Требования к источникам питания дуги

Источник питания дуги должен обеспечивать легкое и надежное возбуждение дуги, устойчивое ее горение в установившемся режиме, регулирование мощности (тока).

Для возбуждения дугового разряда между электродом и свариваемым изделием к ним необходимо подвести напряжение, значение которого зависит от расстояния между электродами и состояния газов в дуговом промежутке. Для возбуждения дуги в атмосфере воздуха даже при небольшом расстоянии между электродом и свариваемым изделием, измеряемом несколькими миллиметрами, требуется очень высокое напряжение, порядка тысяч вольт. Если газы в дуговом промежутке частично ионизировать, то для возбуждения дуги требуется напряжение, близкое к напряжению стабильного горения дуги. При горении в атмосферных условиях это напряжение составляет 20-30 В.

В момент возбуждения дуги кратковременным замыканием электрода на изделие или высокочастотным разрядом в дуговом промежутке появляются пары металла и ионизированный газ. При наличии напряжения, близкого к напряжению зажигания дуги, произойдет ее возбуждение (рис. 17.1). Время восстановления напряжения τ_в от короткого замыкания U_K до напряжения, равного напряжению возбуждения U₃, должно быть минимальным, не более 0,05 с.

Рис. 17.1. Характерные изменения напряжения и тока дуги при сварке плавящимся электродом (τк — время короткого замыкания; τв — время возбуждения; τг — время устойчивого горения дуги) Надежное возбуждение дуги связано также с оптимальной скоростью нарастания тока короткого замыкания в начальный момент до пикового Iпк, а затем до установившегося Iк значения. При больших скоростях нарастания тока короткого замыкания наблюдается взрывной характер оплавления электрода; при малых скоростях затрудняется образование ионизированного промежутка между электродом и свариваемым изделием.

Для стабильного горения дуги требуется равенство тока и напряжения дуги току и напряжению источника питания:

I_д = I_и; U_д = U_и

Кроме того, необходимо соответствие внешней вольт-амперной характеристики источника и статической вольт-амперной характеристики дуги (рис. 17.2). В точках их пересечения наблюдается равенство значении тока и напряжения источника и дуги. Для решения вопроса об устойчивости горения дуги в точках пересечения необходимо рассмотреть условия горения при небольших отклонениях тока от равновесия.

Рис. 17.2. Внешние вольт-амперные характеристики источников (а — падающие; б — жесткие; в — возрастающие) и статические вольт-амперные характеристики дуги

Если при горении дуги в точке А произошло уменьшение тока (I_{A min} < I_А), то для поддержания дугового разряда, согласно статической вольт-амперной характеристике дуги, требуется более высокое напряжение. Его величина становится больше, чем может дать источник при этом же токе (—∆U_и). В связи с этим произойдет дальнейшее самопроизвольное снижение тока (IА→0), и дуга погаснет.

Следовательно, в точке А дуга  стабильно  гореть не может. В точке В при снижении тока напряжение источника оказывается большим (∆U_и), чем это необходимо для горения дуги по статической вольт-амперной характеристике. Благодаря этому произойдет самопроизвольное увеличение тока (I_{B min} < I_B), и процесс горения вернется в точку В.

Увеличение тока в точке В приведет к возрастанию напряжения, необходимого для горения дуги. Источник питания при этих же значениях тока дуги дает меньшее напряжение (—∆U_и). Это вызовет самопроизвольное снижение силы тока (I_{B max} < I_B), и горение дуги снова переместится в точку В. Следовательно, точки В пересечения вольт-амперных характеристик являются точками устойчивого горения дуги. Для этих точек может быть записано неравенство в дифференциальной форме:

Обычно условия устойчивого горения дуги записывают в следующем виде:

где U_д, U_и — напряжение дуги и источника в установившемся режиме; I_д, I_и — ток дуги и источника в установившемся режиме; К_у - общее  динамическое сопротивление дуги и источника.

Анализ зависимостей, приведенных на рис. 17.2, позволяет сделать  ряд  принципиальных выводов.

1. Если статическая вольт-амперная характеристика дуги падающая (dU_д/dI<0), то для устойчивого горения дуги требуются источники питания только с падающими внешними вольт-амперными характеристиками (dU_и/dI < 0), причем крутизна падения внешней характеристики источника в рабочей точке должна быть больше (рис. 17.2, а, точка В")
   (dU_и/dI)_p>(dU_д/dI)_p.
2. При наличии жесткой статической вольт-амперной характеристики дуги (dU_д/dI = 0) источник питания и в этом случае должен иметь падающую внешнюю характеристику (dU_и/dI < 0). Однако крутизна ее падения может быть любой (рис. 17.2, а, точка В').
3. Для устойчивого горения дуги с возрастающей статической вольт-амперной характеристкой (dU_д/dI >0) принципиально могут быть использованы источники питания с любой внешней характеристикой (рис. 17.2, точка В). Исключение составляют источники с возрастающей вольт-амперной характеристикой, крутизна подъема должна быть меньшей по сравнению с крутизной  подъема статической  характеристики дуги (рис. 17.2, в):
   
4. Источники питания с падающими вольт-амперными характеристиками принципиально пригодны для многих способов дуговой сварки.
5. Источники питания дуги с жесткими и возрастающими вольт-амперными характеристиками имеют ограниченное применение и могут быть использованы только для сварочных дуг с возрастающей статической вольт-амперной характеристикой.

Окончательно внешнюю характеристику источника выбирают исходя из анализа конкретных условий ведения процесса дуговой сварки.

Источник питания дуги должен удовлетворять и ряду технологических требований. Прежде всего, источник должен легко настраиваться на требуемый режим сварки. Для этих целей в источниках необходимы регулирующие устройства, позволяющие получать семейство внешних вольт-амперных характеристик (рис. 17.3). Для некоторых способов сварки большое значение имеет возможность дистанционной настройки режима работы источника.

Рис.17.3. Граничные внешние вольт-амперные характеристики источников питания дуги: а — падающие; б — жесткие; в — возрастающие (l — длина дуги)

Совершенствование способов и технологии дуговой сварки предъявляет к источникам разнообразные и многочисленные требования. Например, источники питания для сварки вольфрамовым электродом целесообразно снабжать осцилляторами для зажигания дуги без применения короткого замыкания, устройствами для плавного, регулируемого по времени нарастания тока при зажигании дуги и гашения ее при окончании автоматической сварки.

При выборе внешней вольт-амперной характеристики источника прежде всего необходимо соблюдать условия устойчивого горения дуги, выраженные зависимостями (17.1) и (17.2). Однако даже при соблюдении этих условий стабильность горения дуги может быть повышена при выборе наиболее рациональной формы вольт-амперной характеристики источника, определяемой из рассмотрения  конкретных  условий  ведения  процесса  сварки.

При дуговой сварке покрытыми электродами и вольфрамовым электродом часто происходит изменение длины дуги. При ручной сварке эти изменения связаны с выполнением швов в труднодоступных местах и квалификацией сварщика. При сварке вольфрамовым электродом удлинение дуги возможно за счет его оплавления.

Колебания длины дуги при названных способах сварки должны приводить к незначительным изменениям сварочного тока. В противном случае будет наблюдаться существенная разница в геометрических размерах сварочной ванны и шва.

Сварку покрытыми электродами и вольфрамовым электродом выполняют на небольших плотностях тока. Статическая вольт-амперная характеристика дуги имеет падающую форму (dU_д/dI <0). На основании условия (17.2) для горения дуги необходимы источники только с падающими вольт-амперными характеристиками. Наименьшее изменение тока обеспечивается при применении источников с крутопадающими вольт-амперными характеристиками (рис. 17.4):

∆I_1к<∆I_1п;   ∆I_2к<∆I_2п,

где ∆I_к и ∆I_п — изменение тока соответственно при крутопадающей и пологопадающей вольт-амперной характеристике источника.

Рис. 17.4. Влияние крутизны падения вольт-амперной характеристики источника на изменение сварочного тока (l, l1,l2 — длины дуг; < l; l1>l): К — крутопадающая; П — пологопадающая При механизированной сварке плавящимся электродом под флюсом (по флюсу) и в среде, защитных газов требуется автоматическое поддержание основных параметров дуги — тока и напряжения. Для этих целей используют саморегулирование дуги. Оно заключается в изменении скорости плавления электродной проволоки при колебаниях длины дуги. Сущность процесса саморегулирования ясна из графической зависимости, приведенной на рис. 17.5. Длина дуги при сварке изменяется от l1 до l2. Скорость подачи электродной проволоки  постоянна.

Рис. 17.5. Зависимость изменения тока от колебаний длины дуги (сплошная линия — вольт-амперная характеристика источника) В установившемся режиме (при lд = l) скорость подачи проволоки υпр равна скорости ее плавления υпл. При уменьшении длины дуги (lд = l2 и l2 < l) возрастает сварочный ток (Il2 > Il). Благодаря этому увеличивается скорость плавления электрода, и заданная длина дуги восстанавливается (l2→l). При увеличении длины дуги (lд = l1 и l1>l) будет наблюдаться обратный процесс. Произойдет уменьшение сварочного тока (Il1 < Il) и соответственно скорость плавления электрода. Длина дуги сократится, и ее горение переместится из l1, в l (l1→l). Саморегулирование дуги особенно эффективно при сварке па больших плотностях тока и протекает тем активнее, чем больше изменения тока при колебаниях длины дуги.

Рис. 17.6. Влияние формы внешней характеристики источника на изменение тока при колебаниях длины дуги При механизированной и автоматической сварке самозащитной порошковой проволокой, а также в среде защитных газов под флюсом донкой проволокой статическая характеристика дуги подрастающая. Для питания дуги принципиально пригодны источники с падающими П, жесткими Ж и возрастающими В вольт-амперными характеристиками. Однако наибольшее изменение сварочного тока при колебаниях длины дуги, необходимое для активизации процесса саморегулирования, будет наблюдаться при выборе источника питания с возрастающими вольт-амперными  характеристиками (рис. 17.6): ∆I1в> ∆I1ж> ∆I1п,    ∆I2в> ∆I2ж> ∆I2п. На практике применяют главным образом источники питания с пологопадающими и жесткими вольт-амперными характеристиками.