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 Куд–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.

 

Далее: 1.6. Особенности горения дуги на переменном токе