2. Параметры сварочной дуги

Режим горения дуги характеризуется следующими параметрами:

• величиной сварочного тока (I_д);

• напряжением на дуге (U_д);

• длиной дуги (l_д).

Все три параметра взаимосвязаны, и при изменении одного из них меняют свое значение два остальных параметра.

Напряжение на дуге складывается из падения напряжения в катодной и анодной зонах, а также в столбе дуги (см. рис. 1.1):

U_д = U_к + U_а +U_ст. (1.3)

Величина падения напряжения в катодной и анодной области (U_к и U_а) в основном определяется химическим составом электродной проволоки и свариваемого металла, и при заданном способе сварки ее можно принять постоянной:

U_а + U_к =а. (1.4)

Падение напряжения в столбе дуги (U_ст) в соответствии с законом Ома для участка электрической цепи (столба дуги) длиной l_ст запишем в виде:

(1.5)

Здесь , (1.6)

где ‑ электрическое сопротивление столба;

 ‑ его удельное электросопротивление;

‑ площадь поперечного сечения столба.

В отличие от металлического проводника, у которого  и F постоянны, в дуге  и зависят от величины тока в дуге. При малом токе, когда концентрация заряженных частиц в столбе невелика, площадь сечения проводящего канала мала, а удельное сопротивление газового промежутка очень высокое. С увеличением тока в дуге растет число заряженных частиц в столбе, т.е. уменьшается , а - увеличивается и, как следствие, снижается электросопротивление столба дуги.

Расстояние между электродами – длина дуги l_д – складывается из длин катодной и анодной областей и столба дуги (см. рис. 1.1):

. (1.7а)

Как уже отмечалось выше, длина приэлектродных областей (l_к и l_а) на 3 и более порядков меньше длины столба дуги (l_ст), поэтому величинами l_к и l_а в формуле (1.7а) можно пренебречь. Следовательно,

. (1.7б)

С учетом (1.4), (1.5), (1.6) и (1.7б) формула (1.3) примет вид

. (1.8)

При стабильном горении дуги ток (I_д), удельное электросопротивление () и поперечное сечение ( ) – величины постоянные, поэтому, приняв , формулу (1.3) запишем в виде

. (1.9)

Таким образом, величина напряжения на дуге при стабильном ее горении пропорциональна ее длине. Графически зависимость напряжения на дуге от ее длины представляет собой прямую линию, где (рис. 1.3).

При l_д = 0 (короткое замыкание или момент отрыва электрода от свариваемого изделия при замыкании дуги) . Угол наклона прямой ( ) зависит от материала электродов и состава газовой среды в столбе дуги.

Величина сварочного тока и электросопротивление дуги зависят от количества заряженных частиц в столбе дуги (электронов, положительных и отрицательных ионов). Чем больше в единице объема столба дуги заряженных частиц, тем выше электропроводимость (обратная величина электрическому сопротивлению) дуги, тем выше величина тока I_д (при постоянной длине l_д = const).

Рис. 1.3. Зависимость напряжения на дуге от ее длины

Таким образом, электрическое сопротивление дуги, в отличие от постоянного сопротивления металлического проводника, зависит от концентрации заряженных частиц и диаметра проводящего канала по оси дуги. При малой степени ионизации дугового промежутка сечение проводящего канала мало и поэтому электрическое сопротивление столба R_д очень большое, а величина тока I_д незначительна (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Влияние степени ионизации столба дуги на величину тока (I_д)

и электрическое сопротивление (R_д)

По мере возрастания концентрации заряженных частиц и сечения проводящего канала электрическое сопротивление дуги уменьшается, а величина тока возрастает.

При высокой концентрации заряженных частиц, когда степень ионизации газового промежутка приближается к 100 %, электрическое сопротивление дуги снижается до постоянного значения R_min, величина которого определяется химическим составом газовой среды (потенциалом ионизации), и дуга приобретает свойства металлического проводника (рис. 1.4 и 1.5).

3. Статическая вольтамперная характеристика дуги

Зависимость напряжения стабильно горящей дуги от величины ее тока называется статической вольтамперной характеристикой дуги (ВАХ). В переходном режиме (первоначальное или периодическое зажигание), когда количество заряженных частиц в столбе дуги увеличивается в течение определенного времени, зависимость напряжения от тока и времени называется динамической вольтамперной характеристикой дуги.

В связи с описанными выше процессами принято считать, что дуга является нелинейным элементом электрической цепи, т.е. таким, у которого активное сопротивление не постоянно, а меняется с изменением величины тока, и дуга имеет криволинейную статическую ВАХ (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Статическая вольтамперная характеристика дуги (1)

и металлического проводника (2)

На ВАХ дуги выделяют три участка: с падающей ВАХ (I); с жесткой (II) и возрастающей (III) (см. рис.1.5).

В маломощных дугах (участок I) с ростом тока интенсивно увеличиваются диаметр катодного пятна d_к и сечение столба дуги ( ) (рис. 1.6). Это приводит к снижению электросопротивления дуги, уменьшению плотности тока и напряжению U_д. Такая падающая характеристика наблюдается при сварке покрытыми электродами или неплавящимся вольфрамовым электродом.

Рис. 1.6. Изменение диаметров катодного пятна (d_к) и столба дуги (d_ст)

при увеличении тока в дуге (I_д): d_э – диаметр электрода;

При дальнейшем росте тока пропорционально увеличиваются диаметр катодного пятна и электропроводящего канала столба и, следовательно, увеличивается площадь сечения столба, а произведение остается постоянным. То есть напряжение дуги на участке II с ростом тока не меняется. ВАХ дуги на участке II – жесткая, она характерна для механизированной сварки под флюсом. Граница между I и II участками при различных способах и условиях дуговой сварки (плавящийся или неплавящийся электрод, диаметр электродной проволоки и др.) находится приблизительно в диапазоне 50-100 А.

Возрастающий участок III наблюдается при таком токе, когда дуга уже заняла весь торец стержневого электрода ( ), и дальнейшее увеличение площади сечения столба затруднено. Поэтому с ростом тока пропорционально увеличивается его плотность и напряжение , а вместе с этим растет напряжение дуги . Возрастающая характеристика наблюдается при сварке на высоких плотностях тока, когда применяется электродная проволока небольшого диаметра (1,2 – 2,0 мм) (механизированная сварка под флюсом и механизированная сварка плавящимся электродом в защитных газах, плазменная дуга). Граница между II и III участками приблизительно соответствует плотности тока .

Рассмотрим, как зависит положение статической характеристики от длины дуги и диаметра электрода . В соответствии с формулой (1.8) изменение длины дуги приводит к изменению величины напряжения в столбе и, следовательно, к изменению общего напряжения дуги. При увеличении длины дуги (с l_д1 до l_д2) вольтамперная характеристика смещается вверх и, наоборот, уменьшение длины дуги приводит к смещению ВАХ вниз (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Зависимость ВАХ-дуги от ее длины и диаметра электрода:

l_д – длина дуги; d_э – диаметр электрода;

I₁ и I₂ – граница между жесткой (участок I) и возрастающей (участок II)

ВАХ при диаметре электрода d₁ и d₂ соответственно

Изменение диаметра электрода отражается и на положении границы II-III – между жесткими и возрастающими участками характеристики. Чем больше диаметр электрода, тем при большей величине тока произойдет заполнение торца электрода катодным пятном. При этом граница перехода от жесткого участка характеристики к возрастающему сместится вправо (см. рис. 1.7 – пунктирная линия).

4. Статические характеристики источников

Зависимость напряжения на клеммах источника ( ), к которым подключается дуга (нагрузка), от величины тока в сварочной цепи ( ) называется внешней статической вольтамперной характеристикой источника:

. (1.10)

Электрическая цепь «источник-дуга» представляет собой единую энергетическую систему (рис. 1.8).

В этой системе источник с внутренним сопротивлением генерирует электродвижущую силу , которая расходуется на преодоление сопротивления всех элементов системы: самого источника Z_и, сварочных проводов Z_пр и сварочной дуги R_д:

. (1.11)

Рис. 1.8. Схема системы «источник-дуга» (а) и ее векторные диаграммы

для источника постоянного (б) и переменного тока (в);

1 и 2 – клеммы источника; – активное сопротивление источника

и дуги; – индуктивное сопротивление источника; Z_пр – сопротивление

сварочных проводов

Всякая электрическая цепь представляет собой электросопротивление Z, складывающееся из активной R и индуктивной Х составляющих:

Z = R + X . (1.12)

Металлический проводник обладает активным сопротивлением, величина которого зависит от материала проводника – удельного электросопротивления (ρ), его длины (l) и площади поперечного сечения: .

Если в цепь подается переменное (по величине или направлению) напряжение, то вокруг проводника возникает переменное магнитное поле, генерирующее в проводнике ток самоиндукции. Этот ток направлен противоположно к основному току, поэтому в цепи с переменным напряжением возникает индуктивное сопротивление Х, и полное сопротивление сварочной цепи описывается формулой (1.12).

В цепи постоянного тока, когда напряжение меняется только в момент включения или выключения подачи энергии, в установившийся период самоиндукция отсутствует и цепь представляет собой только активное сопротивление (Z = R).

Сварочная дуга также обладает только активным сопротивлением . Полное электрическое сопротивление сварочной цепи складывается из внутреннего сопротивления источника (сопротивление обмоток трансформатора, генератора или сопротивление выпрямительного блока – ), сопротивления дуги и сопротивления проводов, соединяющих источник с дугой – :

. (1.13)

В последовательно соединенной цепи системы «источник-дуга» протекает общий для источника и дуги сварочный ток I_д, поэтому уравнение (1.11) с учетом (1.13) в векторной форме принимает следующий вид

. (1.14)

На внешних клеммах источника «1» и «2» (см. рис. 1.8, а) электродвижущая сила Е_и примерно равна напряжению холостого хода источника: Е_и  U_x.

Если пренебречь сопротивлением проводов ( ), а внутреннее сопротивление источника обозначить как , то формула (1.14) примет вид

. (1.15)

При сварке на переменном токе электродвижущая сила источника затрачивается на преодоление индуктивного сопротивления его обмоток (Х_и) и на питание сварочной дуги (см. рис. 1.8, в):

. (1.16)

Электродвижущая сила источника постоянного тока в основном отдается сварочной дуге, так как индуктивное сопротивление источника в этом случае равно нулю (Х_и=0), а активное сопротивление обмоток, изготовляемых из меди или алюминия с высокой электропроводностью, мало, поэтому

. (1.17)

Уравнения (1.16) и (1.17) являются статическими вольт-амперными характеристиками источников питания дуги при сварке на переменном и постоянном токах соответственно.

5. Режимы работы источника

В процессе сварки источник работает на трех режимах: холостой ход, сварка и короткое замыкание.

При холостом ходе дуга не горит, ток в сварочной цепи отсутствует (I_д= 0). В этом случае напряжение на клеммах источника максимально: , и называется напряжением холостого хода (U_х).

При сварке в сварочной цепи идет ток I_д, а напряжение на клеммах источника станет ниже, чем при холостом ходе на величину падения напряжения внутри источника ( ) и на дуге ( )

. (1.18)

С учетом (1.16) и (1.17) статические характеристики источников в скалярной форме примут следующий вид:

- для источника переменного тока ; (1.19)

- для источника постоянного тока (Х_и = 0) . (1.20)

При коротком замыкании напряжение на дуге и на клеммах источника равно нулю ( ), а по цепи идет ток короткого замыкания (I_кз). В соответствии с (1.19) и (1.20) ток короткого замыкания для цепи переменного тока будет равен , а для цепи постоянного тока ,

где R_k – электросопротивление контакта электрод-деталь.

Таким образом, при сварке на переменном токе, ток короткого замыкания ограничен величиной индуктивного сопротивления источника (Х_и), а при сварке на постоянном токе – величиной сопротивления в контакте электрод-деталь. Так как при коротком замыкании сопротивление в дуговом промежутке мало ( 0), ток в сварочной цепи в этом случае неограниченно возрастает. Для ограничения тока короткого замыкания в цепь постоянного тока включают добавочное (балластное) активное сопротивление R_б, тогда .

Графическое изображение статической вольт-амперной характеристики источника представлено на рис. 1.9. Точка «1» характеризует режим холостого хода, точка «2» – режим сварки, точка «3» – режим короткого замыкания.

Рис. 1.9. Статическая внешняя вольтамперная характеристика источника

По типу внешних статических ВАХ все источники можно разделить на источники с падающей ( ), жесткой ( ) и возрастающей характеристиками. В общем случае характеристика источника нелинейна и угол наклона характеристики к оси тока, например в точках «3» и «2» (₃ и ₂), разный (см. рис. 1.9). Для удобства определения типа ВАХ источника ее приближенно принимают прямолинейной (рис. 1.10). Тангенс угла наклона линейной характеристики ( ) – величина постоянная и называется дифференциальным сопротивлением источника. Стандартом ГОСТ Р МЭК 60974-1-2004 характеристики делятся на следующие:

• жесткие (_и = +0,1…-0,07 В/А) и

• падающие ( < - 0,07 В/А).

Рис. 1.10. Вольтамперные характеристики источников

6. Динамические свойства источника

В процессе сварки происходят случайные неуправляемые или управляемые перерывы в горении дуги. К случайным неуправляемым перерывам относятся: короткое замыкание электродом или расплавленным электродным металлом, обрыв дуги из-за чрезмерного удлинения дуги и др. Управляемые перерывы в горении дуги применяют для регулирования объема сварочной ванны, скорости кристаллизации и охлаждения металла шва и околошовной зоны и т.п. (при импульсно-дуговой сварке, когда дозируется время горения и перерывов дуги).

При обрыве дуги и восстановлении ее стационарного горения параметры системы «источник-дуга» (напряжение U_д и ток I_д) восстанавливаются не сразу, а через некоторое время. Этот процесс восстановления системы называется переходным.

Рассмотрим осциллограмму тока при переходе такой системы от режима холостого хода к короткому замыканию, а затем к режиму стабильного горения дуги (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Переходные процессы в системе «источник-дуга»:

t_х-к – время перехода от холостого хода к короткому замыканию;

t_к-д – время перехода от короткого замыкания к нагрузке

В интервалах I, III и V система находится в установившемся состоянии, когда ток и напряжение на дуге не зависят от времени (I_д = Const и U_и = U_д = =Const). В переходных процессах II и IV происходит изменение этих параметров. Время переходных процессов от холостого хода к короткому замыканию (t_х-к) и от короткого замыкания к сварке (t_к-д) зависит от величины активного (R_и) и индуктивного (L_и) сопротивления источника, т.е. от его конструктивных параметров:

. (1.21)

Для сварочных источников время переходных процессов в сварочной цепи находится в диапазоне 10^-2 – 10^-3 с, что на два порядка больше, чем у дуги. Поэтому длительность электрических переходных процессов в сварочных цепях зависит, главным образом, от параметров источника, и, в меньшей степени, – от тепловой инерции дуги. Чем меньше время переходных процессов, тем меньше время случайных или управляемых перерывов в горении дуги, тем стабильнее процесс и выше качество сварки, тем лучше динамические свойства источника. Из формулы (1.21) следует, что время переходных процессов t_х-к и t_к-д, в основном определяется величиной индуктивного сопротивления источника. Чем меньше это сопротивление, тем меньше время восстановления стабильного горения дуги после случайных или управляемых перерывов.

Способы управления динамическими свойствами источников можно разделить на три группы.

1. Параметрический способ. Необходимый уровень динамических свойств обеспечивается подбором оптимальных параметров электрической цепи источника:

• напряжения холостого хода – U_x;

• внутреннего сопротивления источника – Z_и;

• индуктивности сварочной цепи – L.

Эти параметры подбираются при проектировании источника и при настройке перед сваркой. В процессе сварки они неизменны.

2. Координатный принцип заключается в программном изменении тока и напряжения во времени в соответствии с жестким алгоритмом. Быстродействие таких систем связано с частотой срабатывания силовых элементов источника. Например, тиристорные выпрямители работают с частотой включения вентилей не более 300 Гц, поэтому продолжительность любого интервала программы не может быть меньше 1/300  0,003 с. Такое быстродействие достаточно для управления формированием шва, но не в полной мере обеспечивает управление переносом электродного металла. Лучшим быстродействием обладают инверторные источники, у которых на промежуточных стадиях преобразований энергии частота достигает 1-100 кГц (10^-3-10^-5 с).

3. Компенсационный принцип управления предусматривает использование источников с обратными связями. В них с помощью датчиков тока и напряжения контролируется фактическое значение характеристик переходного процесса (величины пикового тока, длительности короткого замыкания и др.), а после сопоставления их с регламентируемыми значениями система управления воздействует на источник, приводя эти характеристики в норму.

1.2. ФУНКЦИИ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

В технологическом процессе дуговой сварки источник, воздействуя на дугу, выполняет следующие основные функции:

• обеспечивает зажигание дуги;

• поддерживает ее устойчивое горение;

• обеспечивает регулирование (настройку) режима сварки.

Кроме того, источник, воздействуя на технологический процесс через дугу, выполняет дополнительные функции:

• способствует благоприятному характеру переноса электродного металла;

• способствует качественному формированию шва.

1.2.1. Зажигание дуги

Надежность зажигания дуги является важным свойством источника, так как влияет на качество начального участка шва, а при сварке короткими швами – и на производительность. Различают начальное и повторное зажигание дуги. Хотя они выполняются одними и теми же способами, условия развития дугового разряда в этих случаях разные. При зажигании в начале сварки дуга возбуждается при холодных электродах, а при повторном – после случайных отрывов дуги ‑ уже при разогретых электродах.

На практике применяют два способа зажигания дуги:

• высоковольтным искровым разрядом;

• разрывом цепи короткого замыкания электрода на изделие.

При зажигании дуги высоковольтным искровым разрядом к дуге последовательно или параллельно источнику подключается высоковольтный источник малой мощности – осциллятор (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Схемы зажигания дуги высоковольтным электрическим

разрядом при последовательном (а) и параллельном (б) включении

осциллятора в сварочную цепь: ИП – источник питания;

ОСЦ – осциллятор; С – защитный конденсатор

По соображениям безопасности осциллятор выполняется импульсным или высокочастотным (частота f > 100 кГц). Высоковольтный источник создает между электродом и изделием мощное электрическое поле напряжением в несколько тысяч вольт.

В межэлектродном пространстве всегда имеется небольшое количество свободных электронов. Эти электроны разгоняются высоковольтным электрическим полем и при столкновении с нейтральными атомами вызывают лавинообразную ионизацию межэлектродного промежутка. При этом образуется плазменный канал из заряженных частиц, происходит пробой газового промежутка и возбуждение дугового разряда.

Напряженность электрического поля, необходимая для пробоя высокочастотным разрядом, зависит от химического состава газового промежутка (от эффективного потенциала ионизации), а также от длины свободного пробега электрона (от давления в газовом промежутке). Так, для пробоя воздуха при комнатной температуре и атмосферном давлении пробивное напряжение колеблется в пределах 1-3 кВ/мм. При дугах длиной 2-5 мм, применяемых в сварочной практике, напряжение высоковольтного источника (осциллятора) должно составлять не менее 2000-5000 В. В аргоне, имеющем более низкий потенциал ионизации, пробивное напряжение почти вдвое ниже, чем в воздухе и других двухатомных газах. Зажигание дуги высоковольтным разрядом в обязательном порядке применяется при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом, когда короткое замыкание вольфрамового электрода на изделие недопустимо.

Способ зажигания дуги разрывом короткого замыкания электрода на изделие применяется во всех случаях (кроме сварки неплавящимся вольфрамовым электродом), в том числе и в сочетании с высоковольтным искровым разрядом.

При замыкании электрода на изделие контакт осуществляется в отдельных точках (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Схема зажигания дуги разрывом короткого замыкания электрода

на изделие

Электрическое сопротивление в контакте электрод-изделие падает до R_к = 0,01-0,2 Ом, а напряжение снижается от U_x до U_к (рис. 1.14, а). Вследствие резкого падения электросопротивления ток короткого замыкания начиная с момента (точка 1 на рис. 1.14, б) растет со скоростью, зависящей от динамических характеристик источника, и в точке 2 достигает сотен ампер.

а)

б)

Рис. 1.14. Осциллограммы напряжения (а) и тока (б) при зажигании дуги

разрывом цепи короткого замыкания

Площадь соприкосновения электрода с деталью составляет всего 0,001-0,01 от площади сечения электрода. Поэтому плотность тока в точках соприкосновения настолько велика, что в момент короткого замыкания происходит мгновенное расплавление и испарение образовавшихся жидких перемычек (см. рис. 1.13). При этом активизируется термоэлектронная эмиссия. Кроме того, на ранней стадии разведения электродов (при расстоянии около 10^-9 мм между ними), как между обкладками конденсатора, относительно низкое напряжение источника создает напряженность электрического поля порядка 10¹¹ В/мм. Такая высокая напряженность поля более чем достаточна для мощной автоэлектронной эмиссии с любого катода. При этом напряжение в течение 0,05 – 0,2 с возрастает от U_ик до установившегося значения U_и = U_д, а ток снижается до I_д (точка 3) – начинается дуговой процесс.

1.2.2. Устойчивость системы «источник-дуга»

Одним из главных требований, обеспечивающих высокое качество сварных соединений, является постоянство сечения сварного шва по всей его длине. Это требование выполняется при постоянстве тепловой мощности дуги, то есть при

. (1.22)

Иными словами, необходимо, чтобы в течение всего процесса сварки система «источник-дуга» обеспечивала постоянство основных параметров дуги - U_д и I_д. В этом случае дуговой разряд будет устойчивым, без обрывов и коротких замыканий.

Для обеспечения устойчивого горения дуги необходимо, чтобы между ее статической ВАХ и внешней ВАХ источника было определенное соответствие.

В общем виде устойчивость системы «источник-дуга» оценивается по изменению энергии системы Q во времени. Если в системе нет приращения энергии ( dQ = 0), то все ее параметры остаются неизменными. Такое состояние называется установившимся и обеспечивает постоянство во времени всех составляющих процесса сварки.

Изменение энергии системы в единицу времени определяется разностью между мощностью, поступающей от источника, и мощностью, потребляемой дугой:

. (1.23)

В установившемся процессе горения дуги энергия системы должна оставаться постоянной, то есть . А это означает, что поступающая от источника и расходуемая в дуге энергии должны быть равны ( ), или

. (1.24)

Отсюда следует первое условие равновесия системы «источник-дуга»:

. (1.25)

Таким образом, система равновесна в точках пересечения вольт-амперных характеристик источника питания и дуги (точки А и В на рис. 1.15). Однако для устойчивой системы «источник-дуга» это условие необходимо, но недостаточно.

Система «источник-дуга» устойчива только тогда, когда при малых возмущениях она через некоторое время возвращается в установившееся (равновесное) состояние, характеризующееся равенством подаваемой и потребляемой мощности. Это требование является вторым условием устойчивости системы. Из двух точек А и В (рис. 1.15), где система равновесна, только одна из них отвечает второму условию устойчивого горения дуги.

В

Рис. 1.15. К оценке устойчивости системы «источник-дуга»

при малом возмущении по длине дуги:

а – схема процесса; б – удлинение дуги ( );

в – укорочение дуги ( )

Рассмотрим процессы при отклонении системы от точки равновесия «А». При малом резком удлинении дуги на в соответствии с уравнением (1.9) также скачком на увеличится напряжение дуги, а вольт-амперная характеристика дуги сместится вверх в положение (см. рис. 1.15, а). Состояние дуги будет отражаться точкой А₁, а источника – по-прежнему точкой А. Следовательно, первое условие равновесия системы ( ) в этом случае нарушено. Напряжение, необходимое для существования дуги , оказалось выше, чем напряжение источника , сопротивление дуги вследствие ее удлинения возросло, поэтому ток будет уменьшаться и параметры дуги будут изменяться в соответствии с ее ВАХ от точки А₁ влево. Поскольку слева от точки А характеристики источника и дуги не пересекаются, то снижение тока будет проходить до нуля, т.е. обрыва дуги. С другой стороны, малое укорочение длины дуги (см. рис. 1.15, в) привело бы к положению, когда напряжение, подаваемое на дугу от источника, оказалось выше напряжения дуги ( ). В этом случае ток в дуге возрастает и система из точки А₁ перейдет в точку В₂. Следовательно, система в точке А неустойчива.

Подобным образом проанализируем устойчивость системы в точке «В». При малом резком удлинении дуги на напряжение дуги, как и в предыдущем случае, увеличится и вольт-амперная характеристика дуги сместится вверх в положение (см. рис. 1.15, б). В этот момент состояние дуги отражается точкой В₁, а источника – по-прежнему точкой В, то есть система вышла из равновесия. Напряжение, необходимое для существования дуги , при этом становится выше напряжения источника , электрическое сопротивление дуги вследствие ее удлинения, возрастает, а ток, как и в точке А, уменьшается. Но в отличие от точки А, где удлинение дуги приводит к необратимому нарушению равновесия и обрыву дуги, в точке В снижение тока в дуге происходит по линии В₁-В₂ вплоть до пересечения с характеристиками источника в точке В₂. Таким образом, система приходит в новое равновесное состояние. Аналогичным способом можно доказать, что и при укорочении дуги ( ) в точке В система придет в новое равновесное состояние (точка В₂ на рис. 1.15, в). Отсюда можно сделать вывод: при любых малых отклонениях по длине дуги система «источник-дуга»в точке В устойчива.

Нетрудно заметить, что в отличие от точки А наклон характеристики источника в точке В круче, чем у дуги. Как известно, наклон кривой к оси абсцисс выражается первой производной (в нашем случае ). Таким образом, условие устойчивости системы «источник-дуга» можно записать как

, (1.26)

где k_у – коэффициент (критерий) устойчивости.

Для повышения запаса устойчивости системы, т.е. для увеличения k_у, следует увеличивать наклон характеристики источника и уменьшать наклон характеристики дуги. Иными словами, для выполнения условия (1.26) необходимо соответствие внешней характеристики источника форме характеристики дуги. Второе условие равновесия системы «источник-дуга» математически формируется следующим образом.

Система «источник-дуга» устойчива при малых возмущениях в том случае, когда разность производных дуги и источника по току в точке пересечения их характеристик - величина положительная.

При падающей характеристике дуги – величина отрицательная. В этом случае выполнение условия (1.26) возможно, если характеристика источника тоже падающая, т.е. – величина отрицательная, а крутизна ее падения в рабочей точке В (рис. 1.16) для получения положительного значения К_у должна быть больше, чем у дуги: . При использовании дуги на жестком участке ( ) в точке С характеристика может быть и пологой ( ) и крутой ( ), но непременно падающей .

Рис. 1.16. К выбору характеристики источника в зависимости

от характеристики дуги

Если дуга имеет возрастающую характеристику ( ), то для обеспечения ее устойчивости источник в точке Д может иметь как падающую ( ), так и жесткую ( ) и даже пологовозрастающую ( ) характеристику, если крутизна ее возрастания меньше крутизны характеристики дуги (то есть ).

Наибольшим запасом устойчивости в точке Д обладает, естественно, система с источником, имеющим крутопадающую характеристику ( ), поскольку при этом коэффициент устойчивости К_у максимален.

1.2.3. Регулирование (настройка) режима сварки

Энергетические параметры режима сварки (сила тока и напряжение дуги ) обычно настраивают перед началом сварки. Учитывая, что при установившемся режиме , из уравнения (1.15) получим формулу настройки силы тока:

. (1.27)

Из этой формулы следует, что регулирование тока в дуге можно осуществлять двумя способами: изменением величины напряжения холостого хода ( ) (рис. 1.17, а), или сопротивления источника ( ) (рис. 1.18, б).

Если на семейство статических характеристик источника нанести вольтамперную характеристику дуги (рис. 1.17), то получим графическое изображение настройки режимов сварки. Одним из главных параметров источника является диапазон регулирования тока ( ) или кратность регулирования тока ( ).

Рис. 1.17. Настройка сварочного тока изменением напряжения холостого

хода (а) и сопротивления источника (б)

1.2.4. Режимы работы источника питания

Любая электротехническая установка, в том числе источник питания, рассчитана на определенную нагрузку, при которой она работает, не перегреваясь выше установленной температуры. Наименее теплостойкими в источнике являются изоляция обмоток и вентили выпрямительных блоков. Источник питания рассчитан по нагреву на определенный режим работы, определяемый характером изменения нагрузки во времени. Ток, напряжение и мощность источника, при которых он работает в данном режиме, не перегреваясь выше нормы, называют номинальными (расчетными).

Различают три режима работы источников питания: продолжительный, перемежающийся и повторно-кратковременный.

При длительной работе источника на номинальном токе, напряжении и мощности (продолжительный режим) температура и перегрев источника через некоторое время достигают установившихся значений ( ). Перегревом (Т) называется разность температур источника Т_и и окружающей среды Т_о (рис. 1.18, а). При установившейся температуре источника и перегреве наступает равенство тепла, выделяемого в источнике при его работе и отдаваемого в окружающую среду.

Рис. 1.18. Нагрузка и температура источника при продолжительном (а),

повторно-кратковременном (б) и перемежающем (в) режимах работы:

Р_н – номинальная нагрузка; Т_н, Т₂ и Т₃ – изменение температуры источника; Т_у и ΔТ_у – установившиеся температура и перегрев источника;

t_p, t_x и t_о – время работы источника во время сварки при холостом ходу и

время перерывов соответственно; Т_ц - длительность цикла

Если нагрузка превышает номинальную ( ), источник начинает перегреваться и из-за повреждения изоляции выйдет из строя. При нагрузке меньше номинальной ( ) источник используется не на полную мощность. Продолжительный режим работы источника характерен для автоматической сварки протяженных швов.

При повторно-кратковременном режиме в отличие от перемежающегося источник не работает на холостом ходу, а на время t_o отключается от питающей силовой сети (см. рис. 1.18, в). Повторно-кратковременный режим характеризуется относительной продолжительностью включения

( %%), (1.28)

В таком режиме, как правило, работают источники питания установок для механизированной сварки.

При перемежающемся режиме за время работы t_p (см. рис. 1.18, в) температура источника не достигает значения Т_у, а во время перерывов в работе (t_п) на холостом ходу не успевает охладиться до температуры окружающей среды Т_о. Во время перерывов источник работает на холостом ходу. В таком режиме источник работает при ручной дуговой и механизированной сварке в углекислом газе. Перемежающийся режим принято характеризовать относительной продолжительностью работы источника

( %%), (1.29)

Длительность цикла работы источников, предназначенных для ручной дуговой сварки при перемежающемся и повторно-кратковременном режимах, принята равной 5 минут, а для источников для механизированной сварки универсальных – 10 минут. Например, если в паспорте источника указана номинальная продолжительность работы источника ПР_ном = 60 %, то при полном времени цикла Т_ц= 5 минут источник на номинальном токе будет работать без перегрева, если дуга в течение пятиминутного цикла горит не более t_р = 5  0,6 = 3 минуты. Если источник работает на режимах ПР_раб, отличающихся от паспортных (от ПР_ном), то максимально допустимый сварочный ток определяют по соотношению

. (1.30)

1.2.5. Классификация и маркировка источников питания

Источники питания классифицируются по различным признакам – по роду тока, по количеству питаемых постов, по принципу действия, по конструктивному оформлению и др.

По роду тока источники питания делятся на источники постоянного и переменного тока.

По количеству одновременно включаемых сварочных постов – на однопостовые и многопостовые источники.

Согласно единой системе обозначения изделий отечественной электротехнической промышленности, распространяемой и на сварочные источники питания, основные классификационные и эксплуатационные характеристики содержатся в маркировке источников в виде буквенных и цифровых символов:

1. по роду сварочного тока и типу источника первая буква обозначает трансформатор (Т), генератор (Г), преобразователь (П), агрегат (А), выпрямитель (В), специализированный источник-установка (У);

2. по виду сварки (вторая буква): источник для дуговой (Д), для плазменной (П);

3. по способу сварки: в защитном газе (Г), под флюсом (Ф), универсальный (У), покрытым электродом (без обозначения);

4. по виду внешней вольт-амперной характеристики: жесткая (Ж), падающая (П);

5. по количеству обслуживаемых постов: многопостовые (М);

6. по величине номинального тока (одна или две цифры означают округленную величину номинального тока в десятках или сотнях ампер);

7. по климатическому исполнению (последняя буква): для стран с холодным (ХЛ), умеренным (У) или тропическим (Т) климатом;

8. по условиям эксплуатации (последняя цифра): для работы на открытом воздухе (1), под навесом (2), в помещении (3), в отапливаемом помещении (4).

Например, источник марки ТДФЖ-1002 У3 является трансформатором (Т) для дуговой сварки (Д) под флюсом (Ф) с номинальным током в 1000 А (цифра 10 обозначает сотни ампер); с регистрационным номером разработки – 02, для стран с умеренным климатом (У), для работы в помещениях (3).