Электрогазосварка. Электросварка. Газосварка

§ 21. Электрическая сварочная дуга

Сварочная дуга представляет собой электрический дуговой разряд в ионизированной смеси газов, паров металлов и компонентов, входящих в состав электродных покрытий, флюсов и других средств.

Физические и электрические свойства сварочной дуги. Для возникновения электрического разряда газовый промежуток между электродами должен быть ионизирован. Процесс ионизации протекает в следующем порядке. При соприкосновении торца электрода и свариваемого изделия выступы шероховатых поверхностей мгновенно разогреваются током до температуры плавления и испарения вследствие большого омического сопротивления контакта. После отрыва электрода от изделия разогретый торец электрода (отрицательный полюс) начинает испускать электроны, устремляющиеся к аноду под действием разности потенциалов между электродами. При столкновении с электродными частицами металлов, которые в виде паров имеются в межэлектродном промежутке, электроны ионизируют их. Ионизация мгновенно охватывает весь межэлектродный промежуток, и он становится электропроводным. В процессе горения дуги ионизация поддерживается благодаря высокой температуре.

Напряжение на дуге равно сумме падений напряжений в трех ее основных (рис. 31) областях:

где Uл — напряжение на дуге, В; UK— падение напряжения на катоде, В; Uc— падение напряжения в столбе дуги, В; Ua— падение напряжения на аноде, В; /д — сила тока в дуге.

Зависимость напряжения дуги от силы сварочного тока называют статической (вольтамперной) характеристикой дуги.

В общем виде статическая характеристика дуги показана на рис. 32. При малых значениях силы тока в электроде (область /) 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 (область 77, жесткая характеристика). В этом случае с достаточной точностью статическая характеристика может быть выражена уравнением

где Iд—длина дуги, мм; a, b— постоянные коэффициенты, зависящие от материала электродов, давления и свойств газовой среды.

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

Возрастающая статическая характеристика дуги (область 3, см. рис. 32) получается при большой силе тока (при автоматической сварке под флюсом или при сварке в среде защитных газов).

Сварочная дуга переменного тока. Вследствие того, что мгновенные значения переменного тока 100 раз в секунду переходят через нуль, причем меняет также свое местонахождение катодное пятно, являющееся источником вылета электронов, ионизация дугового промежутка получается менее стабильной и сварочная дуга менее устойчива, при прочих равных условиях., по сравнению с дугой постоянного тока.

Рис. 31. Распределение падения напряжения в дуге. Рис. 32. Общий вид статической характеристики дуги
Если дуга включена в цепь переменного тока последовательно с активным сопротивлением, то мгновенные значения напряжения источника и сварочного тока совпадают по фазе. В каждый полупериод дуга угасает и вновь зажигается (восстанавливается) через некоторый промежуток времени, пока напряжение источника тока поднимается до некоторой величины, называемой напряжением повторного зажигания.

Зажигание дуги характеризуется началом прохождения тока в сварочной цепи. В каждый полупериод имеется перерыв в прохождении тока при угасаниях дуги. Эти перерывы называют временами угасания дуги. Момент угасания происходит при несколько меньшем мгновенном значении напряжения источника, чем в момент зажигания, для которого требуются более высокие значения для получения ионизации остывшего промежутка. Время угасания дуги зависит от максимального значения напряжения зажигания дуги и частоты переменного тока.

Время восстановления дуги снижается при повышении напряжения холостого хода и при использовании повышенных частот. Это время уменьшается также и при снижении напряжения зажигания. Из указанных мер повышения устойчивости горения дуги наиболее распространено снижение напряжения зажигания, чего достигают применением электродов с ионизирующими обмазками.

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

Для сварки открытой дугой напряжение зажигания U3и напряжение горения дуги UAимеют следующую зависимость:

При сварке на больших силах тока под флюсом напряжение зажигания почти равно напряжению горения дуги.

Повышение напряжения холостого хода источника питания ограничено правилами техники безопасности, а использование высоких частот требует применения специальной аппаратуры. Общепринятой мерой повышения стабильности сварочной дуги переменного тока является включение в сварочную цепь катушек со стальным сердечником (дросселей), которые позволяют вести сварочные работы металлическими электродами при напряжении сварочного трансформатора порядка 60—65 В и стандартной частоте. При этом в обмазке электродов должно быть достаточное количество ионизирующих компонентов.

Требования к источникам питания сварочной дуги. Свойства источника питания определяются его внешней характеристикой, которая представляет собой зависимость изменения напряжения источника от силы тока нагрузки.

Свойства потребителя, которым при сварке является дуга, характеризуются также зависимостью изменения напряжения на дуге от потребляемого тока.

Устойчивость горения дуги зависит от соответствия формы 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. 33, кривая 1), внешняя характеристика источника питания должна быть крутопадающей (кривая2). Чем больше крутизна падения внешней характеристики в рабочей части (рис. 33, точка К), тем меньше колебания тока при изменении длины дуги. При таких характеристиках напряжение холостого хода источника питания всегда больше напряжения на дуге (U0> Up), что облегчает первоначальное и повторные зажигания дуги, особенно при сварке на переменном токе. Кроме того, при крутопадающей внешней характеристике ограничивается сила тока короткого замыкания, которая по отношению к рабочей силе тока находится в пределах

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 (рис. 33, кривая 3).

При сварке в среде защитных газов на постоянном токе при большой плотности тока в электроде статическая характеристика дуги возрастающая (рис. 34, кривая 1). В этом случае внешняя характеристика источника для еще большей интенсивности саморегулирования может быть жесткой или возрастающей (кривые2 и 3).

Источники питания сварочной дуги должны обеспечивать возможность настройки различных режимов сварки, которая заключается в установлении оптимальной величины силы тока при заданном напряжении дуги. Для этой цели источник питания должен иметь регулирующее устройство, обеспечивающее получение в определенном диапазоне регулирования несколько внешних характеристик, которые должны обеспечивать устойчивое горение дуги при заданном напряжении и силе тока.

Наиболее распространенным способом настройки режима сварки является комбинированное регулирование. Оно заключается в том, что весь диапазон регулирования по силе тока разбивают на ряд ступеней — грубое регулирование, а в пределах каждой ступени осуществляют плавное регулирование.

Рис. 33. Падающие (кривые 2 и 3) внешние характеристики источника питания при жесткой (кривая l) статической характеристике дуги. Рис. 34. Жесткая (кривая 2) и возрастающая (кривая 3) внешние характеристики источникапитания при возрастающей (кривая 1) статической характеристике дуги
При изменении ступеней напряжение холостого хода источника питания может оставаться постоянным или несколько изменяться в зависимости от величины устанавливаемой силы сварочного тока. При этом необходимо учитывать, что при переходе на малые величины силы тока нежелательно снижать напряжение холостого хода источника питания.

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

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

формула

где tCB— время сварки; tn— время пауз.

Понятно, что чем больше ПР%, 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 ПР = 65% или 60% и многопостовых источников питания — при ПР =100%.

Общий вид трансформаторов ТС-300 и ТС-500 показан на рис. 36.

Обмотки трансформатора выполнены из алюминия. Выводные концы катушек армированы медными накладками.

Трансформаторы ТС-300 и ТС-500
Сердечник трансформатора — стержневого типа. Катушки первичной обмотки неподвижны и закреплены у нижнего ярма. Катушки вторичной обмотки подвижные, они перемещаются вверх и вниз вручную с помощью винта, проходящего через верхнее ярмо. Сила сварочного тока увеличивается при сближении обмоток и уменьшается при увеличении расстояния между ними.

При нормальных значениях силы тока катушки первичных и вторичных обмоток, сидящие на разных стержнях, соединены между собой параллельно. При снижении пределов регулирования силы тока они могут быть соединены между собой последовательно, хотя специального переключателя для этой цели нет.

Трансформаторы ТСК отключаются от трансформаторов ТС наличием конденсаторов, включенных параллельно первичным обмоткам и обеспечивающих повышение коэффициента мощности (cos ср).

Сварочные трансформаторы типа ТД-504 и ТД-303 являются усовершенствованными конструкциями трансформаторов типа ТС-500 и ТС-300.

Длительность рабочего цикла (tсв + tu) в этих случаях принимают 5 мин. Номинальный режим работы источников для автоматической сварки с номинальной силой тока 500 и 1000 А принят ПВ = 60% и установок с номинальной силой тока 2000 А — при ПВ = 50%. В этих случаях продолжительность цикла принята 10 мин.

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

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

вверх страницы