.

Если дуга горит устойчиво, то напряжение uД можно считать постоянным и равным uД. Примем, что сварочный ток i2=I2msin  t, т. е. начальная фаза тока i = 0. Тогда u2=U2m sin ( t +  2), где  2 – угол сдвига фаз между u2 и i2.

(2)

Величинами резистивного R2 и индуктивного x2 сопротивлений вторичной обмотки трансформатора по сравнению с xL можно пренебречь и тогда из (1) получим

u2 = uД + uL , (3)

где uL= - eL = Ld i2/d t = xLI2m sin ( t +  /2).

Подставив вместо u2 и uL их выражения, записанные выше в (3), получим.

U2m sin ( t +  2) = uД + xLI2m sin ( t +  /2) (4)

Ha рис. 1.11 приведены графики изменений во времени мгновенных значений u2, i2, uД и uL.

Р ис. 1.11. Графики изменений во времени мгновенных значений u2, i2, uД и uL.

В окрестности значения тока i2 = 0 остаточная проводимость плазмы в дуговом промежутке чрезвычайно мала. Можно считать, что разрядный промежуток после угасания дуги практически разомкнут. Из (4) при t=0 имеем

U2m sin  2 = xLI2m ≥ UП.B (5)

Кривая тока практически синусоидальна. Ток i2 отстает по фазе от и2 на угол 2, определяемый соотношением индуктивного и резистивного сопротивления сварочного контура. Чтобы дуга горела устойчиво и время перерыва tп → 0, значение u2 = U2m sin 2 в момент перехода тока через нуль должно быть не меньше величины напряжения повторного возбуждения дуги UП.B.

Наличие индуктивного сопротивления в цепи дуги обязательно для всех источников переменного тока. Для большинства сварочных цепей характерно  2 = 53 - 57 и отношение xL / RД ≥ 5.

Постоянная составляющая сварочного тока и меры борьбы с ней. Различие в теплофизических свойствах электрода и сварива­емого изделия приводит к тому, что напряжение, необходимое для горения дуги в одном полупериоде, значительно отличается от напряжения горения в другом полупериоде. Резче обозначается отличие формы тока от формы напряжения дуги. Нарушается сим­метрия полупериодов относительно нулевого значения. Возникает неравенство токов прямой IПР и обратной IОБР полярности. Это об­условливает появление в цепи дуги постоянной соста­вляющей тока Iд (рис. 1.12). Ток iд становится периодической несинусоидальной функцией времени, которая может быть разложена в ряд Фурье:

iд = Iд + I1max sin ( t+1)+ I2max sin ( t+2)+…+ In max sin ( t+n),

где I1max, I2max, …, In max – амплитуда, а 1, 2,…,n – начальная фаза тока.

Большая величина Iд образуется при сварке алюминия и его сплавов вольфрамовым электродом. В полупериодах, когда катодное пятно располагается на вольфрамовом электроде (прямая полярность), благодаря мощной термоэлектронной эмиссии ка­тода создаются благоприятные условия для возбуждения и го­рения дуги при низком напряжении. В полупериодах, когда катодное пятно находится на сваривае­мом изделии из алюминия (обратная полярность), термоэлектрон­ная эмиссия затруднена (холодный катод). Для возбуждения дуги требуются высокие пиковые значения напряжения, и горение дуги происходит при более высоком напряжении, чем в предыду­щих полупериодах. При сварке на небольших токах возбуждение дуги в полупериоды обратной полярности вообще может не про­изойти. В этом случае дуга становится выпрямительным вентилем. Стабильность ее горения резко ухудшается.

Рис. 1.12. Образование постоянной соста­вляющей тока Iд при горении дуги между вольфрамовым электродом и изделием из алюминия.

При наличии постоянной составляющей Iд увеличивается сопротивление магнитопровода трансформатора, значительно повышается намагничивающий ток. В результате этого понижается мощность, отдаваемая дуге, и коэффициент мощности источника.

При уменьшении тока в полупериоды обратной полярности затрудняется катодная очистка свариваемых кромок и поверх­ности ванны от оксидных пленок. Это приводит к ухудшению формирования шва и снижению его свойств.

Источники питания дуги переменным током для сварки алюминия, его сплавов и некоторых других металлов вольфрамовым электродом должны иметь устройства, облегчающие возбуждение дуги в полупериоды обратной полярности, и устройства для частичного или полного подавления постоянной составляющей тока Iд.

В источниках для дуговой сварки применяют несколько способов полного или частичного подавления постоянной составляющей тока (включением в цепь дуги батареи конденсаторов, полупроводникового выпрямителя и других уст­ройств).

П ри сварке алюминия и его сплавов полное уничтожение постоянной составляющей при токе дуги до 500 А можно осуществлять включением в сварочную цепь емкости, препятствующей протеканию постоянного тока [рис. 1.13].

I_Д

Рис.1.13 – Схемы уничтожения постоянной составляющей сварочного тока.

Используя полупроводниковые вентили, можно собрать устройство, позволяющее плавно и в широких пределах регулировать величину тока Iд и если необходимо, изменять знак. Включением в сварочную цепь активного сопротивления с подсоединением параллельно ему полупроводникового вентиля можно уничтожить. Величина сопротивления и полярность выбираются такими, чтобы полностью уничтожить Iд или ограничить до величины, требуемой по технологическим соображениям. В те полупериоды, когда катод – изделие, ток пропускается без ограничений. В следующий полупериод вентиль заперт, и величина Iд ограничивается сопротивлением R, шунтирующим вентиль. Это сопротивление должно быть переменным, чтобы при различных режимах сварки можно было устранить Iд

Динамическая характеристика сварочной дуги переменного тока. При исследовании свойств сварочных дуг переменного тока, горящих в разных физико-химических условиях при различных способах сварки, пользуются их динамической характеристикой, которая представляет собой зависимость между мгновенными значениями напряжения uД и сварочного тока iД.

Н а рис. 1.13 приведена динамическая характеристика дуги переменного тока, горящей в атмосфере воздуха при ручной дуговой сварке. Характеристика имеет две расходящиеся ветви: восходящую bс и нисходящую cd, полученные при возрастании и убывании тока (показано стрелками). Заметное расхождение этих ветвей наблюдается у дуги, горящей в среде, содержащей примеси паров легко ионизирующихся элементов (калия, кальция, натрия), а также у дуг, горящих в средах с высокими потенциалами ионизации, с ростом частоты напряжения, питающего дугу. Расхождение ветвей больше при сварке меньшими токами. Часть ветвей динамической характеристики для двух полупериодов на рис. 1.13 показана пунктиром (оа и do). Эти части ветвей соответствуют преддуговому состоянию межэлектродного пространства и не улавливаются светолучевым осциллографом. Нарушение устойчивости в горении дуги при малых значениях di/dt при смене полярности приводит к нестабильному процессу сварки, что отрицательно отражается на качестве сварного шва.