Система управления при сварке короткой дугой

Системы управления переноса металла при сварке плавящимся электродом с короткими замыканиями дугового промежутка. При сварке тонкими электродными проволоками (диаметром 0,5 - 1,4 мм) наилучшими технологическими свойствами обладает процесс сварки в СО₂ с частыми короткими замыканиями дугового промежутка жидким металлом (сварка короткой дугой).

При сварке короткой дугой имеет место мелкокапельный перенос электродного металла, с частотой равной частоте коротких замыканий. Процесс обладает рядом технологических преимуществ: возможность осуществления процесса при низких значениях тока и, как следствие, сварка во всех пространственных положениях; высокая стабильность процесса и малые потери металла на разбрызгивание при оптимальных электрических параметрах сварочной цепи.

Частота замыканий может достигать 150 1/ c и зависит от многих факторов: напряжения между электродами, скорости подачи и диаметра электродной проволоки, индуктивности сварочной цепи, свойств защитного газа и т.д.

Сварка короткой дугой производится с постоянной скоростью подачи электрода и является естественным импульсным процессом с повторяющемся циклами, в пределах которых протекают характерные для него явлениями рис. 5.6. Характерным для сварки с короткими замыканиями является неравномерность расплавления электродной проволоки во время цикла. Однако интегральная скорость плавления электрода равна скорости его подачи.

Рис. 5.6. Типичная осциллограмма тока и напряжения процесса сварки короткой дугой: а - основные параметры процесса; б: 1 - короткое замыкание с переносом металла, 2 - подброс капли вверх; t_к - время короткого замыкания; t_{д -} время горения дуги, t_ц - время цикла; t - постоянная времени сварочной цепи

Процесс протекает следующим образом. После разрыва жидкой перемычки между сварочной ванной и электродом последний быстро оплавляется (в связи с большим током короткого замыкания) и дуговой промежуток увеличивается. Объем капли расплавленного металла на торце электрода увеличивается, а скорость его плавления уменьшается. Снижение скорости плавления электрода в этом случае вызвано уменьшением тока после зажигания дуги, связанного перераспределением энергии запасенной в индуктивности сварочной цепи во время короткого замыкания, рис. 5.6 а.

При коротком замыкании установившийся ток короткого замыкания (I_o)

I_o = U_xx/R_ц,

где U_xx - напряжение холостого хода источника питания; R_ц - полное сопротивление сварочной цепи.

При горении дуги

Iу=(U_хх - Е_д )/(R_ц + k_дт ),

где Iу - установившийся ток дуги; Е_{д. -} противо-ЭДС дуги, Е_д. = U_ка + k_д ℓ_д; U_ка - сумма приэлектродных падений напряжений; k_д - градиент потенциала в столбе дуги; ℓ_д - длина дуги; k_дт - крутизна статической характеристики дуги.

Разрыв перемычки между электродом и сварочной ванной происходит при определенном токе - пиковом токе короткого замыкания I_п.. Надежный разрыв перемычке происходит при определенном “запасе” по току I_п £ 0,7 I_о.

Слияние капли с металлом сварочной ванны определяется формой контактируемых поверхностей и плотности тока в контакте. Характер образования и перенос капель зависит от величины тока короткого замыкания I_п и скорости его нарастания di_кз/dt.

При малых величинах di_кз/dt затягивается переход капель с электрода в ванну, в результате чего нерасплавленный торец электродной проволоки утыкается в дно сварочной ванны. Нерасплавленный участок на вылете электрода разогревается относительно медленно, а затем перегорает с выбросом части электродной проволоки. Это способствует повышению разбрызгивания металла

и одновременно увеличивает t_кз, что приводит к снижению частоты переноса металла и равномерности формирования шва. Так как каждая капля способствует образованию кристаллизационного слоя, то частота переноса металла оказывает влияние и на размеры кристаллизационных слоев.

При значительном увеличении I_п и di_кз/dt в начале короткого замыкания капли с ванной приводит к значительному росту электродинамических сил, аксиальная составляющая которой подбрасывает каплю на электрод (см. рис.5.6, б). Это приводит к увеличению капли на электроде и более длительному нахождению ее в контакте с нагретым до высоких температур газом и значительному окислению, неравномерности перехода капель в сварочную ванну. При скорости нарастания тока короткого замыкания di/dt >200 -300 кА/с для электродных проволок диаметром 0,5 - 1,2 мм наблюдается повышенное разбрызгивание электродного металла. При di/dt < 4 кА/с процесс сварки протекает с отдельными редкими замыканиями. Поэтому оптимальные технологические свойства сварки проявляются в определенном диапазоне изменения энергетических параметров процесса.

Скорость нарастания di_кз/dt определяется I_п и электрическими параметрами сварочной цепи (активным и реактивными сопротивлениями) от которых зависит постоянная времени питающей системы и переходные процессы в ней.

Сварка в защитных газах с короткими замыканиями производится полуавтоматами и автоматами с независимой (постоянной) скоростью подачи электрода. Устойчивость работы системы “дуга-источник питания” определяется точкой (а) пересечения статических характеристик регулятора, питающей системы и дуги рис.5.7. В процессе сварки с короткими замыканиями длина дугового промежутка в процессе горения дуги изменяется, в результате чего происходит отклонение тока DI и напряжения DU дуги. Величина этих отклонений зависит сильно от наклона вольтамперной характеристики (ВАХ) питающей системы в области рабочей точки (а). При питании от систем с жесткой ВАХ при изменении длины дуги возмущения по току DI ® max, а DU®0, при штыковой (крутопадающей) характеристики DI ® 0, а DU® max. При падающей ВАХ происходит одновременное отклонение по току и напряжению, и чем больше крутизна наклона ВАХ, тем меньше D I и больше DU.

Рис. 5.7. Отклонение тока и напряжения дуги при возмущении по ее длине при различном наклоне ВАХ питающей системы; 1, 2, 3 – внешние характеристики питающей системы ℓ_д1 и ℓ_д2 –ВАХ до и после сокращения длины дуги

На стабильность проплавления основное влияние оказывает сварочный ток в процессе горения дуги, поэтому для обеспечения равномерности проплавления свариваемых элементов целесообразно в рабочей точке иметь штыковую характеристику, которая ограничивает ток короткого замыкания и не препятствует надежному разрыву перемычки. Жесткая характеристика не ограничивает I_кз, что приводит к чрезмерно большим величинам di_кз/dt и потерям электродного металла.

В связи с разработкой новых силовых элементов эта задача решается путем разработки малоинерционных систем питания с автоматическим установлением необходимой величины тока короткого замыкания с оптимальной скоростью его нарастания и спада. Такая система питания, рис. 5.8., состоит: из первичного выпрямителя 20; транзисторного инвертора 1; вторичного выпрямителя 2; сглаживающего реактора 3; датчика тока 4; блока управления инвертором 5; сумматора 11: функционального генератора 12: формирователя напряжения задания 13 с выходами заданного значения 15 и 16, соответствующего заданному режиму сварки и повышенного задания 14, первый и второй выходы которого подключены к выхо дам 15 и 16; компаратора17; датчика напряжения дуги 18; интегратора 19.

Рис. 5.8. Функциональная блок схема источника питания

Система питания работает следующим образом. Формирователь задания напряжения 13 из опорного напряжения на выходе 9 блока управления 5 вырабатывает постоянное напряжение, соответствующее заданному значению режима сварки и повышенному заданиям (выходы 15.16). Компаратор 17 имеет порог срабатывания, при котором переключение происходит только в момент коротких замыканий. Интегратор 19 имеет единичный коэффициент передачи по постоянному току и обеспечивает заданную скорость изменения напряжения на выходе при скачкообразном переключении напряжения на входе. На входе задания 8 блока управления 5 присутствует сумма напряжений с выхода интегратора 19 и периодического сигнала необходимой формы и амплитуды с выхода функционального генератора 12. Параметры выходного сигнала функционального генератора подобраны так, что обеспечивается внешняя характеристика источника питания с падающем участком при напряжении выше рабочего и “штыковым” участком при напряжении ниже рабочего, рис.5.9. Осциллограмма тока и напряжения от управляемого источника приведена на рис. 5.10.

Рис. 5.9. Внешние вольтамперные характеристики источника тока с траекториями рабочей точки

Рис. 5.10. Изменение тока и напряжения при сварке короткой дугой от быстродействующего управляемого источника

В исходном состоянии, во время горения дуги напряжение на выходе датчика 18 выше порога срабатывания компаратора 17. В этом состоянии вход интегратора 19 через коммутатор 14 подключен к выходу заданного значения 15. На выходе интегратора 19 и втором входе сумматора 11 присутствует это же напряжение заданного точкой (заданный режим сварки) и находится в положении (а) на характеристике 1, рис. 5.9., а величина тока соответствует участку I_д рис.5.10.

При образовании капли заданного размера происходит касание ее с металлом сварочной ванны при токе соответствующем току горения дуги. Капля, касаясь с расплавленным металлом сварочной ванны, смачивается и образуется надежный контакт с металлом ванны. А напряжение дугового промежутка резко падает до напряжения в точке (б) (см. рис.5.9.)

После заданной задержке t_з (рис.5.10.) напряжение на входе компаратора 17 становиться ниже порога срабатывания и, в результате переключения компаратора 17 и коммутатора 14, напряжение на выходе интегратора 19 скачком изменяется от заданного значения (выход 15) до повышенного (выход 16). Напряжение на выходе интегратора 19 начинает возрастать с заданной скоростью, оптимальной для формирования перемычки между каплей и сварочной ванной. Интервал времени, в течение которого происходит нарастание тока короткого замыкания, соответствует участку 1 (рис. 5.10). При этом рабочая точка перемещается из точки (б) в точку (с) (см рис 5.9.). Когда напряжение на выходе интегратора 19 достигает напряжения задания повышенного на выходе 16, его рост прекращается, рабочая точка останавливается в положение (с) на ВАХ 2 (см. рис.5.9.). В оставшееся время до разрыва перемычки величина тока короткого замыкания остается постоянной, ограниченной, что способствует плавному перетеканию жидкого металла с электрода в сварочную ванну. В момент разрыва жидкой перемычки рабочая точка с большой скоростью перемещается с точки (с) в точку (d). Благодаря возросшему напряжению на дуге компаратор и коммутатор переключаются в исходное состояние. Напряжение на входе интегратора скачком снижается с повышенного до заданного. Соответствующий спад тока участок 2, показан на рис. 5.9.

Поиск по сайту: