Основные требования к источникам тока для сварки

Чтобы отвечать своему предназначению, источники тока должны удовлетворять определенным требованиям, к основным из которых относятся следующие:

• напряжение холостого хода должно обеспечивать зажигание дуги, но не быть выше значений, которые являются безопасными для сварщика;
• источники питания должны иметь устройства, регулирующие сварочный ток в необходимых пределах;
• сварочные аппараты должны иметь заданную внешнюю вольт-амперную характеристику, согласующуюся со статической вольт-амперной характеристикой сварочной дуги.

Дуга может возникать либо в случае пробоя газа (воздуха), либо в результате соприкосновения электродов с последующим их отведением на расстояние нескольких миллиметров. Первый способ (пробой воздуха) возможен только при больших напряжениях, например, при напряжении 1000В и зазоре между электродами в 1 мм. Такой способ возбуждения дуги обычно не применяется из-за опасности высокого напряжения. При питании дуги током высокого напряжения (более 3000В) и высокой частоты (150-250 кГц) можно получить пробой воздуха при зазоре между электродом и деталью до 10 мм. Такой способ зажигания дуги менее опасен для сварщика и его нередко используют.

Второй способ зажигания дуги требует разности потенциалов между электродом и изделием 40-60В, поэтому применяется чаще всего. Когда электрод соприкасается с изделием, создается замкнутая сварочная цепь. В момент, когда электрод отводится от изделия, электроны, которые находятся на нагретом от короткого замыкания катодном пятне, отрываются от атомов и электростатическим притяжением двигаются к аноду, образуя электрическую дугу. Дуга быстро стабилизируется (в течение микросекунды). Электроны, которые выходят из катодного пятна, ионизируют газовый промежуток и в нем появляется ток.

Скорость зажигания дуги зависит от характеристик источника питания, от силы тока в момент соприкосновения электрода с изделием, от времени их соприкосновения, от состава газового промежутка. На скорость возбуждения дуги влияет, в первую очередь, величина сварочного тока. Чем больше величина тока (при одном и том же диаметре электрода), тем большим становится величина сечения катодного пятна и тем большим будет ток в начале зажигания дуги. Большой электронный ток вызовет быструю ионизацию и переход к устойчивому дуговому разряду.

При уменьшении диаметра электрода (т.е. при увеличении плотности тока) время перехода к устойчивому дуговому разряду еще больше сокращается.

На скорость зажигания дуги влияют также полярность и род тока. При постоянном токе и обратной полярности (т.е. плюс источника тока подключается к электроду) скорость возбуждения дуги выше, чем при переменном токе. Для переменного тока напряжение зажигания должно быть не менее 50-55В, для постоянного тока - не менее 30-35В. Для трансформаторов, которые рассчитаны на сварочный ток 2000А, напряжение холостого хода не должно превышать 80В.

Повторные зажигания сварочной дуги после ее угасания из-за коротких замыканий каплями электродного металла будут возникать самопроизвольно, если температура торца электрода будет достаточно высокой.

Внешняя вольт-амперная характеристика источника представляет собой зависимость напряжения на клеммах и тока.

Схема системы источник-дуга

На схеме источник имеет постоянную электродвижущую силу (Еи) и внутреннее сопротивление (Zи), состоящее из активной (Rи) и индуктивной (Xи) составляющих. На внешних зажимах источника имеем напряжение (Uи). В цепи "источник-дуга" идет сварочный ток (Iд), одинаковый для дуги и источника. Нагрузкой источника является дуга с активным сопротивлением (Rд), падение напряжения на ней Uд=I•Rд.

Уравнение для напряжения на внешних зажимах источника получается следующее: Uи = Eи - Iд•Zи.

Источник может работать в одном из трех режимов: холостой ход, нагрузка, короткое замыкание. При холостом ходе дуга не горит, ток отсутствует (Iд=0). В этом случае напряжение источника, называемое напряжением холостого хода, имеет максимальное значение: Uи = Eи.

При нагрузке по дуге и источнику идет ток (Iд), а напряжение (Uи) ниже, чем при холостом ходе, на величину падения напряжения внутри источника (Iд•Zи).

При коротком замыкании Uд=0, поэтому и напряжение на клеммах источника Uи=0. Ток короткого замыкания Iк=Eи/Zи.

Экспериментально внешняя характеристика источника снимается измерением напряжения (Uи) и тока (Iд) при плавном изменении сопротивления нагрузки (Rд), при этом дуга имитируется линейным активным сопротивлением - балластным реостатом.

Графическое представление полученной зависимости и есть внешняя статическая вольт-амперная характеристика источника. При уменьшении сопротивления нагрузки увеличивается ток и снижается напряжение источника. Таким образом, в общем случае внешняя статическая характеристика источника - падающая.

Внешняя вольт-амперная характеристика источника

Бывают сварочные аппараты с крутопадающими, пологопадающими, жесткими и даже возрастающими вольт-амперными характеристиками. Есть и универсальные сварочные аппараты, характеристики которых могут быть крутопадающими и жесткими.

Внешние вольт-амперные характеристики сварочных аппаратов: 1 - крутопадающая, 2 - пологопадающая, 3 - жесткая, 4 - возрастающая.

Например, обычный трансформатор (с нормальным рассеянием) имеет жесткую характеристику, а возрастающая характеристика достигается путем обратной связи, когда с ростом тока электроника увеличивает напряжение источника.

При ручной дуговой сварке применяются сварочные аппараты с крутопадающей характеристикой.

Сварочная дуга тоже имеет вольт-амперную характеристику.

Вольт-амперная характеристика дуги

Сперва с увеличением тока напряжение резко падает, так как увеличивается площадь сечения столба дуги и его электропроводность. Затем с увеличением тока напряжение почти не изменяется, так как площадь сечения столба дуги увеличивается пропорционально току. Потом с увеличением тока напряжение возрастает, так как площадь катодного пятна не увеличивается из-за ограниченного сечения электрода.

При увеличении длины дуги вольт-амперная характеристика смещается вверх. Изменение диаметра электрода отражается на положении границы между жестким и возрастающим участками характеристики. Чем больше диаметр, тем при большем токе произойдет заполнение торца электрода катодным пятном, при этом возрастающий участок сместится вправо (на рисунке ниже показано пунктирной линией).

Зависимость вольт-амперной характеристики дуги от её длины и диаметра электрода

Стабильное горение дуги возможно при условии, если напряжение дуги равно напряжению на внешних зажимах источника питания. Графически это выражается в том, что характеристика сварочной дуги пересекается с характеристикой источника питания. На рисунке ниже показаны три характеристики дуги различной длины - L₁, L₂, L₃ (L₂>L₁>L₃) и крутопадающая характеристика источника питания.

Пересечение вольт-амперных характеристик источника и дуги (L₂>L₁>L₃).

Точки (A), (B), (C) выражают зоны устойчивого горения дуги при разной её длине. Видно, что чем больше будет наклон характеристики источника, тем меньше будет изменение сварочного тока при колебании длины дуги. А ведь длина дуги поддерживается в процессе горения вручную, потому не может быть стабильной. Вот почему только при крутопадающей характеристике трансформатора колебания кончика электрода в руках сварщика будут не сильно сказываться на стабильности горения дуги и качестве сварки.