Пособие по источникам питания

	0	i2		R
F			ln	2	, Н,	(18)
	4			R1

где µ∙µ0 – абсолютная магнитная проницаемость вещества; i - ток плазмы дуги, А; R2 – больший радиус потока плазмы (радиус капли), мм; R1 – малый радиус потока плазмы (радиус сварочной проволоки), мм.

Следовательно, при сварке плавящимся электродом для переноса расплавленного металла через разрядный промежуток и влияния на

степень разбрызгивания металла немаловажное значение имеет на-

правление силы F , величина которой зависит не только от силы сварочного тока и создаваемого им магнитного поля, но и от скорости ее изменения во времени, потому что изменение сварочного тока приводит к изменению проводимости разрядного промежутка и напряжения сварочной дуги. Электродинамическая сила, которая влияет на перенос металла через разрядный промежуток при сварке плавящимся электродом, зависит от конкретных физических условий: химических свойств электрода, изделия, среды, толщины изделия, диаметра электродной проволоки, конфигурации электрического поля, размеров и расположения активных пятен на электроде и изделии.

1.2.6. Статическая вольтамперная характеристика дуги

Статическая вольтамперная характеристика дуги дает представление о зависимости проводимости дугового промежутка от величины плотности сварочного тока. Напряжение дуги можно выразить через ток и нелинейное сопротивление столба дуги

Uд Iд Rст , В.

(19)

Выразив сопротивление столба дуги через удельную проводимость и его геометрические размеры, получим следующее выражение:

Uд	Iд	lc		, В,	(20)
		Sc
			c

где lc - длина столба дуги, мм; Sc - площадь поперечного сечения столб, мм2; c - удельная проводимость или электропроводность столба дуги

в Мом/мм.

21

Уравнение можно легко преобразовать, если учесть, что плотность тока в столбе дуги:

	jc	Iд	2
			, А/мм	,	(21)
		Sc

а напряженность электрического поля, равная по абсолютной величине градиенту потенциала:

	Ec	jc	, В/мм.	(22)
		c

С учетом этих соотношений получи

Uc Iд Rст	Iд		lc	jc	lc	Ec Iд , В.	(23)
	Sc
		c			c

Сопротивление и градиент потенциала в столбе дуги зависят от силы тока, так как площадь сечения столба дуги, плотность тока и электропроводность изменяются при изменении тока. Диаметр столба дуги зависит от размеров активных пятен и ограничивается более холодным и плотным газом, окружающим столб, подобно стенкам канала. С увеличением сварочного тока диаметр и площадь сечения столба дуги увеличиваются так же, как и размеры активных пятен. В первом приближении можно предположить, что

Sc kIд2 , мм2,

(24)

где k - коэффициент пропорциональности, для обычных режимов сварки.

Как показывают исследования, параметры дуги с изменением силы тока меняются по нелинейной зависимости, что подтверждает нелинейные характеристики сварочной дуги.

На рисунке 4 показаны полученные кривые зависимости площади поперечного сечения столба дуги (Sc), плотности тока (jc) в столбе и напряжения дуги (Uд) от силы сварочного тока при сварке под флюсом плавящимся стальным электродом.

22

Рис. 4. Характеристики сварочной дуги

Электропроводность сварочной дуги связана с ее температурой, так как с ростом температуры возрастает доля термической ионизации столба дуги. Как показал спектральный анализ столба открытой дуги, температура столба несколько увеличивается с увеличением сварочного тока, причем рост температуры столба дуги происходит более интенсивно при сравнительно малых значениях сварочного тока, а при больших токах температура изменяется незначительно. Расчеты показывают, что при увеличении тока более чем в 3 раза температура столба дуги возрастает всего на 20 %. Одновременно с ростом силы тока происходит рост катодного пятна и соответственно площади столба дуги. В результате происходит изменение проводимости дугового промежутка. При определенных условиях размеры столба дуги не изменяются с увеличением тока дуги, что приводит к повышению плотности тока в столбе дуги. На напряженность электрического поля (Ес) и величину градиента потенциала в столбе дуги оказывает влияние не только плотность тока, но и электропроводность столба дуги. Электропроводность, как было сказано, зависит, главным образом, от степени ионизации смеси газов в столбе дуги. А степень ионизации увеличивается с уменьшением потенциала ионизации и повышением температуры газов в столбе дуги. При заданном составе газового промежутка электропроводность зависит лишь от температуры столба (Тс), которая может изменяться с изменением тока.

23

Статическая вольтамперная характеристика (ВАХ) сварочной дуги, а также зависимость напряжения от плотности сварочного тока представлена на рисунке 5.

Существенное влияние на изменение размеров столба дуги оказывают ограничивающие стенки из холодного газа, окружающие столб. Ограничивающее действие стенок, окружающих столб дуги, может менее заметным образом проявиться в дуге под флюсом, где газовая полость, в которой горит дуга, окружена жидким флюсом, уменьшающим теплопроводность окружающей среды, и более ярко выражено при газовой защите.

Рис. 5. Статическая вольтамперная характеристика сварочной дуги

Исследования показывают, в зависимости от вида сварки диаметр столба дуги (dc) можно приблизительно принять:

под флюсом dc 1.3dэ , мм;

РДС (штучным электродом) dc 1.03dэ , мм;

в среде СО2

dc 1.0 dэ , мм.

Описанные выше закономерности изменения поперечного сечения S и электропроводности столба дуги при изменении сварочного тока позволяют определить характер изменения падения напряжения в столбе дуги, а также полного напряжения дуги Uд = Uк + Uc + Ua =

f(Iд).

На основании приведенных выше опытных данных об изменении параметров столба дуги можно дать следующую характеристикуч зависимости электропроводности столба дуги от сварочного тока, разде-

24

лив (ВАХ) на три области в зависимости от изменения падения напряжения при увеличении силы тока:

1. При малых плотностях сварочного тока (до 12 А/мм2) проводимость дугового промежутка увеличивается прямо пропорционально увеличению силы сварочного тока. При этом так же повышается площадь катодного пятна.

Сумма анодного и катодного падения напряжения остается постоянным, так как рост площади катодного пятна прямо пропорционален увеличению тока с одновременным ростом длины катодной области.

Следовательно, при малых значениях плотности тока в электроде, т.е. в маломощной сварочной дуге, падение напряжения в столбе дуги уменьшается с увеличением тока, так как площадь сечения и электропроводность увеличиваются, а градиент потенциала в столбе дуги уменьшаются. Статическая характеристика дуги Uд = f(Ig) будет падающей, так как напряжение дуги при таких режимах уменьшается с увеличением сварочного тока.

Падающая (ВАХ) дуги наблюдается при сварке в среде инертных газов малоамперной дугой, которая редко применяется из-за недостаточной устойчивости дуги.

2. В мощной сварочной дуге (12А/мм2 < j < 80А/мм2) температура изменяется мало и одновременно снижается скорость роста катодного пятна. Поэтому рост площади столба дуги (Sc) замедляется и растет прямо пропорционально силе сварочного тока. Соответственно изменению силы и плотности тока в столбе дуги изменяется и напряжение дуги Uд, как было сказано выше, при малых токах. Uд уменьшается с увеличением плотности сварочного тока, а на средних токах напряжение дуги практически не зависит от тока, так как электропроводность почти не изменяется.

В обычных условиях сварки, т.е. при нормальных сварочных режимах, сумма анодного и катодного падения напряжения также может быть принята постоянной. Площадь сечения столба дуги увеличивается пропорционально току, а электропроводность изменяется мало. Плотность тока в столбе практически постоянна, сопротивление столба дуги (Rc) изменяется обратно пропорционально току, а падение напряжения в столбе дуги (Uc) не зависит от тока. При таких режимах Uд - const.

Напряжение дуги не зависит от тока, причем (Uд) и ее напряженность (Ед) достигают своего минимального значения для данной длины дуги, среды и материала электрода. Как показали многочисленные исследования сварочной дуги, для большинства применяемых режимов ручной дуговой сварки напряжение дуги практически не зависит от си-

25

лы тока, то есть (ВАХ) дуги сменяется жесткой. Для таких режимов сварки напряжение дуги можно определять по уравнению

Uд=Uк.а+Eclд.	(25)
Жесткая (ВАХ) дуги наблюдается при	ручной дуговой сварке

(РДС) плавящимся и неплавящимся электродом, а также при механизированной сварке под слоем флюса, причем по плотности тока эти виды сварки располагаются на противоположных концах жесткой характеристики (РДС - 12 j 40, А/мм2, под слоем флюса - 40 j 80 , А/мм2).

Существенное влияние на плотность тока сварочной дуги, при сварке плавящимся электродом оказывает его диаметр. Исследования показали следующую зависимость: с увеличением диаметра электрода снижается плотность тока, необходимая для стабильного горения сварочной дуги. Это объясняется тем, что активное пятно, расположенное на торце электрода, но не занимающее всю его площадь, с увеличением тока продолжает расти. Следовательно, при одном и том же значении тока с ростом диаметра электрода увеличивается площадь столба дуги и, соответственно, уменьшается его плотность. Таким образом, при РДС с большими диаметрами электродов (dэ > 5мм) плотность тока столба дуги может снизиться и стать (j < 12А/мм2).

3. При большой плотности тока в электроде (j > 80А/мм2), когда катодное пятно и площадь сечения столба дуги не могут увеличиваться

свозрастанием сварочного тока, плотность тока в столбе дуги возрастает пропорционально току, а электропроводность столба дуги несколько понижается. Следовательно, сопротивление столба дуги будет изменяться незначительно, а напряженность электрического поля и градиент потенциала в столбе дуги будут расти с увеличением тока. Кроме того, как было указано выше, при больших плотностях тока в электроде увеличивается также катодное падение напряжения. Статическая характеристика дуги станет при таком режиме возрастающей, т.е. напряжение дуги будет возрастать с увеличением тока. Следовательно, форма статической характеристики дуги Ud = f (1д) изменяется

сизменением тока, переходя из падающей в независимую от тока - жесткую, и, наконец, при больших токах становится возрастающей. В защищенной дуге, когда столб дуги охлаждается потоками более холод-

ного защитного газа, например СО2, диссоциация которого имеет экзотермический характер, оказывает ограничивающее действие на изменение размеров столба.

26

Статическая характеристика дуги может быть возрастающей в случае высокой плотности тока в электроде, например при сварке в среде защитных газов плавящимися электродами малого диаметра

(d < 2 мм).

Анализ формы статической характеристики показывает, что сварочную дугу следует рассматривать как нелинейный элемент электрической цепи. Напряжение дуги не зависит в большинстве случаев от тока. Поэтому при расчете электрических цепей, содержащих дугу, можно падение напряжения в дуге уподобить действию противоэлектродвижущей силы, не зависящей от тока.

1.2.7. Статическая устойчивость системы источник питания - дуга

Работа энергетической системы (источник питания - сварочная дуга – ванна) протекает устойчиво, если источник доставляет достаточное количество энергии для процесса сварки и покрытия потерь в системе. Возникающие при горении дуги возмущения нарушают устойчивое состояние системы и вызывают переходные процессы, характер и скорость протекания которых связаны с энергией накопленной в магнитных и электрических полях системы, а также энергией, переходящей в тепло. Если после прекращения действия возмущения система возвращается в исходное равновесное состояние, то равновесие является устойчивым, если не возвращается - неустойчивым. При возвращении системы после окончания действия возмущения в состояние равновесия могут наблюдаться отклонения величин, характеризующих режим сварки (тока, напряжения), от их значения до начала действия возмущения. Если при наличии этих отклонений качество сварного соединения остается в допустимых пределах, то свойства энергетической системы признают удовлетворительными. Современная сварочная техника использует для питания дуги, кроме хорошо известных источников питания (трансформаторов, коллекторных генераторов постоянного тока, выпрямителей), источники нового типа, имеющие корректирующие обратные связи по энергетическим параметрам (ток, напряжение), предназначенные для создания условий устойчивого горения дуги и поддержания установленного режима. Такие обратные связи имеют источники питания для сварки как плавящимся, так и неплавящимся электродом. Благодаря корректирующим обратным связям в энергетической системе создаются условия для подавления возмущений, возникающих в процессе сварки.

Влияние соотношения форм внешней статической характеристики источника питания и статической вольтамперной характеристики дуги

27

на устойчивость ее горения впервые было доказано в исследованиях Кауфмана. Связь статических характеристик представлена на рисунке

6.

Сделано предположение, что вольтамперная характеристика дуги жестко связана энергетическим балансом дуги и источника питания с вольтамперной характеристикой источника питания.

Рис. 6. Статическая устойчивость системы

Составим уравнение баланса энергии процесса

Uu Iu Uд Iд ,

(27)

где Uu и Iu - соответственно напряжение и ток источника питания; Ud и Iд - напряжение и ток дуги.

Данной формуле удовлетворяют точки А и В на рисунке 6, так как только данные точки удовлетворяют заданному критерию.

Рассмотрим энергетический баланс в точке В, предположим, что по какой-либо причине напряжение источника питания увеличилось и перешло в точку В'. В этом случае Wи = U'и∙I'и, а Wд = Uд∙Iд. Отсюда можно сделать вывод, что нарушен баланс энергии, так как Wи >Wд. Поэтому для восстановления баланса энергии при неизменной длине дуги необходимо увеличение тока дуги, что приводит к переходу напряжения Uи из точки В' в точку В. Если же по каким-либо причинам напряжение упало и перешло из точки В в точку В", то энергия источника питания становится Wи = U'и∙I'и в, а дуги Wд = Uд∙Iд Это приводит к тому, что энергия дуги становится выше энергии источника питания.

28

В этом случае для восстановления баланса энергетическая мощность источника питания недостаточна, для этого напряжение источника питания должно повыситься, что приведет к восстановлению баланса.

При рассмотрении следующей точки баланса (точка А) также рассмотрим поведение системы при изменении напряжения источника питания. Увеличение напряжения по каким-либо причинам приведет к тому, что энергия дуги становится больше энергии источника питания, следовательно, напряжение источника питания для ликвидации дисбаланса должно подняться, а это приведет к обрыву дуги. Если же напряжение источника питания упадет, то энергия дуги становится ниже энергии источника питания. В этом случае для получения баланса необходимо увеличение тока дуги, что приведет к переходу в точку баланса В. Следовательно, точка А является точкой неустойчивого баланса. Также точкой устойчивого равновесия является точка пересечения возрастающей ветви вольтамперной характеристики дуги и жесткой или возрастающей характеристики источника питания.

1.2.8. Эластичность дуги

Для устойчивого горения дуги большое значение имеет ее эластичность. Дуга считается эластичной, если дуговой разряд не обрывается даже при значительном его удлинении, вызванном различными технологическими причинами. Критерием эластичности дуги является ее наибольшая длина lд max, при которой еще остаются условия для сохранения устойчивого дугового разряда. При этом ток в сварочной цепи, несмотря на значительные отклонения от 1р все же остается больше минимального тока горения дуги. При токе Iг < Imin дуга гаснет, но остается проводимость G разрядного промежутка, что объясняется остаточной ионизацией плазмы, а также эмиссионной способностью электродов. Величина Imin зависит от величины сварочного тока при устойчивом горении дуги, то есть от термоэлектронной эмиссии. Чем больше Iг, тем при прочих равных условиях дугу можно растянуть на большую длину. Эластичность дуги зависит от вида характеристик источника питания дуги, а также от величины напряженности электрического поля в столбе дуги и в приэлектродных областях, от величины эффективного потенциала ионизации столба дуги и величины минимального тока и от динамических свойств источника питания.

Более высокой эластичностью дуги обладают источники с небольшой электромагнитной инерцией источника питания и с высокими динамическими свойствами.

29

1.3. Особенности горения дуги переменного тока

Электрические и тепловые процессы, происходящие в дуге переменного тока, несколько отличаются от процессов, происходящих в дуге постоянного тока, что оказывает существенное влияние на ее устойчивость. При горении дуги постоянного тока напряжение и ток по своему направлению остаются постоянными во времени. Анодное и катод ное пятна не меняют своего положения, т.е. каждое из них остается либо на изделии, либо на электроде.

Дуга переменного тока, т.е. дуга, в которой изменяется направление тока и, следовательно, один и тот же электрод переменно бывает то катодом, то анодом, обладает рядом особенностей. Эти особенности зависят от частоты тока. В сварочной технике чаще всего используются дуги промышленной частоты. Иногда используются также токи повышенной частоты (400-500 Гц). При таких частотах скорости релаксации основных процессов в плазме столба намного превышают скорости изменения основных параметров дуги - тока, напряжения, температуры компонентов. Плазму такого разряда можно считать в каждый данный момент времени локально равновесной и изотермической. Однако распределение температуры и ее значения в столбе такой дуги изменяются во времени; вообще говоря, меняются и размеры столба. В случае существенного различия их физических свойств и геометрических размеров в двух соседних полупериодах тока существуют различные дуги. При этом следует учитывать состояние поверхностей электродов и газа между ними, до которых они были доведены дугой, горевшей в предыдущем полупериоде, размер и температуру активных пятен, состав дугового газа и т.д.

Изменение полярности электродов вызывает также изменение интенсивности и направленности газовых потоков в дуге, обусловленных пинч-эффектом и испарением электродов.

Ток дуги, непрерывно изменяясь, обусловливает изменение радиальных размеров столба и температуры его отдельных слоев.

При переходе тока через нулевое значение и перемене полярности в начале и в конце каждого полупериода дуга гаснет (что происходит сто раз в секунду), и температура дугового промежутка снижается. Это вызывает уменьшение степени ионизации газов столба дуги или деионизацию. Деионизация газа усиливается также от перемещения активных пятен в момент изменения полярности приложенного напряжения. Интенсивно падает температура активного пятна, расположенного на поверхности сварочной ванны, что обусловливается интенсивным отводом тепла в массу металла. Поэтому после перехода через ноль дуга

30