ОСОБЕННОСТИ СВАРОЧНОЙ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

§ 1. УСТОЙЧИВОСТЬ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Основные закономерности возникновения и устойчивого существования дугового разряда, изложенные в предыдущей главе, спра­ ведливы как для постоянного, так и для переменного тока.

Однако электрические и тепловые процессы, происходящие в дуге переменного тока, имеют некоторые особенности, которые оказывают существенное влияние на устойчивость дуги и работу источников питания.

При питании дуги от источника с синусоидальным напряжением ток и напряжение дуги периодически изменяют величину и направле­ ние. Вследствие этого полярность электрода и изделия, а также физические условия существования дугового разряда периодически

Так как дуга является одним из нелинейных элементов элек­ трической цепи, сопротивление которого зависит от тока, то кри­ вые тока и напряжения дуги, питаемой от источника с синусои­ дальным напряжением, будут искажены и отличны от синусоид (см. фиг. 14).

При переходе тока через нуль и перемене полярности в начале и конце каждого полупериода дуга угасает, а температура дугового промежутка снижается. Вследствие этого происходит деионизация дугового промежутка и соответственно уменьшается его электро­ проводность. Напряженность электрического поля в дуге в момент изменения полярности скачком изменяет свою величину и направле­ ние. Поэтому объемные заряды, образовавшиеся в предшествующий полупериод в приэлектродных областях, устремляются навстречу друг другу, что еще более усиливает деионизацию дугового проме­ жутка и приэлектродных областей. Охлаждение активных пятен, которое особенно интенсивно происходит на свариваемом металле, обладающем большой массой, также увеличивает деионизацию дуги. В результате интенсивного снижения электропроводности дугового промежутка после угасания дуги повторное зажигание ее в начале каждого полупериода может произойти только при повышенном на­

пряжении, называемом напряжением повторного зажигания дуги переменного тока U3 > Ud (см. фиг. 18). Так как напряжение источника иа также изменяется периодически во времени, то необхо­ димо, чтобы в момент повторного возбуждения дуги напряжение источника было не меньше напряжения зажигания, т. е. ии > Uг Нели это условие не соблюдается, то мгновенное повторное зажига­ ние дуги в начале полупериода будет невозможно; в течение неко­ торого промежутка времени наступает перерыв в горении дуги (см. фиг. 18). Во время паузы охлаждение и деионизация дугового промежутка еще более усиливаются, что, в свою очередь, приведет

нием дуги увеличиваются, что приводит к повышению напряжения повторного зажигания и снижает устойчивость дуги. Обрыв дуги переменного тока при прочих равных условиях происходит при меньшей длине, чем на постоянном токе, так как дуга постоянного тока горит непрерывно, без периодических угасаний и повторных зажиганий.

С увеличением рабочих токов физические условия существова­ ния дугового разряда улучшаются, что приводит к снижению напря­ жения зажигания и повышению устойчивости дуги.

На фиг. 13 показана зависимость напряжения зажигания откры­ той дуги (стальной электрод, d9 == 3 мм) от действующего значения сварочного тока. Как видно из кривой, при малых токах, до 100 а9 напряжение зажигания U3 превосходит нормальное напряжение горения дуги в 1,5—2,5 раза, что свидетельствует о снижении устой­ чивости дуги при малых токах.

Как было указано в главе I, отрицательные ионы фтора, содержа­ щегося в некоторых флюсах, уменьшают степень ионизации дугового промежутка.

Вследствие этого при сварке под флюсами, содержащими зна­ чительное количество соединений фтора, напряжение зажигания дуги относительно велико: U3 % (2 ч- 3) Ud.

свойства разные. Так, например, при сварке цветных сплавов или нержавеющей стали дугой в аргоне с неплавящимся вольфрамовым электродом выпрямление переменного тока проявляется весьма сильно и величина постоянной составляющей в кривой тока будет значительной. В качестве примера на фиг. 15 показаны осцилло­

и одинаковых материалах электрода и изделия выпрямляющее дей-

тора.

ствие дуги будет незначительным, а кривые тока и напряжения будут симметричны относительно оси абсцисс.

Если построить зависимость между мгновенными значениями напряжения и тока дуги ид = f (id), то получим так называемую динамическую характеристику дуги. На фиг. 16 изображены дина­ мические характеристики дуги Fe — Fe под флюсом для одной половины периода, когда катодом является электродная проволока, при разных амплитудных значениях сварочного тока.

Динамическая характеристика, в отличие от статической, отра­ жает зависимость между током* и напряжением дуги в условиях быстрых изменений тока, когда не все электрические и тепловые процессы успевают достигнуть установившегося состояния.

Исследования изменения температуры столба дуги переменного тока, выполненные в Институте электросварки АН УССР [10], пока­ зали, что при изменении тока от нуля до максимума температура столба изменяется от минимума 4800° до максимума 7500—8000° С, причем температура столба дуги в первую четверть периода для одинаковых значений тока меньше, чем во вторую четверть периода. Это различие объясняется тем, что нагрев столба дуги в первую четверть периода происходит от минимальной температуры и вслед­

ствие тепловой инерции протекает медленнее, чем возрастание тока. Во вторую четверть периода, наоборот, охлаждение столба дуги начинается с более высоких температур, а снижение температуры протекает медленнее, чем уменьшение тока. Указанный «тепловой гистерезис» дуги обусловливает различие в электропроводности и размерах столба дуги в разные четверти периода. Поэтому ветви динамической характеристики, отвечающие возрастанию и убыва­ нию тока, расходятся (фиг. 16). Однако это расхождение для мощных дуг под флюсом невелико, так как отставание температуры от тока по фазе не превышает 10—15% длительности периода.

Другой весьма важной особенностью динамических характери­ стик мощных дуг (фиг. 16) является их возрастающий характер. Это явление обусловлено следующими причинами. При быстрых изменениях переменного тока размеры столба мощной дуги изме­ няются мало из-за инерции тепловых процессов [8 ], а следовательно, электропроводность столба с изменением тока в течение полупериода также будет мало изменяться. Поэтому между мгновенными значе­ ниями напряжения и тока дуги существует пропорциональная зави­ симость, т. е. динамическая характеристика будет возрастающей.

Как показали исследования [8 ], несмотря на возрастающую динамическую характеристику, статическая характеристика сва­ рочной дуги переменного тока, построенная для действующих зна­ чений напряжения и тока, может быть, как и при постоянном токе, падающей или независимой от тока.

Это объясняется тем, что с увеличением действующего значения сварочного тока средние размеры, температура и электропровод­ ность столба дуги будут увеличиваться, а плотность тока в столбе будет уменьшаться. При одинаковых токах и длине дуги напряжение дуги переменного тока выше, чем при постоянном токе. Это вызвано тем, что при одинаковых токах средние размеры сечения и темпера­ тура столба дуги переменного тока меньше, т. е. градиент потенциала в столбе будет несколько больше.

Описанные выше явления позволяют* отметить следующие осо­ бенности процессов в дуге переменного тока:

а) Вследствие периодических угасаний и повторных зажиганий дуга переменного тока менее устойчива, чем при постоянном токе. С увеличением тепловой мощности, улучшением условий иониза­ ции дугового промежутка и уменьшением охлаждения устойчивость дуги возрастает.

б) Периодические изменения напряжения и тока дуги обуслов­ ливают нестационарное состояние основных процессов в дуговом промежутке. Вследствие этого динамические характеристики дуги могут быть возрастающими, а* условия существования дугового разряда в разные четверти периода будут различными.

в) Статические характеристики дуги переменного тока для дей­ ствующих значений напряжения и тока подобны статическим харак­ теристикам дуги при постоянном токе.

г) Вследствие нелинейности сопротивления дуги кривые тока и напряжения отличаются от обычных синусоидальных кривых и цепях переменного тока с линейными элементами. Для большин­ ства случаев сварки плавящимся электродом эти кривые симметричны относительно оси абсцисс.

§ 2. АНАЛИЗ КРИВЫХ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, СОДЕРЖАЩЕЙ СВАРОЧНУЮ ДУГУ

При анализе кривых тока и напряжения в электрических цепях переменного тока, содержащих дугу, необходимо исходить из ос­ новных положений теории несинусоидальных периодических пере­ менных токов [25].

Как известно, если ток или напряжение являются несинусои­ дальными периодическими функциями времени вида— F{^t)y то их можно представить в виде конечных или бесконечных триго­

<&=2ъ/— угловая частота несинусоидальной периодической функции;

— начальные фазы гармоник, зависящие от принятого начала отсчета времени.

Как мы уже указывали в предыдущем параграфе, для большин­ ства видов дуговой -сварки плавящимся электродом можно в пер­ вом приближении считать кривые тока и напряжения симметрич­ ными относительно оси абсцисс. В этом случае, как известно, ряд Фурье не содержит ни постоянной составляющей, ни четных гармо­

дуги лишь в бесконечно малый промежуток времени в начале полупериода, то напряжение дуги изобразится кривой, имеющей форму прямоугольника (см. фиг. 14, а и 19). Как показали исследования

сварочной дуги переменного тока [23], [24], подобное допущение дает результаты, хорошо совпадающие с опытными данными.

При разложении в ряд Фурье периодической функции, изобра­ жаемой прямоугольником, получаем следующее выражение при условии, что началом отсчета будет момент, когда ток и напряжение дуги переходят через нуль:

Степень отличия несинусоидальной периодической кривой от си­ нусоидальной определяется процентом содержания в кривой гар­ моник высшего порядка. Этот процент определяется из отношения амплитуды гармоники высшего порядка к амплитуде основной (первой) гармоники. Из уравнения (12) следует, что содержание

Анализ осциллограмм напряжения дуги под флюсом [26 ] показал, что с увеличением действующего значения напряжения дуги от 20 до 55 в содержание третьей гармоники снижается с 27,5 до 13,5%, а пятой гармоники — с 14,5 до 9%. Таким образом, искажение кривой напряжения дуги под флюсом уменьшается с повышением напряжения дуги.

насыщение стальных сердечников реактивных катушек и трансфор­ маторов. При сильном насыщении сердечников кривая тока будет отлична от синусоиды, даже если другие элементы цепи будут линей­ ными. Это снижает устойчивость дуги и, как будет показано ниже, уменьшает коэффициент мощности.

Кривая тока в дуге в зависимости от параметров сварочной цепи может значительно отличаться от кривой напряжения. Рас­ смотрим подробнее это явление для случая выпрямляющего дей­ ствия дуги, когда в кривой напряжения имеется постоянная состав­ ляющая. Допустим, что к цепи, содержащей дугу и последовательно

Кривую напряжения дуги при наличии постоянной составляющеп можно представить рядом типа (10):

Сучетом выражения (13) уравнение кривой падения напряжения

иактивном и индуктивном сопротивлениях сварочной цепи можно выразить так:

При определении уравнения кривой тока дуги на основе урав­ нения (14) следует иметь в виду, что постоянная составляющая и кривой тока зависит только от постоянной составляющей в кри­ вой падения напряжения и величины активного сопротивления Rc, а амплитудное значение &-той гармоники переменной состав­ ляющей тока определяется амплитудным значением напряжения и полным электрическим сопротивлением цепи для соответствую­ щей гармоники:

ге = / Rl + Xl = / Rl + (k*Lc)\

Как видно из последнего выражения, полное электрическое сопротивление zc увеличивается с увеличением порядка гармоники, так как при этом возрастает частота тока и индуктивное сопротив­ ление цепи Х с.

Таким образом, уравнение кривой тока дуги будет иметь следую­ щий вид:

В отличие от синусоидальных кривых отношение амплитудного значения к действующему не равно У 2.

Активная мощность дуги, как средняя мощность за период, вычисляется по уравнению

Дуга является нелинейным активным сопротивлением. Вслед­ ствие искажения кривых тока и напряжения активная мощность дуги не равна, как в случае синусоидальных кривых, произведению действующих значений тока и напряжения. В общем случае

Коэффициент Аа называется коэффициентом мощности дуги. Этот коэффициент определяет снижение активной мощности дуги переменного тока вследствие искажения кривых тока и напряжения.

Расчеты в электрических цепях с несинусоидальными токами и напряжениями при помощи разложения функций в ряд Фурье достаточно сложны. Поэтому в инженерных расчетах часто прибегают к замене несинусоидальной кривой эквивалентной синусоидой, действующее значение которой равно действующему значению заме­ няемой несинусоидальной кривой. При одновременной замене кри­ вых тока и напряжения дуги эквивалентными синусоидами послед­ ние должны быть сдвинуты относительно друг друга на некоторый

Изложенные выше основные положения теории несинусоидаль­ ных переменных токов позволяют дать более подробный анализ явлений в электрической цепи, содержащей дугу.§

§ 3. ОСОБЕННОСТИ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ЦЕПИ С АКТИВНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ

Принципиальная схема питания сварочной дуги переменного тока изображена на фиг. 17.

Питание дуги происходит от источника синусоидального напря­

где — угол сдвига фазы напряжения по отношению к току.

Примем, что действующее значение напряжения источника питания Uа не зависит от тока и равно напряжению холостого хода:

нулю. Зажигание дуги будет возможно лишь тогда, когда напряже­

где (о = 2тс/.

При заданных физических условиях существования дугового разряда и заданной частоте, т. е. заданных значениях U3f Uдг и /, время перерыва в основном зависит от напряжения холостого хода

устойчивого горения дуги, т. е. малого времени перерыва, необхо­ димо, чтобы напряжение холостого хода превосходило напряжение

горения в 2 раза! и больше: ^ > 2.

С уменьшением действующего значения тока дуги это отношение должно возрастать, так как пг также увеличивается.

Рассматривая форму кривых напряжения и тока дуги, можно сделать следующие выводы.

Когда дуга не горит (от 0 до о)/3 и от тс—a>/v до тс), напряжение на дуговом промежутке изменяется по синусоиде, т. е.

ud ^ U umsw4>t,

а при горении дуги (от a)t3 до тс—а>^) напряжение будет неизмен­ ным и равным 0 дг.

Ток в интервалы времени? когда дуга не горит, равен нулю. При горении дуги (от <о t3 до тс—о>ty) будет справедливо следующее

Учтя уравнение'(21), можно написать выражение для тока в ин­ тервале (оt3 < tot < тс—a)ty:

\ д колеблется в пределах 0,75—0,85. При уменьшении напряжения холостого хода, т. е. при увеличении перерывов в дуге, Хд умень­ шается.

§ 4. ОСОБЕННОСТИ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ЦЕПИ С ИНДУКТИВНОСТЬЮ

Uит .

COS^>,

откуда, заменяя a>Lc = X cy получим уравнение для тока в сварочной цепи:

уравнению (29) приведено на фиг. 20.

Используя условие непрерывности горения дуги (25) и учтя уравнение (28), можно определить соотношение между напряжением холостого хода источника питания и напряжением дуги, при кото­ ром дуга горит непрерывно и устойчиво.

Уравнения (25) и (28) можно переписать так:

Возводим обе части этих уравнений в квадрат и суммируем их:

и1

^Г + w \ < 1.

Полагая U3 — mUd и произведя преобразования, получим

1. Устойчивость дуги улучшается при наличии индуктивности п сварочной цепи.

2. Для обеспечения непрерывности горения дуги в обычных условиях сварки отношение напряжения холостого хода источника

питания к напряжению дуги щ должно быть в пределах 1,8—2,5.

С увеличением напряжения холостого хода и действующего значе­ ния сварочного тока устойчивость дуги улучшается. Однако напря­ жение холостого хода не должно быть чрезмерным, так как габа­ риты, вес и мощность оборудования увеличиваются с увеличением

пли длины дуги желательно, чтобы напряжение холостого хода

5. Расчет электрических цепей, содержащих дугу, можно с до­

§ 5. ТРЕХФАЗНАЯ СВАРОЧНАЯ ДУГА

Сварка трехфазной дугой обычно производится двумя электро­ дами от трехфазных сварочных трансформаторов или специаль­ ной трехфазной схемы питания. Две фазы от источника питания подключаются к электродам, а третья фаза — к свариваемому изделию. Схематическое изображение трехфазной сварочной дуги приведено на фиг. 23. Параллельное расположение электродов, разделенных непроводящим покрытием, так называемый сдвоен­ ный электрод, применяется обычно при ручной сварке (фиг. 23, а). При автоматической сварке электродные проволоки располагают под углом (фиг. 23, б).

Как видно из фиг. 23, трехфавная дуга состоит из трех отдель­ ных дуг, горящих в одном общем плавильном пространстве или имеющих общую газовую полость: две зависимые дуги горят между каждым из электродов и свариваемым изделием, а третья — незави­ симая (косвенная) дуга возникает между двумя электродами.

На фиг. 24 приведено схематическое изображение последователь­ ности горения отдельных дуг и показана полярность электродов и изделия в трехфазной дуге через 7 12 периода. Как видно из схемы* и каждый момент времени в трехфазной дуге может существовать нс более двух отдельных дуг. Это объясняется тем, что на небольшом по площади торце одного из электродов не могут возникнуть одно­ временно катодное и анодное пятна. Так, например, для того чтобы

4*

IV/KIIM горения каждой дуги характеризуется напряжениями t/i2,

ф;|.и\ Режим работы системы, состоящей из источника питания и по­

11ри нормальных режимах сварки трехфазной дугой напряжения пнисимых дуг между электродами и изделием и токи в электродах идимаковы, т. е. t/ 23= U3l и А = / 2.

Важнейшей особенностью сварки трехфазной дугой является тмможность регулировать распределение мощности или теплоты, утрачиваемой на расплавление электродов и проплавление основ­

н соотношение между напряжениями отдельных дуг — через К :

н количество расплавленного металла электродов сравнительно невелико. Наоборот, при km < 1 глубина проплавления может быть незначительной, а количество расплавленного металла элек­ тродов велико. Такое раздельное регулирование режима процессов плавления невозможно при однодуговой сварке, когда токи в элек­ троде и изделии всегда одинаковы.

В зависимости от отношения линейных токов km и напряжений отдельных дуг kH-изменяются токи в дугах.

Как известно из теории трехфазных цепей, при соединении на­ грузки в треугольник справедливы следующие уравнения для

U12"Ь ^23 ^31 ==

Если заменить действительные кривые тока и напряжения дуги эквивалентными синусоидами и пренебречь коэффициентом мощ­ ности Аа, то справедливы будут следующие уравнения:

дуга между электродами, а зависимые дуги между каждым из элек­ тродов и изделием горят меньший промежуток времени, главным образом, когда угасает независимая дуга.

Однако в трехфазной дуге в любой момент времени горит по крайней мере одна из трех составляющих ее дуг. Следовательно, м отличие от однофазной дуги трехфазная сварочная дуга горит непрерывно. Поэтому устойчивость горения трехфазной дуги, как правило, выше, чем однофазной дуги. Повторное зажигание отдель­ ных дуг после угасания в конце полупериода происходит без пика напряжения U3 в условиях, когда дуговой промежуток достаточно ионизирован, а температура активных пятен высокая.

Вследствие повышенной устойчивости трехфазной дуги напря­ жение холостого хода источника питания и индуктивность свароч­ ной цепи могут быть значительно снижены по сравнению с одно­

УСТОЙЧИВОСТЬ СВАРОЧНОЙ ДУГИ И ТРЕБОВАНИЯ К СТАТИЧЕСКИМ И ДИНАМИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

§ 1. СТАТИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ СИСТЕМЫ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ~ ДУГА

Вустойчивом состоянии дуговой разряд происходит непрерывно,

втечение длительного промежутка времени, при заданных значе­ ниях тока и напряжения дуги.

Устойчивость горения дуги и стабильность режима сварки зави­ сят как от физических условий существования дугового разряда, так и от свойств и параметров источника питания и всех других элементов электрической цепи.

Для удобства анализа в дальнейшем под термином «источник или схема питания» подразумевается как сам источник питания, так и все другие элементы, образующие электрическую цепь, исклю­ чая сварочную дугу, являющуюся основным потребителем электри­ ческой энергии при сварке.

Физические условия существования устойчивого дугового раз­ ряда и свойства сварочной дуги, отображаемые ее статической харак­ теристикой, были описаны в главе I. Поэтому в данной главе в ос­ новном рассматривается влияние свойств и параметров схемы пита­ ния на устойчивость дуги и определяются требования к характеристи­ кам оборудования с учетом свойств сварочной дуги.

Установившийся режим системы, состоящей из источника пита­ ния и потребителя энергии — сварочной дуги, определяется равен­ ством напряжений и токов в них. Следовательно, в установившемся состоянии

На фиг. 26 изображены внешняя характеристика источника питания Uи = Д (/) (кривая 1) и статическая характеристика дуги Vд = /г (/) (кривая 2). Как видно из фиг. 26, установившееся состоя­ ние системы определяется точками пересечения этих характери­ стик А0 и Aif удовлетворяющих уравнениям (41) и (42).

</a= f2(/).

Для определения условий статической устойчивости системы следует проанализировать поведение системы при весьма малых отклонениях от состояния равновесия.

Для упрощения анализа примем, что источник питания обла­ дает электромагнитной инерцией (см. § 5), обусловленной толькоиндуктивностью сварочной цепи (фиг. 27). Кроме того, не будем учитывать явления саморегулирования дуги с плавящимся электро­ дом (см. § 3).

Уравнение динамического равновесия такой системы имеет вид

Система будет находиться в состоянии устойчивого статического равновесия при условии, если малое отклонение тока от заданного значения с течением времени будет уменьшаться. Если, наоборот, это отклонение растет, то равновесие системы будет неустойчивым.

Анализируя уравнение (46), можно сделать вывод, что основным условием статической устойчивости системы является

Тс> 0

так как Lc всегда больше нуля.

При соблюдении этого условия, как видно из уравнения (46), возникшее отклонение тока ДIр будет с течением времени убывать по экспоненте, стремясь в пределе к нулю.

Таким образом, основное условие устойчивости может быть сформулировано в следующем виде: коэффициент устойчивости си­ стемы при дуговой сварке kyy равный разности производных урав­ нений статических характеристик дуги и источника питания в ра­ бочей точке, должен быть положительным.

Физический смысл указанного условия устойчивости может быть пояснен при помощи основных понятий, принятых в теории нели­

щей связь между мгновенными значениями напряжения и тока в про­ цессе их изменения в нелинейных элементах, называется динами­

ческим сопротивлением элемента, а отношение - у - , отображающее

связь между этими же величинами в установившемся состоянии, принято называть эквивалентным сопротивлением элемента. Ди­ намические и эквивалентные сопротивления нелинейных элемен­ тов являются функциями тока и напряжения.

отклонение е течением времени будет увеличиваться так, что дуга либо погаснет (Д/р < 0), либо ток в дуге возрастет до значения / = /р (Д/р > 0), и система перейдет в новое равновесное состояние,

определяемое точкой А0.

В обычных условиях сварки, в первую очередь при ручной дуго­ вой сварке, напряжение дуги прктически не зависит от тока (см.

Д°лжна быть отрицательной, т. е. внешняя характеристика

источника питания и в этом случае должна быть падающей, но кру­

Напряжение холостого хода может быть близко по своей величине к рабочему напряжению дуги: U0ж £/р.

Для возрастающей характеристики дуги динамическое сопро­ тивление дуги положительно (-gp) > 0. В этом случае коэффициент устойчивости kv может быть положительным при абсолютно жест-

растающей статической характеристике дуги, в первую очередь при постоянном токе, принципиально допустима возрастающая внеш­ няя характеристика источника питания. Для соблюдения условия

§ 2. УСТОЙЧИВОСТЬ ДУГИ И СТАБИЛЬНОСТЬ РЕЖИМА СВАРКИ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ДЛИНЫ ДУГИ

В условиях сварки, особенно при ручной дуговой сварке, воз­ можны внезапные (ступенчатые) или периодические изменения длины дуги, а также может возникнуть необходимость несколько растя­ нуть дугу, когда приходится сваривать изделия в неудобных или труднодоступных местах. Следовательно, сварочная дуга должна быть устойчивой, или, как говорят, эластичной в случае ее удли­ нения (растягивания) в некоторых пределах, а режим сварки не дол-

жен резко изменяться. Критерием устойчивости или эластичности дуги может служить максимальная длина дуги /ат, до которой можно ее растягивать без опасности обрыва, т. е. угасания дугового раз­ ряда.

При удлинении дуги ток /а, как правило, уменьшается (см., например, фиг. 28). В зависимости от физических условий существо­ вания дугового разряда (материал электродов, покрытий или флю­ сов, электропроводность и температура столба, условия охлажде­

значение тока дуги и чем меньше отклонение тока при удлинении дуги, тем больше максимальная длина, до которой можно растя­ нуть дугу до ее обрыва.

На величину 1Ш существенное влияние оказывает также исход­ ный режим, т. е. значение сварочного тока, при котором начинается удлинение дуги: чем больше начальный сварочный ток, тем больше можно растянуть дугу при прочих равных условиях.

Для заданных физических условий существования дугового разряда, т. е. для заданного / mJn, возможность удлинения дуги определяется в основном величиной отклонения тока дуги Д/а при

Для подтверждения последнего положения рассмотрим случай изменения длины дуги при падающей внешней характеристике источника и падающей статической характеристике дуги. Нетрудно, показать, что выводы, полученные при анализе такой системы, справедливы также для устойчивой системы с дугой, имеющей жест­ кую или возрастающую статическую характеристику.

На фиг. 28 изображены две статические характеристики дуги для двух значений длины дуги 1д1 (кривая 1) и /а2 (кривая 2) и внеш­ няя характеристика источника питания (кривая S). При меньшей длине дуги режим сварки определяется точкой Лх, а при удлине­

а ток —на Д/а.

Допустим, что в пределах рассматриваемых отклонений тока участки статических характеристик дуги и источника питания будут прямолинейными. Тогда суммарное отклонение напряже­ ния дуги ДUd от изменения тока и длины дуги определяется, .со­ гласно фиг. 28, из следующего выражения:

Например, в случае падающей статической характеристики дуги, которая имеет место при малых плотностях тока в электроде, коэф­

нение тока Д /а, вызванное удлинением дуги, велико, а максимально допустимая длина дуги и устойчивость ее малы.

Фиг. 29. Определение отклонения тока Aid для различных статических характеристик дуги:

Д/Э1 > Д 1д2 > Ale3.

Для режимов, при которых напряжение дуги не зависит от тока,

устойчивость или эластичность дуги при таких режимах возрастает по сравнению с режимами, для которых статическая характеристика дуги падающая.

или эластичность дуги наибольшей.

Для пояснения приведенных выше выводов на фиг. 29 показано отклонение тока Д/а при одинаковом удлинении дуги на величину Д/а для трех видов статической характеристики дуги: падающей —

определения отклонения тока Д/а на фиг. 30 аналогична фиг. 29. Как видно из фиг. 30, при снижении напряжения холостого хода источника питания и уменьшении крутизны его внешней характе­ ристики отклонение тока Д/а увеличивается (Д1д2 > Д/а1), а сле­ довательно, и эластичность дуги снижается.

§ 3. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДУГИ И ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКЕ

Регулирование режима и длины дуги осуществляется в процессе сварки вручную или автоматически с целью поддержания заданных значений тока и напряжения дуги.

Рассмотренные в предыдущих параграфах статические характе­ ристики дуги Ud = / (/) при неизменной ее длине (1д = const) могут быть названы естественными статическими характеристиками.

Режим горения дуги при заданной ее длине, как было показано выше, определяется точкой пересечения естественной статической характеристики дуги с одной из внешних характеристик источника питания.

При ручной дуговой сварке плавящимся электродом, если внеш­ няя характеристика задана соответствующей настройкой источника питания (см. главу IV), требуемую длину и соответственно напря­ жение дуги поддерживают вручную, путем подачи электрода по мере его расплавления, и тем самым задают режим сварки, определяе­ мый точкой пересечения двух заданных статических характеристик:

Ud = fi (!) ПРИ 1д = const и и и = /г (/).

При автоматической сварке поддержание режима на заданном уровне и подача электродной проволоки осуществляются не вручную, а производятся автоматическим регулятором. Воздействие на регу­ лируемый объект —дугу — при поддержании режима сварки заклю­ чается в таком изменении ее длины, при котором устойчивая работа системы источник питания — дуга возможна лишь на заданном уровне напряжения или тока в пределах точности, обеспечиваемой регулятором или оператором-сварщиком. Это означает, что регу­ лятор или сварщик воздействуя на регулируемый объект — дугу, путем соответствующей подачи электрода з а м е н я е т с е м е й ­ с т в о в о з м о ж н ы х е с т е с т в е н н ы х с т а т и ч е с к и х х а р а к т е р и с т и к п р и р а з л и ч н ы х п р о и з в о л ь ­ н ы х з н а ч е н и я х д л и н ы д у г и 1д о д н о й х а р а к т е ­ р и с т и к о й — так называемой статической характеристикой сис­ темы регулирования.

Поясним сказанное на примере двух типовых систем автомати­ ческого регулирования дуги с плавящимся электродом, применяе­ мых в СССР.

Системы саморегулирования дуги. В устройствах для автомати­ ческой сварки, основанных на принципе саморегулирования дуги*

Величина ию Ud характеризует отклонение тока дуги от Задан­

ного значения / 3, вызванное влиянием напряжения дуги на скорость 4плавления электрода. Эта ошибка системы регулирования по току при изменении напряжения дуги в пределах от 30 до 50 в, как пока­ зали опыты и расчеты [13], составляет не более 5—10% от вели­ чины заданного тока 13.

Таким образом, у с т р о й с т в о д л я а в т о м а т и ч е с к о й с в а р к и с п о с т о я н н о й ( н е з а в и с и м о й ) с к о р о -

д у г и на з а д а н н о м у р о в н е .

Так как ток дуги поддерживается автоматически без специаль­ ного регулятора, воздействующего на дугу, то это свойство дуги с плавящимся электродом называется свойством саморегулирования или самовыравнивания. Режим сварки определится точками пере­ сечения статической характеристики системы саморегулирования дуги и внешних характеристик источника питания (точки Aif А 2 и А3 на фиг. 31.)

На фиг. 31 изображены три внешние характеристики источника питания — кривые 1, 2 и 3 и статическая характеристика системы саморегулирования дуги — кривая 4, соответствующая уравнению (56).

Каждому режиму, определяемому точками пересечения этих характеристик Ах, Л2, Л3, соответствует точка, лежащая на есте­ ственных статических характеристиках дуги определенной длины (/ах, 1д2, 1д3). Следовательно, точки Аг, А 2 и А3 одновременно лежат*

ма естественных статических характеристиках дуги, проходящих через эти точки. Поэтому на фиг. 31 через точки устойчивой работы системы A i, А 2, А 3 проведены кривые 5, 6, 7, представляющие собой отрезки естественных статических характеристик дуги для различных значений длины дуги: 1д1 < 1д2 < /аз.

Из построений, приведенных на фиг. 31, следует, что статическая характеристика системы саморегулирования (кривая 4) представ­ ляет собой геометрическое место точек ряда естественных стати­ ческих характеристик дуги, соответствующих устойчивым режи­ мам горения дуги для заданной скорости подачи электрода. Эти режимы по току определяются уравнением статической характе­ ристики саморегулирования (56). В противном случае, если ток дуги будет отличаться от значения тока, соответствующего урав­ нению (56), то условие устойчивой работы системы саморегулиро­ вания Vn = V9 будет нарушено.

При отклонении напряжения или длины дуги от значений, задан­ ных точкой пересечения статических характеристик источника пита­ ния и системы саморегулирования, ток дуги также изменяется на величину Д 1б. Отклонение тока при изменении длины дуги опре­ деляется согласно уравнению (52):

Из-за изменения тока и напряжения дуги будет нарушено усло­ вие равновесия системы, т. е. Vп Ф V9. Следовательно, результи­ рующая скорость перемещения конца электродной проволоки по направлению к изделию не будет равна нулю и длина дуги будет изменяться.

При отклонении длины дуги на величину Д 1д разность k V K между неизменной скоростью подачи и изменившейся скоростью плавления электродной проволоки на величину Д1/э будет пропор­ циональна отклонению тока и напряжения дуги: Д /а и Д Udl. Со­ гласно уравнению (54)

относительной скорости конца электрода Д17, и отклонения длины

локи будет перемещаться к изделию, и дуга будет укорачиваться. Отклонение длины дуги будет отрабатываться системой саморегу­ лирования при ky > 0 до тех пор, пока режим сварки придет в ис­

одинаковыми. Это означает, например, что в случае удлинения дуги (Д1д > 0) ток дуги увеличится (Д/д > 0) и скорость плавления станет больше скорости подачи (ДУ5 = Д Vк > 0). Вследствие этого конец электрода будет перемещаться от изделия, т. е. дуга еще более удлинится. Следовательно, возникшее отклонение длины дуги не только не будет отрабатываться системой регулирования, а, наоборот, будет возрастать, т. е. система саморегулирования будет неустойчивой.

Таким образом, саморегулирование дуги возможно только в том случае, если выполняется общее условие устойчивости системы источник питания— дуга (47): ky > 0.

Быстрота восстановления равновесия в системе или интенсив­ ность действия саморегулирования будут тем больше, чем больше относительная скорость Д!^, т. е. чем больше начальное отклоне­ ние тока дуги \1 д. В соответствии с этим интенсивность саморегу­ лирования можно оценить следующим отношением 1:

ния, характеризующий ее быстродействие, в сек.-1.

Из выражения (58) следует, что интенсивность саморегулиро­ вания возрастает с увеличением коэффициентов kcm и kCH1 т. е. с увеличением плотности тока в электродной проволоке и умень­ шением ее диаметра [см. уравнение (55) ].

Увеличение градиента потенциала или напряженности электри­ ческого поля в столбе дуги Ес также повышает интенсивность само­ регулирования. По этой причине интенсивность саморегулирования

= 7 -г- 15 в!см).

Большое влияние на интенсивность саморегулирования оказы­ вает коэффициент kyt зависящий от формы статических характе­ ристик дуги и источника питания.

Как было показано в предыдущем параграфе, коэффициент ky увеличивается при переходе от падающей статической характери­ стики дуги к возрастающей, а также растет при увеличении кру­ тизны падающей внешней характеристики источника питания.

Следовательно, интенсивность саморегулирования при воз­ растающей статической характеристике дуги будет наименьшей. Для увеличения интенсивности саморегулирования дуги жела­ тельно, чтобы внешняя характеристика источника питания была по возможности полого падающей и значение ky меньше.

1 Время отработки отклонения режима системой самоурегулирования обычно значительно больше времени переходного процесса в источнике питания (см. § 5). Поэтому при оценке быстродействия системы регулирования можно пренебречь инерционностью источника питания.

13 последнее время для автоматической сварки при возрастаю­ щих статических характеристиках дуги постоянного тока начинают применять источники питания с жесткими или даже с возрастаю­ щими внешними характеристиками, что позволяет значительно повысить интенсивность саморегулирования дуги [16], [17].

Однако в таких источниках питания напряжение холостого хода обычно бывает слишком низким, что несколько затрудняет воз­ буждение дуги в начале сварки. Вследствие больших отклонений тока Д 1д при значительном удлинении дуги возможно также уга­ сание дугового разряда до того, как система саморегулирования отработает отклонение длины дуги.

В случае небольших отклонений длины дуги, наблюдающихся при автоматической сварке, этот недостаток источников питания

сжесткими характеристиками не имеет существенного значения. Для обычных режимов автоматической сварки под флюсом,

когда напряжение дуги не зависит от тока, существующие источники питания-с падающей внешней характеристикой обеспечивают до­ статочную интенсивность и быстродействие системы саморегули­ рования дуги.

Приведенное выше описание процесса саморегулирования дуги с плавящимся электродом показывает, что в устойчивой системе ток поддерживается на уровне, заданном величиной постоянной скорости подачи электрода. При заданной внешней характеристике одновременно с током поддерживается на определенном уровне напряжение и соответствующая ему длина дуги.

Аналогичные явления имеют место при ручной дуговой сварке, когда электрод подается вручную к изделию с постоянной скоро­ стью.

Системы принудительного регулирования напряжения дуги.

Второй типовой системой автоматического регулирования явля­ ются устройства с автоматическими регуляторами напряжения дуги.

В этих системах скорость подачи электродной проволоки про­ порциональна напряжению дуги:

Решая совместно уравнения (54) и (59) относительно напряжения дуги, при условии, что Vп = V9, получим уравнение статической

характеристики системы регулирования напряжения дуги с пла­ вящимся электродом:

U > = U » + , ‘ T Z ? K - («О)

где U3 = U3H. -ку -т----- расчетное значение задающего параметра

р&нд “ Г &CH

сучетом влияния саморегулирования дуги.

Ф и г . 3 2 . С т а т и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и и с то ч н и к а п и т ан и я и си стем ы р е г у л и р о в а н и я н а п р я ж е н и я д у ги .

Графическое изображение статической характеристики системы регулирования напряжения дуги по уравнению (60) дано на фиг. 32 (кривая 4). Режим устойчивой работы системы, как и в предыдущем случае, определится точками пересечения А 2, А 3 статической характеристики системы 4 с внешними характеристиками источ­ ника питания 1, 2 и 3. На фиг. 32 также показаны отрезки естест­ венных статических характеристик дуги 5, 6 и 7 для соответствую­

ствует определенная разность, которая уменьшается с увеличением коэффициента усиления регулятора kHd. В нормальных регуляторах

вает напряжение дуги.

Из построений на фиг. 32 следует, что статическая характеристика системы регулирования напряжения дуги представляет собой гео­ метрическое место точек ряда естественных характеристик дуги,.

соответствующих устойчивым режимам горения при заданном регу­ лятором напряжении дуги.

В случае удлинения дуги и увеличения ее напряжения скорость подачи увеличивается, а скорость плавления уменьшается. Конец электродной проволоки будет приближаться к изделию со ско­ ростью Д V*., т. е. возникшее отклонение длины дуги будет автома­ тически отрабатываться регулятором. Отклонение скорости подачи можно определить, согласно выражению (59), как

Ма = кИдШ д,

аотклонение скорости плавления, по уравнению (57), равно

Следовательно, результирующая скорость перемещения конца электродной проволоки

С учетом уравнений (50) и (52) последнее выражение можно* преобразовать следующим образом:

1 UKJ0 где кдт = ж .

Если пренебречь инерционностью регулятора, то интенсивность регулирования, как и в предыдущем случае, определится из отно­ шения

т. е. интенсивность процесса принудительного регулирования при безынерционном регуляторе напряжения дуги больше быстродей­ ствия системы саморегулирования.

При соответствующем выборе величины коэффициента усиления регулятора kHd интенсивность регулирования в основном опреде­ ляется полным коэффициентом усиления разомкнутой системы регу­ лирования напряжения дуги, так как в этом случае | Кн| > \КС\-

Из уравнения

к. = - Я А , ( 1 —

следует, что абсолютная величина коэффициента Кн уменьшается, т. е. быстродействие системы регулирования напряжения дуги сни­ жается при возрастающих характеристиках дуги, когда kdm > О, и уменьшается также при увеличении жесткости падающей внешней характеристики или увеличении крутизны возрастающей внешней характеристики источника питания, так как ky .при этом умень­ шается. Уменьшение быстродействия в рассматриваемых случаях объясняется тем, что при одинаковом отклонении длины дуги умень­ шается величина отклонения напряжения дуги Д Ud (см. фиг. 29 и 30). Следовательно, при прочих равных условиях изменение ско­ рости подачи &Vn и соответственно скорость отработки системой регулирования отклонения длины дуги будет меньше. Так, например,

При ручной дуговой сварке электрод обычно подается к изделию в соответствии с данными визуального наблюдения сварщика за длиной дуги со скоростью, обеспечивающей поддержание неизмен­ ными длины и напряжения дуги. Следовательно, регулирование режима, осуществляемое сварщиком вручную, будет иметь принци­ пиальные свойства и характеристики, аналогичные рассмотренным выше для принудительного автоматического регулирования напря­ жения дуги.

§ 4. ТРЕБОВАНИЯ К ФОРМЕ ВНЕШНИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ОСНОВНОЙ ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

Анализ статической устойчивости системы источник питания — дуга и -особенности работы системы регулирования дуги, описан­ ные в предыдущих параграфах, позволяют сформулировать основ­ ные требования к статическим свойствам источников питания, ото­ бражаемым их внешней характеристикой.

При ручной дуговой сварке и автоматическом регулировании шапряжения дуги под флюсом, когда статическая, характеристика дуги обычно бывает жесткой, внешняя характеристика источника шитания должна быть падающей (фиг. 33, кривая 1). В этом случае ‘система источник питания — дуга всегда устойчива. Интенсивность автоматического регулирования напряжения дуги и эластичность

дуги возрастают с увеличением крутизны падающей внешней харак­ теристики источника питания. Последнее, как уже указывалось в § 2, особенно важно для ручной дуговой сварки, когда при сварке изделий сложной конфигурации в труднодоступных и неудобных местах бывает необходимо несколько удлинить дугу. Кроме того, при круто падающих внешних характеристиках отклонения свароч­ ного тока при изменении длины дуги будут незначительными, что благоприятно сказывается на постоянстве теплового режима руч­

вызвать перегрев электрода, оплавление его покрытия, что затруд­ няет зажигание дуги и последующий процесс сварки. При слишком малом токе короткого замыкания также затрудняется зажигание ду­ ги (см. § 5). Поэтому для источников питания, имеющих падающую внешнюю характеристику, приняты следующие соотношения между током короткого замыкания и рабочим током:

1,25 < £ - < 2.

JP

Для систем саморегулирования дуги под флюсом, имеющей жест­ кую статическую характеристику, также необходимы источники питания с падающей внешней характеристикой, так как только в этом случае ky > 0, и система саморегулирования будет устой­

чива (см. § 3). Однако для увеличения интенсивности саморегули­ рования крутизна падающей внешней характеристики должна быть но возможности небольшой, т. е. желательно, чтобы внешняя харак­ теристика была полого падающей и напряжение холостого хода источника питания незначительно превышало рабочее напряжение дуги. Источники питания с полого падающими внешними характе­ ристиками допустимы преимущественно при автоматической сварке па постоянном токе, так как на переменном токе для обеспечения

непрерывности горения дуги, как было показано в главе II, необ­ ходимо, чтобы отношение ио было не меньше 1,8—2,5. Прп ручной

дуговой сварке от источников питания с полого падающими внешними характеристиками возможность удлинения дуги ограничена (см. § 2), что также является нежелательным.

При автоматической сварке на постоянном токе и высокой плот­ ности тока в электроде, когда статическая характеристика дуги становится возрастающей, например в среде защитных газов, для систем саморегулирования рационально применять источники пита­ ния с жесткими и даже с возрастающими характеристиками. Напря­ жение холостого хода у таких источников питания относительно невелико (U0 < £/,), что может несколько затруднить первоначаль­ ное возбуждение дуги (см. § 5). Поэтому оптимальными для систем' саморегулирования при возрастающей характеристике дуги посто­ янного тока являются источники питания, у которых внешняя характеристика в рабочей части будет жесткой или возрастающей, а при малых нагрузках и холостом ходе напряжение будет повышено, как показано пунктиром на фиг. 33 (кривые 2 и 3).

Таким образом, для ручной и автоматической сварки на пере­ менном токе и для большинства случаев сварки на постоянном токе необходимы источники питания с падающими внешними характе­ ристиками. Поэтому способ получения падающей внешней характе­ ристики является основным признаком классификации типовых систем источников питания для дуговой сварки.

Несмотря на большое разнообразие существующих в настоящеевремя систем источников питания, в которых применяются раз­ личные методы получения падающей внешней характеристики, можно' указать единый принцип построения источников питания для дуго­ вой сварки, по отношению к которому отдельные системы являются частным случаем.

Как будет показано в следующих разделах, в каждом источнике питания индуктируется э. д. с., которая при холостом ходе равна напряжению на клеммах источника питания: Еи — U0.

При нагрузке эта э. д. с. может остаться практически постоян­ ной. Тогда падающая внешняя характеристика получается за счет падения напряжения в сопротивлении самого источника или в от­ дельном сопротивлении, включенном в сварочную цепь последова­ тельно с дугой.

Вбольшинстве сварочных генераторов постоянного тока э. д. с.

сувеличением тока нагрузки уменьшается за счет размагничиваю­ щего действия специальных обмоток возбуждения или действия потока реакции якоря. Снижение э. д. с. приводит к соответствую­ щему снижению напряжения на клеммах источника питания, т. е. внешняя характеристика становится падающей.

Размагничивающее действие обмоток и потока реакции якоря, можно уподобить действию эквивалентного сопротивления, вклю­

ченного .последовательно с дугой. При этом э. д. с. Еи полагаем равной напряжению холостого хода и не зависящей от тока.

Таким образом, уравнение внешней характеристики источника питания в общем виде будет следующим:

О0 — напряжение при холостом ходе;

Z9 — полное эквивалентное сопротивление источника или схемы питания.

Уравнение (62) дано в символической форме, так как оно должно быть справедливым как для постоянного, так и для переменного тока.

Эквивалентное сопротивление Z9 при переменном токе пред­ ставляет собой полное комплексное сопротивление источника пита­

Как было показано в главе II, в источниках или схемах питания переменного тока индуктивное сопротивление Х 9 должно быть пре­ обладающим.

При постоянном токе Z9 = R 9t т. е. полное сопротивление источника питания представляет собой сумму омического сопро­ тивления и сопротивления, эквивалентного действию размагничи­ вающих потоков в источнике питания.

Из уравнения (62) следует, что внешняя характеристика источ­

изменять, будет обладать семейством из нескольких внешних харак­ теристик при различных значениях этих параметров, что особенно

.важно для настройки режима сварки (см. главу IV).

§ 5. ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ДУГИ

Процесс сварки дугой с плавящимся электродом характеризуется динамической нагрузкой источника питания, режим работы кото­ рого может изменяться в промежутки времени, измеряемые долями секунды. При этом в дуге может происходить следующий периоди­ чески повторяющийся цикл явлений. Первой фазой этого цикла является зажигание дуги и переход к режиму ее устойчивого горе­ ния. Затем во время горения дуги на конце электрода образуется

капля расплавленного металла, которая постепенно увеличивается в объеме и вытягивается по направлению к изделию;

По мере вытягивания капли длина и напряжение дуги несколько уменьшаются, а ток соответственно увеличивается. Отрыв капель расплавленного металла и перенос их с электрода на изделие про­ исходит под действием электродинамических сил и силы тяжести. При короткой дуге капля может замкнуть дуговой промежуток, что приведет к короткому замыканию сварочной цепи и угасанию дуги. Под действием электродинамических сил капля разрывается* после чего дуга должна возникнуть вновь. Таким образом, при раз­ рыве капли происходит переход от короткого замыкания к рабочему режиму нормального горения дуги, аналогичный по характеру пер­ воначальному зажиганию дуги, но происходящий в более благопри­ ятных для возбуждения дуги физических условиях. Далее этот цикл явлений в дуге с плавящимся электродом периодически повторяется; (см. фиг. 34).

Исследование процесса переноса металла показало, что при ручной сварке открытой дугой электродами с тонким покрытием* образуются крупные капли, приводящие в случае короткой дуги к частым (от единиц до несколько десятков в секунду) коротким замы­ каниям. При сварке электродами с толстым покрытием преобладают мелкие капли, а короткие замыкания дугового промежутка проис­ ходят редко.

При высокой плотности тока в электроде, в том числе при сварке под флюсом, перенос металла происходит в виде мелких капель, образующих в некоторых случаях непрерывную струйку из жидкого металла.

Короткие замыкания дугового промежутка практически отсут­ ствуют, а изменения напряжения и тока дуги в процессе образо­ вания мелких капель незначительны.

На фиг. 34 изображена примерная картина изменения тока и напряжения во время описанных выше отдельных фаз процесса сварки открытой дугой с плавящимся электродом. Для большей четкости промежутки времени протекания отдельных фаз изображены на фиг. 34 в разных масштабах. В реальных условиях сварки время установления дуги tdy измеряется десятитысячными долями секунды, время горения дуги tz — сотыми долями, а время короткого замы­ кания при переходе капли tK— тысячными долями секунды.

Как видно из фиг. 34, переход от одного установившегося состо­ яния к другому не совершается мгновенно. Это объясняется тем, что каждый источник питания обладает электромагнитной инерцией. При большой электромагнитной инерции источников питания пере­ ходный процесс протекает медленно, а напряжения и ток в цепи могут иметь значения, отличные от режима устойчивого горения дуги. Вследствие этого сварочная дуга при динамическом измене­ нии ее режима может угаснуть или зажигание ее будет затруднено. Скорость и вид кривых изменения тока и напряжения при переход-

ственное значение лишь в случае питания дуги от сварочных гене­ раторов.

Наибольшее значение для характеристики динамических свойств сварочных генераторов и определения требований к ним имеют переходные процессы при возбуждении дуги и коротком замыкании „дугового промежутка.

Рассмотрим несколько подробнее эти процессы.

Зажигание дуги в начале сварки производится в результате соприкосновения электрода с изделием (короткое замыкание) и по­ следующего размыкания этого контакта путем отвода электрода или вследствие оплавления небольшого участка электрода вблизи торца. В первый момент возбуждения дуги режим работы источника питания изменяется от холостого хода до короткого замыкания. Э. д. с. сварочного генератора при этом обычно снижается до вели­ чины, равной падению напряжения в короткозамкнутой цепи. Ток в сварочной цепи сначала резко возрастает до значения I ПКУа затем уменьшается до установившегося значения тока короткого замы­

В небольших по объему металлических выступах, по которым происходит контакт между электродом и изделием, в течение очень малого промежутка времени, около 10“2 сек., выделяется большое количество теплоты. Температура контактирующих выступов на поверхности металла резко повышается, что вызывает бурное плав­ ление металла вблизи контакта и образование смеси паров металла и покрытия электрода, которые весьма быстро заполняют дуговой промежуток. При наличии соответствующей разности потенциалов возникает электронная эмиссия с нагретого катода, которая спо­ собствует лавинообразной ионизации сильно нагретой смеси паров, заполняющей дуговой промежуток. В результате этого возбуждается дуга. Следовательно, для возбуждения сварочной дуги необходима некоторая разность потенциалов на дуговом промежутке и наличие электронной эмиссии с катода. Исследование механизма возникно­ вения дуги при размыкании контактов электрической цепи* [18] показало, что при наличии на размыкаемых контактах постоянного напряжения около 25 в напряженность поля в промежутке между разводимыми контактами (в случае сварки — электрод и изделие) достигает величины 108—109 в!см. Электрическое поле такой напря-

.женности может обеспечить автоэлектронную эмиссию катода, кото­ рая будет вполне достаточна для возбуждения дуги.

Как было указано Еыше, в условиях сварки э. д. с. сварочного генератора при коротком замыкании падает до минимальной вели­ чины, равной падению напряжения в короткозамкнутой сварочной

Следовательно, в этом случае указанные выше требования к динами­ ческим свойствам сварочных генераторов остаются без изменения.

В целях усиления и ускорения нагрева контакта между электро­ дом и изделием и улучшения условий возбуждения дуги, а также для ускорения разрыва капли расплавленного металла желательно, чтобы во время короткого замыкания сварочной цепи величина тока и скорость его нарастания были по возможности больше. Поэтому возникающий при переходном процессе пик тока 1пк несколько облег­ чает возбуждение дуги. Однако во избежание перегрева всего элек­ трода, уменьшения угара и разбрызгивания металла, а также для уменьшения электродинамических сил, действующих на обмотки генератора, и улучшения коммутации пик тока 1пк не должен быть чрезмерным, т. е. не должен превосходить установившийся ток ко­ роткого замыкания более чем в 3 раза.

При сварке на малых токах условия возбуждения дуги ухуд­ шаются. При таких режимах требования к динамическим свойствам генераторов повышаются. Для облегчения зажигания дуги в этом случае желательно повысить напряжение холостого хода.

КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

§ 1. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ и ИХ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Источники питания прежде всего различаются по роду тока. К источникам переменного тока относятся сварочные трансфор­ маторы, а также выпускаемые в небольшом количестве однофазные синхронные генераторы повышенной частоты (490 периодов в секунду), К группе источников постоянного тока следует отнести сварочные

генераторы постоянного тока и установки с выпрямителями.

В зависимости от количества сварочных постов, которые могут быть одновременно подключены к источникам питания, последние

Источники питания для сварки в среде защитных газов плавя­ щимся и неплавящимся электродом и для различных видов много­ дуговой сварки относятся к типу источников специального назна­ чения.

В соответствии с диапазоном режимов сварки, для которых пред­

3) большой мощности — для форсированных режимов при высо­ кой плотности тока в электроде (электродной проволоке) или боль­ ших диаметрах электрода (d9 > 6 мм).

В зависимости от вида дуговой сварки (ручная или автомати­ ческая) источники питания могут быть отнесены по мощности к той или иной категории.

(>*.

Источники питания могут также классифицироваться по прин­ ципу действия и конструктивному оформлению. Соответствующая классификация будет дана в последующих разделах книги.

В предыдущих главах было доказано, что внешняя характе­ ристика источников питания в большинстве случаев должна быть падающей, а напряжение холостого хода в целях обеспечения устой­ чивого возбуждения и горения сварочной дуги должно быть больше рабочего напряжения при нагрузке. Выполнение этого последнего тре­

Исходя из условия непрерывности горения дуги переменного тока (30), напряжение холостого сварочного хода трансформатора для ручной дуговой сварки должно быть в пределах 55—75 в при номинальном рабочем напряжении 30 в. Для обеспечения устойчи­ вости дуги желательно, чтобы напряжение холостого хода транс­ форматора для ручной сварки увеличилось с уменьшением рабочих токов.

В случае автоматической сварки под флюсом при увеличении рабочих токов обычно одновременно увеличивают напряжение и длину дуги. При таком подборе параметров режима обеспечи­ вается более благоприятное соотношение между глубиной проплав­ ления и шириной шва. Поэтому в трансформаторах для автомати­ ческой сварки в целях обеспечения устойчивости дуги желательно, чтобы напряжение холостого хода увеличилось с увеличением рабо­

чих токов трансформатора. Принимая отношение ид для сварки

под флюсом равным 1,8—2 и среднее напряжение дуги 35—40 в, получим U0 = 63 -ч- 80 в.

При сварке под флюсом на относительно малых токах, т. е. при малой плотности тока в электродной проволоке, устойчивость дуги уменьшается, а напряжение повторного зажигания увеличивается. Поэтому в трансформаторах для автоматической сварки дугой малой мощности напряжение холостого хода должно быть достаточно высо­ ким (^80 в).

Для сварочных генераторов благодаря более высокой устойчи­ вости дуги постоянного тока нет необходимости значительно повы­ шать напряжение холостого хода. Однако это напряжение должно быть для ручной дуговой сварки не менее 45—50 в.

Необходимость в повышенном (по сравнению с рабочим) напря­ жении холостого хода источников питания для дуговой сварки является недостатком этого типа электрических машин и аппаратов. Как известно, с увеличением напряжения холостого хода увеличи­ ваются габариты и вес машины и снижаются его технико-экономи­ ческие показатели (к. п. д. и коэффициент мощности). По этим при­ чинам, а также по соображениям техники безопасности, ГОСТами на источники питания для дуговой сварки предусмотрено, чтобы*

величины напряжения дуги (фиг. 36). Как видно из фиг. 36, меньшим токам соответствует меньшее напряжение холостого хода.

Такой способ настройки мало пригоден в сварочных трансформа­ торах для ручной дуговой сварки с мало изменяющимся рабочим напряжением дуги, так как при низком напряжении холостого хода и малых токах дуга будет неустойчивой. В сварочных трансфор­ маторах для автоматической сварки такой способ настройки допустим,

так как при сварке под флюсом с увеличением сварочного тока обычно увеличивается и рабочее напряжение дуги. Поэтому жела­ тельно, чтобы напряжение холостого хода также несколько возра­ стало.

Этот способ настройки режима допустим также для свароч­ ных генераторов, потому что для устойчивости дуги постоянного тока не обязательно соблюдать определенное соотношение между напряжением холостого хода и напряжением дуги.

Наиболее часто в сварочных трансформаторах применяется метод настройки тока путем изменения г9 при неизменном напряжении холостого хода (фиг. 37).

При ручной сварке, когда рабочее напряжение дуги меняется мало, отношение U л при этом методе настройки остается неизмен-

ным как для больших, так и для малых токов. При автоматической сварке это отношение уменьшается с увеличением рабочих токов, так как рабочее напряжение дуги при этом также возрастает. Однако это мало сказывается на устойчивости дуги, потому что с увеличе­ нием рабочих токов условия для устойчивого горения дуги улуч­

лие напряжения холостого хода сварочного трансформатора при описываемом способе настройки обычно выбирают исходя из усло­ вий устойчивого горения дуги при средних значениях сварочного тока и номинальном значении рабочего напряжения дуги, но в этом случае работа на малых токах будет затруднена. Следовательно, пределы возможной настройки сварочного трансформатора несколько сузятся за счет повышения нижнего предела. По этим причинам способ настройки тока путем изменения эквивалентного сопротивле­