1.5. Электрическая устойчивость системы “источник-дуга”
Дуговой разряд называется устойчивым, если при малых возмущениях он существует непрерывно в течение длительного времени без обрывов и коротких замыканий при сохранении заданных режимов сварки. Поэтому в качестве непосредственного критерия для оценки устойчивости можно принять частоту обрывов дуги или коротких замыканий. Устойчивость процесса сварки зависит как от технологических, так и электрических характеристик процесса.
Рассмотрим условия устойчивого горения дуги при сварке на постоянном токе. На рис.1.7 показана схема силовой цепи сварочного поста, состоящая из источника энергии с напряжением Uи, приведенного активного сопротивления сварочной цепи R, индуктивности L и дуги Uд. При коротком замыкании дугового промежутка Uд = 0. Для этой цепи в общем случае второе правило Кирхгофа может быть записано в следующем виде:
Е = IR + Uд + Ldi/dt. (1.14)
Для установившегося состояния, когда
i = const, это уравнение приобретает вид:
Е= IR + Uд (1.15)
Рис. 1.7. Контур постоянного тока сварочной цепи
Известно, что устойчивость процесса выполняется только при условии наличия общей точки пересечения характеристик питающей системы и потребителя. Сварочная дуга имеет “ U “ образную вольтамперную характеристику при постоянной ее длине и поэтому она всегда будет иметь две точки пересечения (А и Б) с вольтамперной характеристикой источника питания.
На рис.1.8 показана вольтамперная характеристика дуги Uд= f(I) при ℓд=const с напряжением источника холостого хода Uо и реостатная характеристика Uи-IR=f(I) (2) внешняя или вольтамперная характеристика источника питания. Рассмотрим случай, когда вольтамперная характеристика дуги пересекает внешнюю характеристику источника в точках А и Б, для которых справедливо уравнение (1.15).
Рис. 1.8. Вольтамперная диаграмма для оценки устойчивого горения дуги
Точкой действительно устойчивого горения дуги будет точка А. Для других точек кривой Uд = f(I) уравнение (1.8) несправедливо, поэтому для этих областей Uи = IR + Uд ± DU.
Это равенство может быть удовлетворено , если в средней части между точками А и Б значение DU будет со знаком плюс, а правее точки А и левее Б -со знаком минус. Но падение напряжения в рассматриваемой цепи могут быть компенсированы только за счет ЭДС самоиндукции, следовательно:
DU = L di/dt . (1.16)
Поскольку справа от точки А падения напряжения должны быть отрицательны, то это может иметь место при условии, если в этой зоне di/dt становиться отрицательным, т.е. ток в этой зоне может быть только убывающим. В области между точками А и Б значения DU должны быть положительны и, следовательно, ток здесь может только возрастать. Это говорит об устойчивом существовании (горении) дуги в точке А, так как ток цепи, будучи отклоненным от значения IА возвращается в точку А. Этого нельзя сказать про точку Б, где ток, выведенный из состояния равновесия (значение IБ ), не возвращается обратно к значению IБ, а будет или спадать к нулю, или возрастать до величины IА . Точка Б, таким образом, является точкой неустойчивого равновесия.
На рис. 1.10 величина тока I = Iкз отсекается прямой U- IR =f(I):
I = Iкз = Uи / R.
Это величина тока в цепи при установившемся состоянии, когда Uд =0, а Iкз - установившийся ток короткого замыкания. Для обеспечения угасания дуги во всем диапазоне тока от Iкз до 0 необходимо, чтобы значения DU были во всем этом диапазоне снижения тока отрицательны, т.е. чтобы вольт-амперная характеристика дуги Uд лежала выше характеристики источника питания Uи с ней не пересекалась.
Процесс, изображенный на рис.1.9, носит идеализированный характер, так как предполагается, что длина дуги в процессе ее горения остается постоянной. В действительности, при плавлении электрода в процессе сварки длина дуги изменяется, что связано с капельным переносом металла, всевозможными колебаниями руки оператора при ручной и полуавтоматической сварке, а также неравномерностью подачи электрода и т.д.
На рис.1.9 показан процесс непрерывного удлинения дуги, разделенной на ступени, так как можно положить что растяжение дуги представляет собой ряд последовательных скачкообразных переходов от одной длины к другой. Этим длинам соответствуют вольтамперные характеристик, которые пересекают прямую Uи - IR = f(I), образуя ряд точек устойчивого состояния А1, А2, А3 и т.д. Последней является точка касания соответствующая критической вольтамперной характеристике, когда длина дуги достигает ℓкр и дуга гаснет.
Рис. 1.9. Процесс гашения дуги постоянного тока при ее последовательном ее удлинении