Особенности сварочной дуги переменного тока

В реальных условиях параметры сварочной цепи ориентировочно имеют следующие значения: Ro ~10 Ом; -5-10⁵ Гн; С₀ ~10⁸ Ф; Rк << Ro, которые и принимаются при проектировании сварочных источников питания, поэтому запишем: 0 >С_п. Для соблюдения приведенного условия необходимо уменьшать "паразитные" емкости трансформатора, шунтируя дуговой промежуток и сопротивление Rо дугового промежутка в момент изменения полярности тока. Постоянная времени 0 увеличивается с увеличением энергии Qп, принимающих участие в дуговом разряде электронов, ионов и нейтральных атомов и уменьшением мощности потерь энергии Wp. Низкое сопротивление дугового промежутка Rо и высокое значение Qп, характерные для дуг большой мощности, электроды которых имеют низкую теплопроводность. Мощность потерь W_pуменьшается в дугах с низкой начальной температурой (в парах дуги присутствуют легкоионизирующие элементы), которые горят в недвижимой атмосфере (отсутствует обдувание дуги продольными и поперечными потоками газов).

Дуга переменного тока периодически, с частотой питающей сети Д изменяет свою полярность, а погасает и зажигается снова с частотой 2Д. При использовании тока промышленной частоты Д = 50 Гц) этот процесс повторяется 100 раз в секунду. Электрод и изделие 50 раз в секунду поочередно бывают катодом и анодом, то есть 50 раз в секунду происходит разрушение и формирование катодной и анодной областей и активных пятен, а также переориентация заряженных частиц в столбе дуги. Изменение полярности электродов вызовет изменение интенсивности и направления газовых потоков в дуге, что необходимо учитывать при оценке статического и динамического влияния дуги на жидкий металл сварочной ванны и электродного провода. Ток дуги, величина которого непрерывно изменяется на протяжении каждого полупериода по синусоиде, обуславливает изменение радиальных размеров столба, его температуры, размеров изотермических областей активных пятен на электродах и др., что в ряде случаев служит причиной важного расхождения технологических свойств дуг переменного и постоянного токов.

С точки зрения стабильности горения дуги важными факторами является время формирования постоянного дугового разряда и время деионизации плазмы столба дуги. Как известно, начальное зажигание дуги плавящимся электродом может осуществляться двумя способами: методом короткого замыкания электродного провода на изделие и бесконтактным методом. В первом случае ток идет по мостикам металла, которые осуществляют контакт электрода с изделием. Они быстро испаряются и пары лавинообразно ионизируются, после чего наступает стадия активной термической ионизации, характерной для стойкого дугового разряда. Во втором случае к электроду и изделию прикладывается высоковольтное и высокочастотное напряжение от 2 до 10 кВ. Время формирования постоянной дуги составляет Д_о = (1 ...5)-10^-5 с, то есть после окончания этого времени от начала разряда между металлическими электродами его параметры, при прочих равных условиях, приобретают значения, присущие сколько угодно продолжительному горению дуги. Время существования остаточной плазмы после прекращения сварочного тока зависит от многих факторов (материала электродов, скорости исчезновения тока, защитного газа и др.), но не превышает для стальных электродов 10^-4 с, несмотря на то, что термоэмиссия из этих электродов существует 10³ с.

Некоторые особенности горения дуги и изменение ее электрических параметров вытекают из ее статической и динамической характеристик. Известно, что дуга является нелинейным элементом электрической цепи и статическая вольтамперная характеристика дуги (зависимость между постоянными действующими значениями тока и напряжения) имеет форму, близкую к и-образной (рис. 25), то есть в значительном диапазоне, величина которого зависит от плотности тока, напряжение на дуге остается практически одинаковым.

Динамическая характеристика дуги переменного тока (зависимость между мгновенными значениями тока и напряжения) является в большинства случаев возрастающей (рис. 26). При этом восходящая и нисходящая ветви характеристики, как правило, не совпадают между собой. Возрастание характеристики обуславливается тем, что с ростом сварочного тока в дуговой разряд втягиваются все большие объемы газовой среды, на разогрев и диссоциацию которых нужна дополнительная энергия. Расхождение ветвей характеристики (тепловая инерция дуги) объясняет расхождение дугового разряда при одних и тех же мгновенных значениях тока в разные четверти полупериода. Почти вертикально возрастающие участки динамической характеристики свидетельствуют о том, что в момент перехода тока через нуль существует несамостоятельный разряд, и напряжение на промежутке резко увеличивается до и_з.

Нелинейностью характеристик электрической дуги обуславливается отличие кривых напряжения дуги от синусоидальной формы напряжения холостого хода сварочного трансформатора (и_хх). Из типичных осциллограмм тока и напряжения (рис. 27) видно, что зажигание дуги после перехода тока через нулевое значение происходит по достижении на электродах напряжения зажигания и_з.. Ток дуги в момент ее зажигания = у равняется току зажигания 1_д = 1_з. Величина его относительно небольшая (1_з = 8...10 А). Момент зажигания дуги у наступает тем раньше, чем быстрее нарастает напряжение между электродами и чем меньше дуговой промежуток утратил заряженных частиц и тепловой энергии за время отсутствия тока. После зажигания дуги ток в дуговом промежутке изменяется приблизительно по синусоидальному закону, а напряжение от и_з. снижается к напряжению горения дуги и_ди остается на весь полупериод практически одинаковым. Ток и напряжение дуги для удобства изображены в противофазе.

Наличие перерывов в горении - характерная особенность сварочной дуги переменного тока. До конца полупериода перед угасанием дуги и после него с некоторым отставанием температура дугового газа существенным образом уменьшается (почти в два раза), степень его ионизации и электропроводность падают, температура анодного и катодного пятен снижается. В результате, повторное зажигание дуги может состояться только при повышенном напряжении и_з, которое превышает величину дугового напряжения.

Величину и_з в данное время не могут определить расчетным путем. Экспериментально установлено, что она зависит от теплофизических свойств материалов электрода и изделия, от состава газовой смеси в дуговом промежутке, от режима сваривания и многих других факторов. В частности, и_з возрастает при увеличении потенциала ионизации дугового газа, теплопроводности электродов, интенсивности их охлаждения, длины дугового промежутка, уменьшении мощности сварочной дуги. В те полупериоды, когда анодом является электрод, напряжение и_з+ в большинства случаев значительно выше, чем при расположении на нем катодного пятна, то есть и_з+ > и_з^-. Напряжение зажигания значительно уменьшается, если в состав дугового газа входят легкоионизируемые элементы, которые снижают величину эффективного потенциала ионизации. Экспериментальные определения величины и_зв зависимости от времени перерыва (ф_д) в горении сварочной дуги подтвердили вышеизложенное. Так, для электродов ОММ-5 и ЦМ-7, обмазки которых имеют значительные количества элементов, которые легко ионизируются, - калия и натрия, величина и_з при Д_д = 1 • 10^-2 с составила 60...65 В, в то время как для УОНИ-13 эта величина равняется 100...150 В, а для электрода без обмазки - больше 200...250 В. Исследователи определяли этим же методом величину и_з для дуг, которые горят в разных защитных средах (Аг, СО2, открытый воздух) между стальными электродами. Ими было установлено, что дуга надежно зажигается при и_з = 100...120 В, если продолжительность в перерыве горения дуги не превышает (5...10)П0^-6 с - для СО2, (150...180)П0^-6 с - для открытого воздуха и (300...350)П0^-6 с - для Аг. Увеличение длины дуги до 7мм не сказывалось на величине и_з. Величина тока дуги не оказывала заметного влияния на величину и_з до тех пор, пока Д_д не превышало 200П0^-6 с. С дальнейшим увеличением Д_д величина и_з немного снижалась с увеличением тока. Установлено, что величина и_з для алюминия составляет 150 В, железа - 240 В, меди - 250 В. Как видим, во всех случаях величина и_з не превышает 200...300 В при сравнительно небольших перерывах в горении дуги (10^-4..10^-2 с).

Величина и_з может служить критерием оценки стойкости горение дуги. Нестойкий процесс сварки характеризуется большими значениями и_з. Этот критерий отображает состояние межэлектродного промежутка в преддуговой период. Любое ухудшение условий повторного зажигания дуги приводит к увеличению и_з.

Стабильность процесса сваривания можно оценить двумя методами: непосредственно во время проведения самой сварки или после обработки результатов и величин, которые характеризуют режим сварки. К первому методу относятся следующие оценки: по баллам, если сварщик, наблюдая непосредственно за горением дуги, оценивает по пятибальной системе ее стойкость, как признак стабильности процесса; по частоте обрывов горения дуги; по разрывной длине дуги; по величине минимальной и_хх сварочного источника питания, при который все еще возможно стабильное горение дуги. Второй метод оценки стабильности процесса сварки переменным током основан на изучении взаимосвязей характеристик дуги и источника питания. Определенный интерес представляет способ оценки стойкости горения дуги по величине скорости на растания тока при коротком замыкании дугового промежутка каплей, которая представляет собою функцию di_д/dt = _д) (рис.28).

Критерий стабильности горение дуги В = 1_з/и_зД учитывает средние значения величин тока 1_з, напряжения и_з и времени Д, при которых дуга повторно зажигается. Критерий Каррера связывает стабильность горения дуги с напряжением холостого хода сварочного трансформатора и его током короткого замыкания, хотя известно, что формы тока сварочной дуги и тока короткого замыкания источника питания отличаются друг от друга, в особенности, если индуктивность источника питания нелинейная. В двух последних критериях предполагается, что и_хх сварочного трансформатора определяет и_з. Между тем показано, что увеличение и_хх полезно только до определенного предела, который зависит от режима сварки, характеристик электрода и др. Превышение его не улучшает заметно стабильности горения дуги. Очень сложный, по нашему мнению, был предложенный критерий, который учитывает частоту сети питания, геометрию сварочного трансформатора, полное сопротивление сварочной цепи в момент зажигания дуги, продолжительность преддугового периода, угол сдвига фаз между напряжением холостого хода и током дуги.

Рассмотренные критерии стабильности горения дуги учитывают много физических процессов дуги и цепей ее питания. Они применяются для оценки стойкости горения дуг, как с неплавящимся электродом, так и с плавящимся. Как известно, первые в большинстве случаев горят более стойко, чем вторые. Процессы в этих дугах отличаются между собой, прежде всего переносом металла через межэлектродный промежуток (во втором случае), который практически не учитывается ни в одном из приведенных критериев. Как будет показано дальше, перенос электродного металла существенным образом влияет на стабильность горения дуги, а потому необходимо остановиться на формах переноса подробнее.

Обсудить на форуме