Назад: 1.5. Электрическая устойчивость системы «источник-дуга»

1.6. Особенности горения дуги на переменном токе

Стабильность горения дуги при сварке на переменном токе ниже, чем на постоянном. Это связано с тем, что при частоте переменного напряжения сети 50 Гц сварочный ток 100 раз в секунду снижается до 0, переходит через ноль, меняя полярность, после чего дуга должна зажигаться. Поэтому при сварке на переменном токе источник питания должен обладать специфическими свойствами – обеспечивать надежное многократное повторное зажигание дуги.

Дуга в сварочной цепи с активным сопротивлением. Рассмотрим работу источника переменного тока – трансформатора с резистором R в цепи дуги, т.е. при L = 0, рис.1.11. В этом случае согласно второму правилу Кирхгофа для мгновенных значений напряжение

u₂ = u_R + u_д, (1.18)

т.е. вторичное напряжение трансформатора складывается из падений напряжения на резисторе u_R и дуге u_д.

Рис.1.11. Схема сварочного поста

Рассмотрим осциллограмму изменение электрических параметров процесса сварки на переменном токе, рис. 1.12. В конце предыдущего полупериода с момента t₁ напряжение трансформатора становится недостаточным для поддержания горения дуги (U₂ < U_д), и она гаснет, а ток i_д резко снижается до нуля. При этом температура в межэлектродном промежутке снижается, а его сопротивление резко возрастает. После перехода через 0 в момент t₀ дуговой разряд восстановиться мгновенно не может – мало напряжение источника U₂. Небольшой преддуговой ток, существующий при этом, создается за счет остаточной плазмы межэлектродного промежутка и термоэлектронной эмиссии с катода.

Рис.1.12. Изменение электрических параметров в системе «трансформатор-дуга» с активным сопротивлением в цепи

По мере нарастания напряжения на трансформаторе растет и преддуговой ток, но скорость его увеличения di_д/dt вплоть до момента t₂ существенно ниже, чем скорость снижения в момент t₁.

При благоприятных условиях в момент t₂ возникает дуговой разряд. При сварке стальными покрытыми электродами повторное зажигание происходит при напряжении U_з ≈ 30 В и более, время перерыва (t₂ – t₀) может длиться от 0,5 до 3 мс. После зажигания дуги напряжение снижается от U_з до приблизительно постоянной величины U_д и сохраняется на этом уровне до следующего угасания. Интервал времени повторного зажигания от t₁ до t₂ – время перерывов в горении дуги в каждый полупериод. При неблагоприятных условиях в момент t₂ дуговой разряд может не возбудиться, и дуга погаснет, что свидетельствует о нестабильности процесса горения дуги переменного тока с резистивным сопротивлением в цепи.

Из осциллограммы (рис. 1.12) видно, что при синусоидальном напряжении трансформатора кривые тока и напряжения дуги искажены. Это объясняется нелинейностью балластного реостата и сопротивления дуги.

Для оценки устойчивости дуги переменного тока и, в частности, надежности повторного зажигания в качестве критериев принимают напряжение U_з, ток I_з и время повторного зажигания после смены полярности (t₂ – t₀).

Для снижения величины U_з повышают степень остаточной ионизации плазмы путем ввода в состав электродных покрытий легкоионизируемых веществ, содержащих K, Na, Ca. Из электротехнических приемов повышения устойчивости дуги используется увеличение напряжения источника U_2m (или его напряжения холостого хода (U_хх) и частоты f переменного тока. Однако заметный эффект достигается при частоте от 300...500 Гц. Увеличение частоты питающего напряжения связано с существенным усложнением конструкции источника и на практике применяют редко. Эффективным электротехническим приемом, нашедшим широкое практическое применения, является включение последовательно с дугой реактора или использование вспомогательного источника – импульсного стабилизатора дуги.

Дуга в сварочной цепи с индуктивностью (реактором). Включение в сварочную цепь реактора с индуктивностью L ≠ 0 (рис.1.11) улучшает процесс сварки на переменном токе: индуктивность L, обладая значительным реактивным сопротивлением Х_L = wL, обеспечивает получение падающей внешней характеристики, способствует повышению устойчивости горения дуги и используется для настройки режима.

Вторичное напряжение трансформатора складывается из падений напряжения в дуге и на индуктивном сопротивлении:

U₂ = U_Д + U_L. (1.19)

Характер изменения электрических параметров процесса при сварке на переменном токе с индуктивностью в системе «трансформатор-дуга» показан на осциллограмме (рис. 1.13), из которой видно, что сварочный ток i₂, за исключением преддугового периода, практически синусоидальный:

i₂ = I_2msinwt.

Рис. 1.13. Изменение электрических параметров в системе «трансформатор-дуга» с реактором в цепи

Благодаря введению индуктивности в цепь напряжение трансформатора по фазе опережает ток на угол j.

u₂ =U_2msin(wt + j). (1.20)

В интервале времени t₁ – t₂ в начале наблюдается резкий пик напряжения, а в конце – его провал. Это способствует уменьшению времени перерывов горения дуги.

Электрические процессы при переходе тока через 0. После угасания дуги в предыдущем полупериоде (с момента t₁) (рис.1.13) в межэлектродном промежутке проходят процессы, подобные для сварочной цепи с активным сопротивлением. Однако повторное зажигание дуги в этом случае начинается не в момент перехода напряжения трансформатора U₂ через 0, а в более поздний момент t₀ , обусловленный сдвигом кривой тока i₂ на угол j за счет наличия реактора L. К этому времени напряжение трансформатора U₂ достигает напряжения, превышающего напряжение повторного зажигания дуги U_з. Поэтому повторное зажигание дуги происходит быстрее, чем в системе с активным сопротивлением, и перерывы в горении дуги практически отсутствуют.

Благодаря введению индуктивности в сварочную цепь переменного тока наблюдается сдвиг фаз между током и напряжением, что способствует переходу тока через ноль при относительно высоком напряжении трансформатора. Это повышает надежность повторного зажигания дуги и устойчивость её горения.

Электрические процессы при горении дуги. После зажигания дуги напряжение трансформатора U₂ затрачивается на питание дуги и компенсацию противоЭДС индуктивности u_L, поэтому

U_д = |U₂| ─ |u_L|. (1.21)

В реакторе по мере нарастания тока накапливается электромагнитная энергия. С момента t₃ напряжение трансформатора U₂ становится ниже необходимого для горения дуги U_д. Однако дуга при этом не гаснет. Так как к этому времени ЭДС индуктивности u_L меняет знак, индуктивность, возвращая накопленную энергию, подпитывает дугу, и напряжение дуги становится равным сумме напряжения трансформатора U₂ и ЭДС индуктивности u_L:

u_д = |U₂| + |u_L|. (1.22)

Поэтому момент угасания дуги t₄ наступает позже, чем в системе с активным сопротивлением, и интервал t₄…t₅ сокращается.

Электромагнитная энергия, запасаемая в индуктивности, используется для питания дуги в интервалы времени, когда напряжение трансформатора становится недостаточным для питания дуги, благодаря этому повышается стабильность горения дуги на переменном токе.

Далее: 1.7. Настройка режимов сварки и обозначение источников