4.3 Статические характеристики регуляторов дуговой сварки

4.3 Статические характеристики регуляторов дуговой сварки

Статические характеристики регуляторов дуговой сварки необходимы для определения выходных параметров системы (при дуговой сварке такими являются ток и напряжение дуги) при возмущениях, действующих на нее, а также для определения величин их отклонений от заданных и поиска способов стабилизации выходных параметров процесса. Анализ статических характеристик регуляторов позволяет правильно выбрать сварочный автомат и источник питания дуги, чтобы обеспечить получение сварного соединения, отвечающего техническим условиям, предъявляемым к изделию.

При дуговой сварке плавящимся электродом наиболее широкое применение получили две системы регулирования энергетических параметров процесса: автоматическое регулирование напряжения дуги (АРНД) и автоматическое регулирование дуговой сварки, т.е. системы саморегулирования АРДС. Энергетические параметры процесса дуговой сварки плавящимся электродом (I_д, U_д) будут оставаться постоянными, если длина дугового промежутка будет оставаться постоянной:

ℓ_д = const.

В первых автоматах дуговой сварки плавящимся электродом для стабилизации длины дуги была реализована система с обратной связью по напряжению дуги. Сигнал ОС использовался для регулирования скорости подачи электрода. В настоящее время на этой основе выпускаются автоматы с принудительной скоростью подачи электродной проволоки (АДС-1000-2, АДБН-300 и др.). В них имеются регуляторы, стабилизирующие напряжение на дуге путем принудительного изменения скорости подачи электродной проволоки.

Особенностью электрических дуг при сварке плавящимся электродом является присущее им свойство саморегулирования энергетического состояния в условиях возмущающих воздействий. Использование принципов саморегулирования позволило создать автоматы для дуговой сварки с постоянной скоростью подачи проволоки без дополнительных регуляторов. На этом принципе построены автоматы типа АДФ 1250 и его модификации, LT-7, A2 Multitrac, А-616М и др., а также полуавтоматы типа ПДГ 508 и его модификации для сварки в защитных газах и под флюсом отечественного производства. Известны импортные проволокоподающие механизмы FEED 10 с инверторным источником питания POWER WAVETM 455 фирмы LINCOLN ELECTRIC, FU-20, FU-30 с источник постоянного тока PS5000 фирмы KEMPPI и др.

Из основного условия статики систем регулирования следует, что система будет находиться в равновесном состоянии, если между притоком и расходом регулируемой величины (среды) установится баланс.

Так, при дуговой сварке электродная проволока, с одной стороны, подается в зону горения дуги, а с другой, – она плавится, при этом длина дуги будет оставаться постоянной, если

V_э = V_п, (4.1)

где V_э – скорость плавления электрода; V_п – скорость ее подачи.

Система АРНД. Для вывода уравнения регулятора АРНД рассмотрим упрощенную схему регулирования напряжения на дуге, рис. 4.3.

Рис.4.3. Схема системы АРНД

Электродная проволока подается двигателем независимого возбуждения М через редуктор q. Якорь двигателя М запитывается от генератора Г, который имеет две обмотки возбуждения. Обмотка возбуждения w1 запитывается от потенциометра R_р1, которая получает питание от независимого стабилизированного источника питания. Обмотка w2 получает питание от падения напряжения на дуге через выпрямитель и подстроечный резистор R_р2. Обмотки возбуждения подключены к своим источникам питания так, чтобы токи, проходящие по ним, создавали магнитные потоки Ф1 и Ф2, направленные в противоположные стороны.

Процесс сварки в таких системах, как правило, начинается с предварительного замыкания электрода на изделие. Поэтому в первый момент ток в обмотке возбуждения w2 будет отсутствовать. Поток Ф1 зависит от положения движка потенциометра R_р1. За счет этого потока генератор вырабатывает напряжение такой полярности, что двигатель М отрывает электрод от изделия. Как только образуется дуга, по обмотке возбуждения Ф1 проходит ток, зависящий от длины дуги. Создается поток Ф2, который уменьшает результирующий поток намагничивания генератора. ЭДС генератора уменьшается. Двигатель М продолжает вращаться в том же направлении, но медленнее. Так как электрод продолжает плавиться, то длина дуги увеличивается. Падение напряжения на дуге U_д = U_ка + k_д ℓ_д и поток Ф2 возрастают. Как только Ф1 станет равным Ф2, двигатель остановится. Длина дуги увеличится, и Ф2 станет больше Ф1. Генератор меняет полярность, и двигатель начнет вращаться в противоположную сторону, подавая электрод к изделию. Чем больше ℓ_д, тем с большей скоростью будет подаваться электродная проволока к сварочной ванне. Как только скорость подачи и скорость плавления электрода станут равными, то установится постоянная длина дуги, которая в основном определяется потоком Ф2. Если будут какие-либо возмущения, то система их будет отрабатывать так, чтобы выполнялось условие (4.1).

Таким образом, скорость подачи проволоки определяется разностью напряжения, снимаемого с дуги, и заданным, снимаемым с потенциометра R_р1:

V_п =k_нд (U_д –U_з), (4.2)

где k_нд – коэффициент усиления системы (показывает, как изменяется скорость подачи проволоки с изменением напряжения на один вольт); U_д и U_з – соответственно напряжение на дуге и заданное.

В рассмотренной схеме постоянство U_д достигается благодаря изменению скорости подачи электрода за счет применения электромашинного усилителя. Вместо электромашинных усилителей могут применяться магнитные или электронные усилителя, или системы с фазным управлением.

Известно, что при сварке плавящимся электродом скорость его плавления увеличивается с ростом тока и уменьшается с ростом напряжения

V_э = k_стI_д – k_сн U_д, (4.3)

где k_ст и k_сн – соответственно коэффициент саморегулирования по току и по напряжению; k_ст и k_сн – показывают соответственно, как изменяется скорость плавления электрода с изменением тока при постоянном напряжении и как изменяется скорость плавления электрода с изменением напряжения при постоянном токе), k_ст = ∂ V_э/∂I | U_д = сonst, cм/(Ас).

Для определения k_ст существует эмпирическая зависимость

k_ст = 1/ (9πγ )k_пл /d_э²,

где γ – плотность материала электрода; k_пл – коэффициент расплавления электрода, г/(Ач); d_э – диаметр электрода, мм.

Для углеродистых и низколегированных сталей

k_ст = 0,00453 k_пл/d_э².

k_сн = ∂ Vэ/∂u | I_д = сonst, cм/(Вс),

или

k_сн = k_ст /(k_дс – k_дт),

где k_дс – крутизна статической характеристики саморегулирования, или кривая устойчивой работы; k_дт – крутизна статической характеристики дуги: k_дт= ∂u/∂I | _{ℓ∂ = сonst}, k_дс= ǔ/ĭ, значение k_дс можно рассчитать аналитически*

, (4.4)

где h_в, F_э, `ρ₀ – вылет, площадь поперечного сечения и удельное сопротивление электрода соответственно; с, ρ – теплоемкость и плотность материала электрода; k, n – постоянные коэффициенты.

Из уравнения (4.4) следует, что k_дс определяется свойствами материала электрода, его диаметром, защитной средой и сопротивлением дуги.

Подставив (4.2) и (4.3) в уравнение (4.1), получим

U_д = k_нд U_з /(k_нд + k_сн) + k_ст I_д /(k_нд + k_сн ), ( 4.5)

U_д = U_з^¢ + k_ст I_д /(k_нд + k_сн ), ( 4.6)

где U_з^¢ = k_нд U_з /(k_нд + k_сн).

В системе АРДС скорость подачи электродной проволоки не зависит ни от тока, ни от напряжения дуги и остается постоянной:

v_п = сonst. (4.7)

Решая совместно уравнение (4.1), (4.3) и (4.7), получаем:

I_д = v_п/k_ст + k_сн/k_стU_д, (4.8)

I_д = I_з + k_сн/ k_стU_д, (4.9 )

где I_з = v_п/k_ст.

Эти уравнения справедливы для дуги с жесткой характеристикой (k_дт = 0). Если величина k_дт отлична от нуля, то уравнение (4.8) принимает следующий вид:

I_д = v_п/(k_ст + k_сн k_дт) + k_сн U_д/(k_ст + k_сн k_дт). (4.10)

Из уравнений (4.6), (4.9) и рис. 4.4 видно, что системы поддерживают напряжение и ток дуги на уровне, превышающем заданное значение. Эти значения регулируемых величин отличаются от заданных на ΔU_д и ΔI_д.

ΔU_д = U_д – U_з = k_ст I_д /(k_сн + k_нд), (4.11)

Δ I_д = I_д – I_з = k_сн U_д./k_ст. (4.12)

Рис. 4.4. Совмещенные вольтамперные характеристики регулятора (1)

и питающей системы (2): а – система АРНД; б – система АРДС

Из этих уравнений видно, что для уменьшения статической ошибки по напряжению в системе АРНД (4.11) необходимо увеличить коэффициент усиления системы k_нд. Однако, как уже ранее отмечалось, k_нд увеличивать до бесконечности нельзя, так как система потеряет устойчивость.

С ростом тока дуги, для поддержания постоянной ее длины, необходимо увеличить напряжение на ΔU_д, чтобы компенсировать возрастание падения напряжения на вылете электрода.

Для уменьшения статической ошибки по току в системе АРДС необходимо увеличить k_ст, для чего целесообразно производить сварку электродными проволоками с меньшим диаметром.

С увеличением напряжения на дуге уменьшается вылет электрода. Величина k_сн U_д/k_ст характеризует отклонение тока от заданного значения, вызванного влиянием напряжения дуги на скорость плавления электрода, так как скорость плавления электрода определяется тепловой мощностью, вводимой дугой в электрод и выделяющейся в вылете электрода от проходящего тока. С ростом U_д вылет, а следовательно, и его сопротивление уменьшаются, поэтому с увеличением напряжения дуги ток должен возрасти и частично компенсировать потери тепловой мощности в вылете электрода от проходящего тока.

Далее: 4.4 Статические ошибки при возмущении по напряжению питающей сети

* См.: Ленивкин В.А. и др. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах/ В.А. Ленивкин, Н.Г Дюргеров, Х.Н. Сагиров – М.: Машиностроение, 1989.– 264 с.