Сварочная дуга

Сварочная дуга это

Сварочная дуга представляет собой электрический дуговой разряд в инонизированной смеси газов, паров металла и компонентов, входящих в состав электродных покрытий, флюсов и т.д.

Для возникновения электрического разряда воздушный промежуток между электродами должен быть ионизирован. Ионизированный воздушный промежуток проводит электрический ток. Ионизация достигается различными путями. Существует тепловая ионизация, ионизация катодными, анодными, ультрафиолетовыми, рентгеновскими лучами, воздействием  радиоактивных веществ, ударами электронов и ионов.

Если ионизированный воздушный промежуток находится в электрическом поле, то подвижные газовые ионы приходят  в движение и создают электрический ток.  Однако при всякой ионизации наступает динамическое равновесие, заключающееся в том, что в каждую единицу времени  восстанавливается столько же молекул из  ионов, сколько распадается. Таким образом, как только прекращается действие ионизирующих факторов, исчезает  электропроводность и ток прекращается.

Для возбуждения дугового разряда при сварке для получения  начальной ионизации обычно сводят два электрода до соприкосновения (электрод и деталь), а затем быстро их разводят. При достаточно большом токе при соприкосновении электродов в промежутке между концами электродов  выделяется большое количество  тепла. Ток между электродами проходит через  мелкие неровности на торцах и разогревает их до расплавления.  При быстром  разведении электродов расплавленные мостики растягиваются и сужаются, вследствие чего плотность тока доходит в них в момент  разрыва до такой величины что обращает их в пар. При высокой температуре паров металла ионизация промежутка получается  настолько  значительной, что при сравнительно  небольшой разности потенциалов между концами электродов  возникает дуговой разряд. Разряд поддерживается дальше как  стационарная устойчивая дуга в том случае, если сохраняются факторы, поддерживающие ионизацию дугового промежутка. При нагреве  концов электродов имеющиеся всегда  в металле электроны получают такое приращение кинетической энергии, что становятся в состоянии вылететь за пределы поверхности катода. Это явление носит название термоэлектронной эмиссией. Вылетающие электроны, сталкиваясь с молекулами паров и газов  в дуговом промежутке, расщепляют их на положительные и отрицательные ионы и электроны. Если между электродами имеется достаточно сильное электрическое поле (достаточная  разность  потенциалов), то полет заряженных частиц ориентируется полем и устанавливается стабильная  дуга.  В момент зажигания дуги  промежуток еще недостаточно нагрет  и для его ионизации необходима увеличенная кинетическая энергия, которая может быть получена усилением  электрического поля, т.е. некоторым повышением напряжения между  электродами сравнительно  с тем напряжением, которое требуется для поддержания дуги в установившемся состоянии.

При увеличении силы тока в дуге  с возрастанием плотности тока возрастает и электропроводность газа, т.е. уменьшается сопротивление дугового промежутка, вследствие чего та часть  общего  напряжения цепи, которая приходится на дуговой промежуток,  падает.  Таким образом,  для поддержания   большого тока в дуге, требуется меньшее напряжение, чем для поддержания меньшего тока. Опытным путем установлено, что указанная зависимость существует при токах в дуге до 50 А, когда зависимость между силой тока в дуге и напряжением  на дуговом промежутке  является однозначной при определенных неизменных условиях (длина столба дуги, свойства газовой среды, свойства электродов). Это означает, что при определенной силе тока в дуге  установится совершенно определенное напряжение. С ростом силы тока напряжение на дуге постоянной длины сохраняется практически постоянным. Это явление объясняется тем,  что электропроводность  дугового промежутка при росте  тока до 50 А возрастает быстрее роста тока, а после 50 А электропроводность возрастает прямо пропорционально росту тока, так как, начиная  примерно с 50А, площади сечения столба дуги и электродных пятен изменяется прямо пропорционально силе тока. Понятно, что при этом плотность тока и падение напряжения по всей длине столба дуги сохраняется  практически  постоянными при любом значении сварочного тока при условии поддержания постоянной длины дуги.

При больших плотностях тока в электроде,  когда катодное пятно  занимает всю площадь торца электрода, сечение столба дуги остается постоянным, в результате чего растут  плотность тока и градиент потенциала.

Напряжение на дуге складывается из падений напряжений в трех ее основных областях, рис 1.

распределение падения напряжения

формула

Зависимость напряжения дуги от силы сварочного тока  называют  статической (вольт-амперной) характеристикой дуги.

При малых значениях силы тока в  электроде статическая характеристика дуги падающая. При средних значениях  силы тока ( при ручной и автоматической дуговой сварке  под флюсом)  напряжение на дуге не зависит  от силы тока. В этом случае с достаточной точностью статическая характеристика может быть выражена  уравнением

уравнение

Из  уравнения следует, что напряжение на дуге, при всех прочих равных условиях, будет зависеть от длины столба дуги.

Возрастающая статическая характеристика дуги  получается при большой силе тока (при автоматической сварке под флюсом на больших плотностях или при сварке в среде защитных газов).

Устойчивость системы источник питания —  дуга

 Свойства источника определяются его внешней характеристикой, представляющей зависимость изменения напряжения источника (кривая l, рис 3) от сварочного тока, т.е. Uн = ƒ (lд),

внешняя характеристика источника питания

Свойства дуги также определяются  зависимостью изменения напряжения на дуге (кривая 2) от сварочного тока, т.е. ее статической характеристикой.

Система источник питания- дуга должна находиться в установившемся состоянии, которое определяется точками  А1 и А2.

Пересечение внешней характеристики с осью ординат  определяет напряжение холостого хода источника Uо, а с осью абсцисс  силу тока короткого замыкания Iк.

Точка А2 называется точкой зажигания дуги, а точка  А1— точкой устойчивого горения. Только в этих двух  точках при данной внешней характеристикой источника тока имеются  условия, при которых дуга  может  гореть. Однако дуга всегда автоматически  будет  переходить в нижнюю рабочую точку, в  которой только  и возможно ее устойчивое горение.  Если по какой-либо причине ток дуги уменьшится, напряжение источника превысит  установившееся напряжение на дуге, ток дуги увеличится и будет соответствовать точке А1. Наоборот, при случайном увеличении тока напряжение источника  тока будет меньше напряжения дуги, ток уменьшится  и режим горения  дуги восстанавливается.

Если статическая характеристика  дуги  падающая, то для устойчивого горения дуги внешняя характеристика  источника питания в рабочей точке должна быть более крутопадающей,  чем статическая  характеристика дуги.

Особенности сварочной дуги переменного тока

Вследствие того, что мгновенные значения переменного тока переходят через  нуль 100 раз в 1е, меняет свое положение  катодное пятно, являющееся источником вылета электронов, ионизация дугового промежутка менее стабильна и сварочная дуга менее устойчива по сравнению с дугой постоянного тока при прочих равных условиях.

Если дуга включена в цепь переменного тока последовательно с активным сопротивлением, то кривые напряжения и тока будут соответствовать показанным на рис 4.

кривые тока

Мгновенные значения напряжения источника Uн и сварочного тока iд совпадают по фазе, так как в сварочной цепи имеются только активные сопротивления (дугу рассматривают также как чисто активное сопротивление). В каждый полупериод  дуга тухнет и вновь зажигается (восстанавливается) через  некоторый промежуток времени t1. Когда напряжение источника тока (кривая Uн) поднимается до некоторой величины, называемой напряжением зажигания  дуги Uз.

Зажигание дуги характеризуется  началом прохождения в сварочной цепи тока (кривая iд). В каждый полупериод имеется перерыв в прохождении тока при затухании дуги. Эти перерывы по времени равны t2+t3  и называются временем погасания дуги. Как видно из рис 4., момент погасания происходит при несколько меньшем мгновенном значении напряжения источника, чем момент  зажигания, для которого требуется более высокие  значения  напряжения для  получения ионизации остывшего промежутка. В момент  времени t1  рис 4. имеем

формула

Преобразовывая  уравнения, получим

уравнение

Из уравнения видно, что время погасания дуги зависит от амплитудного значения напряжения источника тока Um напряжения зажигания дуги Uз и от частоты переменного тока ƒ.

Время восстановления дуги снижается при повышении напряжения холостого хода и при использовании повышенных частот. Это время уменьшается также при снижении напряжения зажигания. Из указанных мер стабилизации дуги наибольшее распространение получило снижение напряжения зажигания, что достигается применением электродов  с ионизирующими покрытиями, элементы которых  имеют низкие потенциалы ионизации.

Повышение амплитудных значений синусоиды напряжения  ограничивается правилами техники безопасности, по которым допускается  максимальное эффективное значение напряжения источника  переменного тока для питания сварочных постов не свыше  80 В.

Производство сварочных работ  на повышенных частотах  осложняется необходимостью  применения вместо обычных  сварочных трансформаторов, включаемых в заводские   силовые сети, специальных генераторов переменного тока, рассчитанных на нестандартные частоты. В некоторых  специальных случаях применяют  также способ сварки дугой двойного питания. Общепринятой мерой повышения  стабилизации сварочной дуги переменного тока является включений в сварочную цепь последовательно с дугой индуктивного сопротивления.  Последовательное включение в сварочную цепь катушек  со стальным сердечником (дросселей) позволяет вести сварочные работы металлическими электродами на переменном токе при напряжении сварочного трансформатора порядка 60-65 В, при нормальной частоте, при условиях содержания  в обмазке электродов  достаточного количества  ионизирующих элементов. Наличие катушки (дросселя) с достаточной самоиндукцией  в сварочной цепи поддерживает напряжение дуги, так как в этом случае для цепи переменного тока действительно следующее уравнение:

уравнение

Как видно из рис 5

кривая напряжения дуги

ток отстает по фазе от напряжения. Пока ток возрастает, производная  diД/dt  имеет знак плюс  и ЭДС самоиндукции еL отрицательна.

отрицательная ЭДС

Exif_JPEG_420

После максимума кривой iд , т.е. при спаде кривой тока, будем иметь отрицательную производную —  diД/dt, вследствие чего

ЭДС плюс

Т.е. в некоторую часть каждого полупериода напряжение дуги поддерживается за счет ЭДС самоиндукции.

Включение в сварочные цепи переменного тока дросселей позволяет поддерживать стабильность дуги и регулировать силу сварочного тока  изменением величины индуктивного  сопротивления.

Напряжение зажигания зависит от  целого ряда факторов , в первую очередь, от силы тока дуги. С увеличением силы сварочного тока напряжение зажигания дуги снижается.

Для сварки открытой дугой напряжение зажигания  Uэ и напряжение горения Uд дуги имеет следующую зависимость:

Uэ = (1,3-2,5) Uд.

При сварке на больших токах под флюсом  напряжение зажигания может быть не намного выше напряжения горения дуги.

 

Требования к источникам питания сварочной дуги

Устойчивость горения дуги зависит от соответствия форм внешней характеристики источника заданной форме статической характеристики дуги. Внешняя характеристика источника питания,  как и характеристика дуги, может быть падающей, жесткой или возрастающей.

Для ручной дуговой сварки и автоматической сварки под слоем флюса с автоматическим регулированием  напряжения на дуге, когда статическая характеристика дуги жесткая (рис 6, кривая l),

графики

внешняя характеристика источника питания должна быть крутопадающей (кривая 2). Чем больше крутизна  падения внешней характеристики в рабочей части (точка К), тем меньше колебания тока при изменении длины дуги. При таких характеристиках напряжение холостого тока источника питания всегда больше напряжения на дуге (Uо>Uд) , что облегчает  первоначальное  и повторное зажигание дуги, особенно при сварке на переменном токе. Кроме того, при крутопадающей внешней характеристике ограничивается ток короткого замыкания , который по отношению к рабочему току находится в переделах 1,25 <h1/h3<2

При автоматической сварке под флюсом  с саморегулированием дуги, когда статическая характеристика дуги также жесткая, внешняя характеристика источника питания для повышения интенсивности саморегулирования должна быть  пологопадающей (кривая 3).

При сварке в среде защитных газов на постоянном токе при большой плотности тока в электроде  статическая характеристика дуги возрастающая (рис 7, кривая 1). В этом случае внешняя характеристика для еще большей интенсивности саморегулирования может быть жесткой или возрастающей  (кривые 2 и 3).

Источники питания сварочной дуги должны обеспечивать возможность настройки различных режимов сварки, которая заключается в установлении оптимальной силы тока при заданном напряжении дуги. Для этого источник питания должен иметь регулирующее устройство, которое в определенном диапазоне регулирования  дает несколько внешних характеристик, которые обеспечивают устойчивое горение дуги при заданных  напряжении и токе.

Наиболее распространенным способом настройки режима сварки является комбинированное  регулирование. Оно заключается в том, что весь диапазон регулирования по току разбивается  на ряд ступеней (грубое регулирование), а в пределах каждой ступени осуществляется плавное регулирование.

При изменении ступеней напряжение холостого хода источника питания может оставаться постоянным или несколько изменяться в зависимости от величины  устанавливаемого сварочного тока. При этом необходимо учитывать, что при переходе на малые величины тока  нежелательно снижать напряжение холостого хода  источника питания.

Каждый источник питания рассчитывают  на определенную нагрузку, при которой он работает не перегреваясь выше допустимых норм.  Ток и напряжение источника, при которых он работает в данном  режиме не перегреваясь , называются номинальными.

Номинальная сила сварочного тока различна при различном режиме работы источника питания дуги.  Режим работы характеризуется отношением длительности сварки к сумме длительности сварки и длительности холостого хода, выраженном в процентах. Обычно режим работы источника тока при дуговой сварке обозначают ПН или ПВ,%.

ПН = (tсв/ tсв+tп) 100,

Где, tсв – время сварки, tп – время пауз.

Понятно, что чем больше ПН, тем тяжелее режим работы и тем меньше должна быть  номинальная сила сварочного тока.

За номинальный режим работы однопостовых сварочных  генераторов, трансформаторов и выпрямителей принят режим при ПН = 20,35 или 60% и многопостовых источников питания  — при ПН = 100%. Длительность рабочего цикла tсв+tп в этих случаях принимается равной 5 мин. Продолжительность нагрузки источников для  автоматической сварки с номинальным током  630- 2000 А принят ПВ = 100% , а установок с максимальным током  — ПВ = 50 %. В этих случаях продолжительность цикла  принята равной  10 мин.

Помимо указанных основных требований, общих для всех  источников питания, к сварочным генераторам постоянного тока, предъявляются специальные требования в отношении динамических свойств, под которыми понимают способность источника питания быстро  восстанавливать  в цепи дуги соответствие  напряжения   изменившемуся  току(при разрыве дуги напряжение должно  быстро восстанавливаться  до величины напряжения  холостого хода, а при коротком замыкании электродов быстро спадать до нуля).

Время восстановления напряжения от нуля  до напряжения горения дуги  у сварочных генераторов не должно превышать 0,03 с.