Пособие по источникам питания

должна повторно возбудиться. От надежности протекания процесса возбуждения зависит сама возможность применения дуги переменного тока для сварки.

В первом приближении, с учетом только тепловой ионизации столба, процессы в нем могут быть описаны уравнением (6)

Q	d		i		i	F (rд ,lд ,i),	(28)
	dt		u		u

где rд, lд – радиус дуги и ее длина.

В случае длинных дуг, т.е. таких, в которых процессы в столбе оказывают решающее влияние на характеристики дуги в целом, уравнение описывает поведение дуги почти в течение всего периода изменения тока, за исключением коротких промежутков времени вблизи моментов перехода тока через нуль. Характеристики дуги вблизи нуля тока должны рассматриваться обязательно с учетом приэлектродных процессов. Теория приэлектродных явлений в нестационарном случае не разработана. Эксперимент показывает, что поведение дуги переменного тока вблизи моментов изменения направления дугового тока (или полярности дугового напряжения) существенно зависит от свойств материала электродов и условий в дуговом промежутке. При этом поведение дуги в эти моменты на тугоплавком и легкоплавком электродах совершенно различно и зависит от направления изменения тока. Эти особенности хорошо прослеживаются в дуге переменного тока при сварке вольфрамовым электродом в аргоне изделий из алюминия и его сплавов. На (рис.7) приведена типичная вольтамперная характеристика такой дуги при высоком напряжении холостого хода источника, питающего дугу, и действующем токе дуги 200 А (направление обхода характеристики показано стрелками).

Особенностями этой характеристики являются высокий пик напряжения повторного зажигания при переходе с прямой полярности (катод - вольфрамовый электрод) на обратную (катод - алюминиевое изделие) и незначительный пик при переходе с обратной полярности на прямую, разница в напряжении горения дуги прямой и обратной полярности, значительная площадь между восходящей (при возрастании тока) и нисходящей (при убывании тока) ветвями характеристики (гистерезис). Качественно ход этих процессов хорошо объясняется термоэмиссионной теорией неплавящегося катода и теорией автоэлектронной эмиссии из алюминиевого катода (или близкой в ней по выводам теорией термической ионизации в ионизационном пространстве).

31

При переходе с обратной полярности на прямую разогретый в предыдущем полупериоде вольфрамовый электрод энергично эмитирует электроны. Ток эмиссии определяется только температурой электрода, которая из-за малой теплопроводности вольфрама не успевает заметно измениться. Поэтому ток в дуге возникает при сколь угодно малом восстанавливающемся напряжении и растѐт вместе с ростом напряжения. Наблюдающийся при этом небольшой пик напряжения зажигания обусловлен падающей характеристикой. Напряжение горения дуги в течение всего полупериода полярности невелико. Это хорошо объясняется термической теорией катодных явлений: разность температур ионизационного пространства и катода в этом случае невелика, что и определяет малое значение катодного падения напряжения и общего напряжения дуги. При переходе с прямой полярности на обратную процесс носит совсем другой характер.

Рис. 7. Вольтамперная характеристика дуги переменного тока

Холодный алюминиевый электрод практически не эмитирует электроны, а электроны не могут появиться, пока электрическое поле не достигнет достаточной напряженности и не рассосется отрицательный объемный заряд, образовавшийся в предыдущий полупериод, когда изделие было анодом. Если предположить, как это следует из термической теории, что ток переносится ионами, то и тогда в ионизационном пространстве первоначальная ионизация может происходить только за счет электронов, поступающих из нового катода.

32

Таким образом, катод может быть образован на холодном металле только в результате автоэлектронной эмиссии, для которой необходима довольно высокая напряженность поля.

Из-за наличия окисной пленки А12О3 на поверхности изделия резко понижается работа выхода электронов и уже при напряжении 60-80 В образуется диффузионный тлеющий разряд. После прохождения субнормальной стадии он переходит в свою нормальную стадию, в которой рост тока происходит при постоянном напряжении. При этом происходит энергичная очистка сварочной ванны благодаря процессу катодного распыления. Дальнейший рост тока, вызванный восстановлением напряжения на разрядном промежутке, влечет за собой контракцию разряда у катода и переход его в аномальную стадию. В этой стадии рост тока сопровождается быстрым ростом напряжения на промежутке, достигающего при токе 1 А около 220-240 В. Дальнейшее увеличение тока приводит к быстрой перестройке катодных процессов, образуется дуговой разряд с характерным для него низким напряжением горения. Однако это напряжение значительно (на 10-12 В) выше, чем в полупериоде прямой полярности. В конце этого полупериода тока напряжение вновь возрастает на несколько вольт (из-за падающего характера ВАХ катодного падения напряжения). Когда напряжение на промежутке становится недостаточным поддержания тока, дуга гаснет. Повторное зажигание полуволны напряжения прямой полярности происходит так, как описано выше.

Описанные здесь процессы в той или иной степени характерны для любой сварочной дуги переменного тока. Переменный ток чаще всего применяется при сварке штучными электродами с обмазкой, при сварке плавящимся электродом под флюсом и при сварке неплавящимся электродом в аргоне алюминия и его сплавов.

При сварке обмазанными электродами дуга горит в атмосфере, содержащей пары легкоионизируемого металла. На этом принципе основано применение ионизирующих электродных покрытий и некоторых флюсов, которые содержат элементы, в первую очередь, щелочные и щелочноземельные металлы (К, Na, Ba, Са и др.), имеющие потенциал ионизации меньший, чем пары железа. В этом случае пик напряжения зажигания выражен значительно слабее, а разница восходящей и нисходящей ветви более заметна.

Процесс повторных зажиганий сварочной дуги переменного тока под флюсом носит специфический характер из-за шунтирующего действия расплавленного флюса и непрерывного изменения зазора между электродами благодаря подаче электродной проволоки в зону дуги. Внешние динамические характеристики такой дуги отличаются нали-

33

чием возрастающего участка, что объясняется увеличением давления дуги и, следовательно, ее реальной длины с ростом тока. По этой же причине восходящая ветвь динамической характеристики иногда лежит выше нисходящей. Пики напряжений повторных зажиганий при сварке под флюсом велики, но скорости восстановления напряжения значительно ниже, чем в открытой дуге.

Вусловиях пониженной степени ионизации дугового промежутка

ипониженной температуры активных пятен повторное зажигание дуги в начале каждого полупериода может происходить только при напря-

жениях U3 больших, чем напряжение дуги.

Напряжение зажигания зависит от множества факторов и, в частности, от теплофизических свойств материала и геометрии электродов, от наличия в дуговом промежутке паров легкоионизируемых элементов, от длины дуги и значения сварочного тока.

Рис. 8. Ток и напряжение дуги переменного тока

На рисунке 8 представлены типичные кривые тока и напряжения дуги при питания от стандартного сварочного трансформатора.

Кривая u20 2 U 2 sin t характеризует напряжение холостого хода трансформатора.

Для непрерывного горения дуги переменного тока при отсутствии специальных устройств, обеспечивающих повторные зажигания дуги после смены полярности дугового напряжения, необходимо, чтобы

34

мгновенное значение напряжения питания в момент смены полярности сварочного тока превышало напряжение повторного зажигания. Это достигается в результате сдвига тока относительно питающего напряжения. Сдвиг тока зависит от реактивного сопротивления сварочного трансформатора и от его конструктивных размеров. При синусоидальном напряжении питания напряжение дуги

U2 U20 sin( t ) ,

(29)

где υ – угол сдвига между током и напряжением.

В результате это приводит к ограничению, налагаемому на минимально допустимый угол υmin.

	min	arcsin	U з		(30)
			U20 ,

где Uз - напряжение повторного зажигания.

Если формирование разряда при повторном возбуждении дуги задержалось, т.е. электрическая цепь разорвалась, напряжение на дуговом промежутке Uд стремится повыситься до значения, соответствующего текущему значению напряжения холостого хода. Благодаря сдвигу фаз это напряжение в момент обрыва дуги близко к своему амплитудному значению, что благоприятно сказывается на повторном зажигании дуги.

Очевидно, что повышение напряжения на дуговом промежутке во время повторного зажигания дуги способствует повышению устойчивости ее горения.

Обеспечить повышение напряжения на дуговом промежутке проще всего, увеличивая напряжение холостого хода трансформатора. Однако такой путь невыгоден, так как приводит к увеличению массы и габаритов источника, снижению его КПД и коэффициента мощности. Возрастает опасность поражения персонала электрическим током. Поэтому при проектировании источников необходимо выбирать минимальное соотношение между напряжением холостого хода и напряже-

нием дуги 0 U20 Uд , обеспечивающее стабильное горение дуги переменного тока. Очевидно, что это соотношение, в первую очередь, за-

висит	от кратности пика напряжения	повторного зажигания
з Uз	Uд . Так для значений 1.5 з 3.0 ,	что имеет место при свар-

ке сталей, значение ε0 должно быть принято 1.8 0 2.5.

35

Так как скорость нарастания напряжения на дуговом промежутке при обрыве сварочного тока в предыдущем полупериоде определяется его проводимостью, то при этом происходит своеобразное саморегулирование процесса повторного зажигания: чем быстрее уменьшается проводимость, тем больше скорость нарастания напряжения.

При полном разрыве сварочной цепи напряжение на электродах должно мгновенно увеличиться до текущего значения напряжения хо-

лостого хода трансформатора u20 2 U 2 sin t . Однако в реальных сварочных трансформаторах вследствие демпфирующего действия вихревых токов, возникающих в магнитопроводе и конструктивных элементах трансформатора, процесс нарастания напряжения происходит в два этапа: сначала мгновенно до значения и далее по экспоненте, как представлено на рисунке 9. Величина U, время затухания t3 определяются параметрами контуров вихревых токов и характеризуют динамические свойства сварочных трансформаторов; очевидно, чем больше эти величины, тем хуже динамические свойства.

Рис. 9. Кривая, характеризующая нарастание напряжения дуги после ее перехода через ноль

Экономичным и эффективным путем повышения устойчивого горения дуги является кратковременное увеличение напряжения в дуговом промежутке - только на время повторного возбуждения дуги с помощью специальных устройств, импульсных стабилизаторов горения дуги. Энергия импульса в стабилизаторах напряжения накапливается в емкостном накопителе и инжектируется в цепь дуги через тиристорное разрядно-синхронизирующее устройство.

Импульсные стабилизаторы уже многие годы находят применение при аргонодуговой сварке легких сплавов и являются неотъемлемой частью оборудования для этого процесса сварки. При этом процессе сварки без стабилизаторов пики напряжения повторного зажигания

36

достигают 200-250 В. Повышение напряжения холостого хода источников до таких значений неприемлемо по экономическим соображениям и недопустимо по условиям безопасности.

При других процессах сварки стабилизаторы горения дуги широкого распространения не получили. Однако установлено, что при сварке штучными электродами применение стабилизаторов позволяет несколько снизить напряжение холостого хода источников питания, применять при сварке на переменном токе качественные электроды, предназначенные для сварки на постоянном токе. На устойчивость и скорость повторного зажигания дуги существенное влияние оказывают параметры источников питания. К ним, прежде всего, относятся напряжение холостого хода, скорость его восстановления после обрыва тока дуги, форма кривой сварочного тока, фазовый сдвиг между напряжением холостого хода источника и током дуги. Поэтому устойчивость процесса сварки на переменном токе существенно зависит от формы кривой сварочного тока. При искажении формы относительно синусоидальной, с замедлением его прохождения через нулевые значения, наблюдается снижение стабильности горения дуги. При улучшении формы тока до синусоидальной и далее до трапецеидальной и прямоугольной устойчивость горения дуги возрастает, так как основным механизмом развития открытой дуги в начале каждого полупериода переменного тока является разогрев дугового газа после некоторого его охлаждения при смене полярности. Следовательно, все меры, способствующие ускорению нагрева газа после перехода тока через нуль, направлены на повышение стабильности дуг.

Поэтому более равномерное распределение мощности дуги в источнике с прямоугольной формой тока сопровождается снижением пика напряжения повторного зажигания. А надежное повторное зажигание дуги в источниках с прерывистым тиристорным регулированием практически невозможно без использования импульсных стабилизаторов горения дуги.

1.3.1. Постоянная составляющая сварочного тока

Различие теплофизических свойств и условий охлаждения электрода и изделия, особенно сильное при сварке вольфрамовым электродом алюминиевых сплавов, приводит к тому, что напряжение на дуге в одном полупериоде резко отличается от напряжения в другом полупериоде. Имеет место так называемое выпрямляющее действие дуги. Если не принять специальных ограничительных мер, в сварочной цепи возникает большая по значению постоянная составляющая тока - до

37

70-80 % от действующего значения рабочего сварочного тока. Значение постоянной составляющей главным образом зависит от соотношения напряжений дуги обратной и прямой и растет с увеличением этого соотношения.

Напряжение холостого хода источника U20 оказывает незначительное влияние на значение постоянной составляющей тока, причем

увеличение соотношения Uд U20 сопровождается снижением постоянной составляющей.

Постоянная составляющая сварочного тока создает в трансформаторе постоянную составляющую магнитного поля, вызывающую рост намагничивающего тока, снижение отдаваемой трансформатором мощности и коэффициента мощности. Значительная постоянная составляющая тока отрицательно сказывается на технологии сварки. Поэтому в источниках питания аргонодуговой сварки принимаются меры по устранению постоянной составляющей тока или ее ограничению до требуемого по технологическим соображениям значения.

1.3.2. Трехфазная сварочная дуга

Трехфазной дугой называют сварочную дугу, состоящую из трех раздельных дуг, питаемых каждая от отдельной фазы трехфазного тока, но горящих в общем плавильном пространстве. Трехфазная дуга при сварке изделий значительных толщин имеет преимущества по сравнению с однофазной дугой. Производительность сварки трехфазной дугой в 2-2,5 раза выше, чем производительность сварки однофазной дугой.

Два провода от источника присоединяются к электродам Э1 и Э2. Трехфазная дуга состоит из трех отдельных дуг, горящих в общей газовой среде и имеющих общее плавильное пространство (рис.10). Дуги 2 и 3 являются дугами прямого, а дуга 1 - косвенного действия. При трехфазном питании возможны и другие варианты: две дуги прямого действия, имеющие только общее плавильное пространство, и две дуги, имеющие раздельные парогазовые среды и раздельные плавильные пространства. Такую сварку называют двухдуговой сваркой.

Источник питания трехфазной дуги состоит из трехфазного сварочного трансформатора и регуляторов тока (катушек индуктивности L1, L2 и L3), включаемых в цепи электродов и изделия. В качестве регуляторов применяют катушки индуктивности, имеющие ферромагнитные сердечники. Последовательность и длительность горения дуг зависят от последовательности чередования фаз источника и парамет-

38

ров цепей электродов и изделия. Возбуждение трехфазной дуги производится контактным способом.

Рис. 10. Принципиальная электрическая схема питания трехфазной дуги

При трехфазном питании создаются условия для раздельного регулирования величин токов в цепях электродов и в цепи изделия. При трехфазной дуге появляется возможность распределять теплоту, затрачиваемую на расплавление электродов и на проплавление металла изделия. Наличие индуктивностей в сварочных контурах создает условия для устойчивого горения трехфазной дуги, лучшие, чем у однофазной. В любой момент времени в трехфазной дуге горит, по крайней мере, одна из трех дуг. Вследствие этого среда между изделием и электродами ионизирована, что благоприятно сказывается на устойчивости. При равных напряжениях, подведенных к трехфазной дуге, может гореть не более двух дуг. Объясняется это тем, что на торце электрода не могут существовать одновременно анодное и катодное пятна. Большая устойчивость трехфазной дуги позволяет рассчитывать источник питания на более низкое напряжение холостого хода, что дает уменьшение габаритов трансформатора, а следовательно, экономию материалов при его изготовлении. Соотношение между напряжением холостого хода и рабочим напряжением принимают равным 1,17-1,25. Регуляторы тока в цепях электродов и изделия могут иметь меньшую индуктивность, что увеличивает коэффициент мощности cosυ установки до 0,7.

39

Сварочная дуга для трехфазного источника питания представляет собой нагрузку, состоящую из трех нелинейных резистивных сопротивлений, соединенных как бы треугольником. Величины этих сопротивлений или соответствующие им проводимости разрядных промежутков зависят от значений токов в дугах. Таким образом, энергетическая система (источник питания - трехфазная дуга – ванна) является нелинейной системой. Анализ работы такой системы и получение количественных соотношений между основными электрическими величинами представляют значительные трудности. При анализе работы нелинейной системы без ряда допущений нельзя пользоваться комплексными числами и применять векторные диаграммы.

Широкого применения сварка трехфазной дугой не получила, так как оказалась неконкурентоспособной по сравнению с электрошлаковой сваркой. В ограниченных масштабах она применяется для механизированной сварки изделий больших толщин из стали и алюминия.

1.3.3. Требования к форме внешних характеристик источников питания

Анализ статической устойчивости системы источник питания - дуга и особенности работы системы регулирования дуги позволяют сформулировать основные требования к статическим свойствам источников питания, отображаемым их внешней характеристикой. При ручной дуговой сварке и автоматическом регулировании напряжения дуги под флюсом, когда статическая характеристика дуги обычно бывает жесткой, внешняя характеристика источника питания должна быть падающей. В этом случае система источник питания - дуга всегда устойчива. Интенсивность автоматического регулирования напряжения дуги и эластичность дуги возрастают с увеличением крутизны падающей внешней характеристики источника питания. Последнее 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 крутопадающих внешних характеристиках отклонения сварочного тока при изменении длины дуги будут незначительными, что благоприятно сказывается на постоянстве теплового режима ручной сварки и формировании сварного шва.

Напряжение холостого хода при падающих внешних характеристиках всегда больше рабочего напряжения дуги, что облегчает первоначальное и повторные возбуждения дуги, особенно при сварке на переменном токе. При падающей внешней характеристике ограничивается ток короткого замыкания. В процессе ручной сварки короткие замы-

40