7. Источники питания дуги переменным током с катушкой индуктивности в сварочном контуре. Уравнения напряжений и тока для сварочной цепи.

8. Классификация и технические характеристики источников питания.

9. Основные требования к источникам питания общепромышленного назначения. Влияние формы внешней характеристики источника питания на изменение тока при колебании длины дуги. Явление саморегулирования длины дуги.

Требования к источникам питания

Источник питания должен обеспечивать легкое и надежное возбуждение дуги, устойчивое ее горение в установившемся режиме, регулирование мощности (тока). Источник питания должен быть рассчитан на конкретные режимы работы, т. е. на определенную нагрузку и определенные условия эксплуатации (температуру, влажность, давление, пространственное положение сварного шва), при которых все его свойства проявляются оптимально.

Для возбуждения дуги в атмосфере воздуха даже при небольшом расстоянии между электродом и свариваемым изделием, измеряемом несколькими миллиметрами, требуется очень высокое напряжение, порядка тысяч вольт. Если газы в дуговом промежутке частично ионизи­ровать, то для возбуждения дуги требуется напряжение, близкое к напряжению стабильного горения дуги. При горении в атмо­сферных условиях это напряжение составляет 20—30 В. В момент возбуждения дуги кратковременным замыканием электрода на изделие или высокочастотным разрядом в дуговом промежутке появляются пары металла и ионизированный газ. При наличии напряжения, близкого к напряжению зажигания дуги, произойдет ее возбуждение (рис. 5.1). Время восстанов­ления напряжения _В от короткого замыкания U_K до напряжения, равного напряжению возбуждения U_З, должно быть минимальным, не более 0,05 с.

Надежное возбуждение дуги связано также с оптимальной скоростью нарастания тока короткого замыкания в начальный момент до пикового I_пк , а затем до установившегося I_к значения. При больших скоростях нарастания тока короткого замыкания наблюдается взрывной характер оплавления электрода; при ма­лых скоростях затрудняется образование ионизированного про­межутка между электродом и свариваемым изделием.

Рис. 5.1. Характерные изменения на­пряжения и тока дуги при сварке пла­вящимся электродом (_к — время ко­роткого замыкания; _в — время воз­буждения; _г — время устойчивого го­рения дуги)

Источник питания должен при определенных режимах работы должен удовлетворять двум группам требований: технологическим и технико-экономическим.

Технологические требования. Эти требования определяются техническими возможностями достижения технологических свойств, которые определяются, в свою очередь, статическими и динамическими свойствами источника питания и свойствами нелинейных участков — разрядного промежутка и ванны.

Прежде всего источник должен легко настраиваться на требуемый режим сварки. Для этой цели в источниках необходимы регулирующие устройства, позволяющие получать семейство внешних вольт-амперных характеристик (рис 5.2). Для некоторых способов сварки большое значение имеет возможность дистанционной настройки режима работы источника.

Совершенствование способов и технологии дуговой сварки предъявляет к источникам разнообразные и многочисленные требования. Например, источники питания для сварки вольфрамовым электродом целесообразно снабжать осцилляторами для зажигания дуги без применения короткого замыкания, устройствами для плавного регулируемого во времени нарастания тока при зажигании дуги и гашения ее при окончании автоматической сварки.

При выборе внешней вольт-амперной характеристики источ­ника прежде всего необходимо соблюдать условия устойчивого горения дуги. Однако даже при соблюдении этих условий стабильность горения дуги может быть повышена при выборе наиболее рациональной формы вольт-амперной характеристики источника, определяемой из рас­смотрения конкретных условий ведения процесса сварки.

Рис. 5.2 - Граничные падающие внешние вольт-амперные характеристики источника питания дуги:

При дуговой сварке покрытыми электродами и вольфрамовым электродом часто происходит изменение длины дуги. При руч­ной сварке эти изменения связаны с выполнением швов в трудно­доступных местах и квалификацией сварщика. При сварке воль­фрамовым электродом удлинение дуги возможно за счет его оплав­ления.

Колебания длины дуги при названных способах сварки должны приводить к незначительным изменениям сварочного тока. В про­тивном случае будет наблюдаться существенная разница в геоме­трических размерах сварочной ванны и шва.

Сварку покрытыми электродами и вольфрамовым электродом выполняют на небольших плотностях тока. Статическая вольт-ам­перная характеристика дуги имеет падающую форму. Для горения дуги необходимы источники только с падающими вольт-амперными характеристи­ками. Наименьшее изменение тока обеспечивается при применении источников с крутопадающими вольтамперными характеристи­ками (рис. 5.3):

I_1К<I_1П ; I_2К<I_2П ,

где I_К и I_П— изменение тока соответственно при крутопа­дающей и пологопадающей вольт-амперной характеристике ис­точника.

Рис. 5.3 - Влияние крутизны паде­ния вольт-амперной характеристи­ки источника на изменение свароч­ного тока (l, l1, l2 — длины дуг; l2 < l, l1> l К-крутопадающая; Л-пологопадающая

Рис. 5.4 - Зависимость изменения тока от колебаний длины дуги (сплошная линия — вольтамперная характеристика источника)

При механизированной свар­ке плавящимся электродом под флюсом {по флюсу) и в среде защитных газов требуется автома­тическое поддержание основных параметров дуги — тока и на­пряжения. Для этих целей ис­пользуют саморегулирование дуги. Оно заключается в изменении скорости плавления электродной проволоки при колебаниях длины дуги. Сущность процесса само­регулирования ясна из графи­ческой зависимости, приведенной на рис. 5.4. Длина дуги при свар­ке изменяется от l₁ до l₂. Ско­рость подачи электродной про­волоки постоянна.

В установившемся режиме (при l_д = l) скорость подачи проволоки равна скорости ее плавления. При уменьшении длины дуги (l_д = l₂ и l₂ <l) возрастает сварочный ток (I_l2 > I_l). Благодаря этому увеличивается скорость плавления элек­трода, и заданная длина дуги восстанавливается l₂  l. При увеличении длины дуги (l_д = l₁ и l₁ >l) будет наблю­даться обратный процесс. Произойдет уменьшение свароч­ного тока (I_l1 < I_l) и соответственно скорость плавления электрода. Длина дуги сократится l₁  l.

Саморегулирование дуги особенно эффективно при сварке на больших плотностях тока и протекает тем активнее, чем больше изменения тока при колебаниях длины дуги.

При механизированной и автоматической сварке порошковой проволокой, а также в среде защитных газов под флюсом тонкой проволокой статическая характеристика дуги возрастающая. Для питания дуги принципиально пригодны источники с падающими П, жесткими Ж и возрастающими В вольтамперными характеристиками. Однако наибольшее изме­нение сварочного тока при колебаниях длины дуги, необходи­мое для активизации процесса саморегулирования, будет на­блюдаться при выборе источника питания с возрастающими вольт-амперными характеристиками (рис. 5.5).

Рис. 5.5 – Влияние формы внешней характеристики источника на изме­нение тока при колебаниях длины дуги

I_1В>I_1Ж>I_1П ; I_2В>I_2Ж>I_2П,

На практике применяют главным образом источники питания с пологопадающими и жесткими вольтамперными характеристи­ками.

Статические свойства источника отражены в его внешней статической характеристике и ее соответствии вольт-амперной характеристике дуги, так как способность энергетической системы источник — дуга — ванна поддерживать устойчивое горение дуги и заданный режим зависит от видов и взаимного расположения этих характеристик.

О динамических свойствах источника можно судить по характеру и скорости протекания переходных процессов в системе источник—дуга — ванна, сопровождающихся резкими изменениями сварочного тока при ступенчатых изменениях проводимости разрядного промежутка, которые вызываются резкими переходами из одного установившегося режима в другой (например, при переходе от холостого хода к короткому замыканию при первоначальном возбуждении дуги). Кроме того, при сварке могут наблюдаться относительно небольшие колебания напряжения на дуге и тока дуги, вызываемые процессами в разрядном промежутке (изменением длины дуги, переносом капель расплавленного металла, перемещением активных пятен на поверхностях электрода и изделия, возникновением в столбе дуги потоков ионизированного газа, колебаниями напряжения сети, неравномерностью скорости подачи сварочной проволоки и т. д.).