Системы регулирования длины дуги при сварке

При сварке возможны изменения длины дуги, которые не должны приводить к нарушению устойчивости процесса. Свойство дуги изменять свою длину без разрыва называется эластичностью. Эластичность дуги при малых токах существенно зависит от внешней характеристики источника питания (рис.1.14).

Рис. 1.14. Изменение тока сварки при колебаниях длины дуги.

(l - длина дуги; I_Н - номинальный ток; U_Н - номинальное напряжение).

Источник с крутопадающей характеристикой дает небольшие колебания тока (±ΔI), режим сварки более устойчив и обеспечивает высокое качество шва. Источники питания с пологопадающей внешней характеристикой не обеспечивают устойчивости при изменениях длины дуги, а при её колебаниях имеет место существенное изменение тока, что отрицательно влияет на качество сварки.

Эластичность дуги используется в системе саморегулирования при сварке плавящимся электродом. Для обеспечения качества сварки скорость подачи электрода (проволоки) равна скорости плавления (V_ПП = V_ПЛ). Это условие обеспечивает постоянство длины дуги и режимов сварки (I_Н, U_Н). При постоянной скорости подачи сварочной проволоки, в случае уменьшения длины дуги, сварочный ток увеличивается - это приводит к более интенсивному плавлению электрода и длина дуги восстанавливается. При увеличении длины дуги сварочный ток уменьшается, что приводит к уменьшению интенсивности плавления электрода – длина дуги увеличивается. При любых отклонениях система сама возвращается в исходное состояние. Такая система обеспечения длины дуги называется – саморегулирующейся.

В случае использования пологопадающей характеристики источника питания на больших токах используют принудительные системы регулирования длины дуги. В механизмах подачи сварочной проволоки используются двигатели постоянного тока, что позволяет увеличить или уменьшить скорость вращения подающих роликов. В системе управления сварочным оборудованием имеются обратные связи по току или по напряжению, которые позволяют формировать команду на увеличение или уменьшение скорости подачи электродной проволоки. В результате длина дуги остается неизменной.

1.8. Особенности горения дуги на переменном токе

Устойчивость 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 возбуждаться. 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 при L=0, рис.1.15. В этом случае согласно второму правилу Кирхгофа для мгновенных значений напряжение

u₂ = u_R + u_д,

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

Рис.1.15. Схема сварочного поста

Рис.1.16. Изменение электрических параметров в системе "трансформатор-дуга" с активным сопротивлением в цепи.

Рассмотрим осциллограмму изменение электрических параметров процесса сварки на переменном токе, рис.1.16. В конце предыдущего полупериода с момента t₁ напряжение трансформатора становиться недостаточным для поддержания горения дуги (U₂ < U_д), и она гаснет, а ток резко снижается до нуля. При этом температура в межэлектродном промежутке снижается, а его сопротивление резко возрастает. После перехода через 0 в момент t_о дуговой разряд восстановится мгновенно не может - мало напряжения источника U₂ . Небольшой преддуговой ток, существующий при этом, создается за счет остаточной плазмы межэлектродного промежутка и термоэлектронной эмиссии с катода. По мере нарастания напряжения на трансформаторе растет и преддуговой ток, но скорость его увеличения (di₂/dt)- вплоть до момента t₂ существенно ниже, чем скорость снижения (di₂/dt) в момент t_1.

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 зажигания t_з =t₂ - t_о 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 в момент t₄. Суммарное время 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.1.16. 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 t_з.

Для снижения величины U_з повышают степень остаточной ионизации плазмы путем ввода в состав покрытий легкоионизируемые вещества, содержащие ‘K, Na, Ca. Из электротехнических приемов повышения устойчивости дуги используется увеличение напряжения источника U_2m (или его напряжения холостого хода U_о) 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 индуктивности или использование вспомогательного источника - импульсного стабилизатора дуги.

Дуга в сварочной цепи с индуктивностью. При включение в сварочную цепь реактора с индуктивностью L ≠ 0 (рис.1.10) последняя выполняет несколько функций улучшающих процесс сварки на переменном токе. Индуктивность L, обладая значительным реактивным сопротивлением Х _L = w L, 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 индуктивности

U₂ = U_д+U_L (1.22)

Характер изменения электрических параметров процесса при сварке на переменном токе с индуктивностью в системе “трансформатор -дуга” приведен на осциллограмме (рис. 1.12). Из которой видно, что сварочный ток i₂ за исключением преддугового периода практически синусоидальный:

i₂₌ I_2msinwt

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

u₂ =U_2msin(wt+ j) (1.23)

В интервале времени t₁ - t₂ наблюдается в начале 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. 1.17) 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 t_о , обусловленный сдвигом кривой тока i₂ на угол j за счет наличия реактора L. К этому времени напряжение трансформатора U₂ достигает напряжения превышающего напряжения повторного зажигания дуги U_з. Поэтому повторное зажигание дуги происходит быстрее, чем в системе с активным сопротивлением, и перерывы в горении дуги практически отсутствуют.

Рис.1.17. Изменение электрических параметров в системе "трансформатор – дуга"

Таким образом, благодаря введению индуктивности в сварочную цепь переменного тока наблюдается сдвиг фаз между током и напряжением, что способствует переходу тока через нуль 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 противо ЭДС на индуктивности е_L , поэтому

U_д = | U₂ | ─ | е_L | (1.24)

В индуктивности по мере нарастания тока накапливается электромагнитная энергия. С момента t₃ напряжение трансформатораU₂ становиться ниже необходимого для горения дуги U_д . Однако дуга при этом не гаснет. Так как к этому времени ЭДС индуктивности е_L меняет знак и индуктивность, возвращая накопленную энергию, подпитывает дугу и напряжение дуги становится равным сумме напряжения трансформатора U₂ и ЭДС индуктивности е_L

U_д = | U₂ | + | е_L |. (1.25)

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 устойчивость горения дуги на переменном токе.

1.9. Настройка режима сварки.

Энергетические параметры режима сварки - величина тока I_д и напряжение дуги U_д обычно устанавливаются перед началом процесса с помощью регуляторов, имеющихся в составе источника или технологического оборудования, путем воздействия на напряжение холостого хода U_о источника или его внутреннее сопротивление Z_и для параметрических источников питания. В статическом режиме напряжение дуги U_д = U_о─ I_д Z_и то величина тока дуги

I _д = (U _о ─ U _д )/ Z_и (1.26)

Из (1.21) следует, что для увеличения сварочного тока нужно увеличивать либо U_о, либо снижать сопротивление источника Z_и при U_д ═ const.

Сварочная дуга и источник питания являются нелинейными электрическими элементами. Параметры режима сварки определяются точкой пересечения ВАХ источника U_и =f(I_д) и ВАХ дуги U_д = f(I_д), рис. 1.18. Для поддержания постоянной длины дуги с ростом тока необходимо увеличивать и напряжение. Поэтому при настройке параметров режима ВАХ дуги заменяют графиком условной рабочей нагрузки U_р =f(I_д). Например, при ручной дуговой сварке такой график описывается эмпирической зависимостью

U_р =f(I_д) = U_д= 20 + 0,04 I_д.

Рис. 1.18. Настройка режима сварки изменением: а - напряжения холостого хода источника; б - внутреннего сопротивления

Источник питания характеризуется диапазоном регулирования тока I_дmax - I_дmax или кратностью регулирования тока I_дmax /I_дmin.

Для механизированной сварки электродными проволоками диаметром до двух миллиметров применяются подающие механизмы, у которых скорость подачи не зависит ни от тока ни от напряжения дуги. В этом случая характеристика регулятора описывается уравнением 2.18 при условии, что дуга имеет жесткую характеристику ρ _д = 0

I_д = V_п/k_ст + k_снU_д / k_ст , (1.27)

где k_ст и k_сн - коэффициент саморегулирования по току и напряжению соответственно; V_п – скорость подачи электродной проволоки.

Первое слагаемое (1.22) определяется скоростью подачи проволоки и представляет собой заданное значение, т.е. V_п/k_ст = I_зт. Характеристика регулятора в этом случая принимает вид

I_д = I_зт + k_снU_д / k_ст (1.28)

При малых величинах V_п второе слагаемое мало и характеристика регулятора близка к вертикальной. С ростом V_п второе слагаемое начинает оказывать существенное влияние и наклон характеристики возрастает. Точка устойчивой работы определяется точкой пересечения ВАХ источника питания (1, 2) с характеристикой регулятора (3 - 4), рис.1.19

Рис.1.19. Настройка режима при механизированной сварке тонкими электродными проволоками

В этой системе ток дуги, в основном, устанавливается скоростью подачи электрода, а напряжение дуги за счет настройки источника питания. При этом ВАХ ИП должны быть пологопадающими.

U _д= k_ндU_зн/(k_нд + k_cн) + k_стI _д /(k_нд + k_cн), (1.29)

где k_нд , k_ст, k_cн - коэффициент усиления системы, коэффициент саморегулирования по току и напряжения соответственно. Первое слагаемое (1.29) – приведенное заданное напряжение k_ндU_зн/(k_нд + k_cн) =U_зн′ при I _д = 0. Тогда (1.29) запишется как U _д= U_зн′+k_стI _д /(k_нд+k_н), (1.30)

Ток дуги определяется точкой пересечения ВАХ источника питания (3, 4, 5) с характеристикой регулятора (1-2), (см.рис.1.20).

Рис.1.20. Настройка режима при механизированной сварке толстыми электродными проволоками

Настройка напряжения дуги в этой системе производится за счет изменения U_зн с помощью датчиков напряжения, которые находятся на сварочных автоматах. Настройка силы тока выполняется регулятором источника питания, изменяющим напряжение холостого тока U₀ или сопротивлением источника Z_и.

Большинство выпускаемых источников питания имеют плавную настройку напряжения. Иногда регуляторы источников позволяют изменять U_о или Z_и только дискретно. Например, при витковом управлении число витков может быть только целым. В этом случае настройка получается ступенчатой и отклонение между двумя смежными величинами токов не должно превышать 7,5% большего. Для расширения плавности настройки иногда дополняют ступенчатым (2-3 ступени), при этом диапазоны ступеней должны перекрываться.

Поиск по сайту: