Назад: 1.4. Начальное зажигание дуги
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 [2,8,12].
Рис. 1.7. Контур постоянного тока сварочной цепи
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 = I×R + Uд + Ldi/dt.
(1.14)
Для установившегося состояния, когда i = const, это уравнение приобретает вид
Е=
I×R + Uд. (1.15)
Известно,
что устойчивость процесса выполняется только при условии наличия общей точки
пересечения характеристик питающей системы и потребителя.
Сварочная
дуга имеет U – образную вольт-амперную
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 U0 и
внешняя (реостатная) вольтамперная характеристика источника питания Uи =
f(I). 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
1 U0
Точкой действительно
устойчивого горения дуги будет точка А. Для других точек кривой Uд =
f(I) уравнение (1.8) несправедливо, поэтому для этих областей Uи = I×R + 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 могжет быть
компенсировано только за счет ЭДС самоиндукции, следовательно:
DU = L di/dt. (1.16)
Поскольку справа от точки А падение напряжения должно
быть отрицательно, то это может иметь место при условии, если в этой зоне
скорость нарастания тока (di/dt)
становится отрицательной, т.е. ток в этой зоне может быть только убывающим.
В области между точками А и Б величины DU должны быть положительны, и, следовательно, ток
может только возрастать. Это свидетельствует 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. Устойчивость системы «ИП-Дуга» оценивается коэффициентом
устойчивости Ку = ρд – ρи. Если в
рабочей точке Ку=ρд–ρи>0, система
устойчива (ρд и ρи соответственно дифференциальное
сопротивление дуги и источника питания).
На рис. 1.8 величина тока I=Iкз отсекается
прямой U–I×R=f(I):
I = Iкз = Uи/R. (1.17)
Величина тока I в цепи при установившемся состоянии, когда Uд
= 0, является установившимся током короткого замыкания Iкз. Для
обеспечения угасания дуги во всем диапазоне тока от Iкз до 0
необходимо, чтобы величины ∆U во всем этом диапазоне снижения тока были
отрицательны, т.е. чтобы вольтамперная характеристика дуги Uд лежала
выше характеристики источника питания Uи, с ней не
пересекалась.
Рис. 1.9. Процесс гашения дуги постоянного тока при ее последовательном удлинении
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 показано семейство ВАХ дуги. Процесс
непрерывного удлинения дуги можно представить в виде ряда последовательных
скачкообразных переходов, разделенных на ступени определенной длины – ℓ1…ℓкр.
Этим длинам соответствуют вольтамперные характеристики, которые пересекают
прямую, описываемую уравнением Uи – I×R = 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.
При сварке возможны изменения длины дуги ℓ,
которые не должны приводить к нарушению устойчивости процесса. Свойство дуги
изменять свою длину без разрыва называется эластичностью. Эластичность дуги при
малых токах существенно зависит от внешней характеристики источника питания 1
(рис.1.10).
Рис. 1.10. Изменение тока сварки при колебаниях длины дуги: ℓ – длина дуги; Iр - рабочий ток; Uр - рабочее напряжение
Источники питания с пологопадающей внешней
характеристикой не обеспечивают устойчивости при изменениях длины дуги, а при
её колебаниях имеет место существенное изменение тока (±∆I), что отрицательно влияет на качество сварки.
Эластичность дуги используется в системе саморегулирования, где Vпп –
постоянная при сварке плавящимся электродом. Для обеспечения качества сварки
скорость подачи электрода (проволоки) равна скорости плавления (Vпп = Vпл) [2,3]. Это условие обеспечивает
постоянство длины дуги и режимов сварки (Iр, Uр). При
постоянной скорости подачи сварочной проволоки в случае уменьшения длины дуги
сварочный ток увеличивается – это приводит к более интенсивному плавлению
электрода, и длина дуги восстанавливается. При увеличении длины дуги сварочный
ток уменьшается, что приводит к уменьшению интенсивности плавления электрода –
длина дуги увеличивается. При любых отклонениях система самовозвращается в
исходное состояние. Такая система обеспечения длины дуги называется
саморегулирующейся.
В случае использования пологопадающней характеристики
источника питания на больших токах используют
принудительные системы регулирования длины дуги. В механизмах подачи
сварочной проволоки используются двигатели постоянного тока, что позволяет
увеличить или уменьшить скорость вращения подающих роликов. В системе
управления сварочным оборудованием имеются обратные связи по току или по
напряжению, которые позволяют формировать команду на увеличение или уменьшение
скорости подачи электродной проволоки при изменении длины дуги. В результате
длина дуги остается неизменной.