Зажигание, устойчивость горения и регулирование тока дуги

Источник питания сварочной дуги должен обеспечивать надежное зажигание дуги, ее устойчивое горение и регулирование тока.

Первоначально дуга зажигается при соприкосновении электродов, одним из которых является изделие, и при последующем их разведении. При соприкосновении электродов замыкается цепь источника питания, ток которого расплавляет и испаряет металл в месте контакта. При последующем отрыве электрода от изделия в пространстве, заполненном ионизированными газами и парами металла, под действием Напряжения источника возникает электрическая дуга. Она зажигается легче при высоком напряжении источника. Чтобы обеспечить надежное зажигание, напряжение холостого хода источника питания должно быть больше напряжения зажигания дуги. В то же время напряжение холостого хода должно быть безопасным для сварщика.

Рис.3.4 4.4. Внешние характеристики источников питания сварочной дуги: 1 и 2 - круто- и пологопадающая; 3 - жесткая; 4-возрастающая.

Основная характеристика источника - внешняя, представляющая собой зависимость между напряжением на клемах и током, протекающим через сварочную цепь при нагрузке. Внешняя вольт - амперная характеристика (рис. 3.4) может быть крутопадающей 1, пологопадающей 2, жесткой 3 и возрастающей 4. Важным параметром источника наряду с напряжением Uо холостого хода является ток Iк короткого замыкания, который по отношению к номинальному току Iн источника обычно находится в следующих пределах:

Таким образом, короткое замыкание - один из рабочих режимов при зажигании электрической дуги. Источник питания при этом должен надежно работать.

Устойчивое горение дуги обеспечивается правильным выбором внешней характеристики источника питания (рис.4.5). При падающей статической ВАХ 2 дуги источник питания должен иметь еще более крутопадающую внешнюю характеристику 1. Равенство токов и напряжений дуги и источника в этом случае будет в точках А и В. Из них только точка А соответствует устойчивому горению дуги.

В статическом состоянии баланс напряжений в сварочной цепи имеет вид

,

(4.4)

Uо - напряжение холостого хода источника питания, В; Iд - сила тока сварочной цепи, А; Rи - сопротивление источника питания, Ом; Uд - напряжение дуги, В.

При изменении тока в сварочной цепи баланс мгновенных напряжений выглядит следующим образом:

,

(4.5)

где L - индуктивность контура сварочной цепи, Гн; di/dt -изменение мгновенного значения сварочного тока, А/с,

ЭДС самоиндукции контура с дугой

(4.6)

В точке В при увеличении тока I1 на Δ IYL(di/dt)>0. Так как L>0, то di/dt >0, то в результате ток в цепи будет продолжать расти до значения Iа. При уменьшении тока и Δ IYL(di/dt)<0 и di/dt<0, вследствие чего ток будет уменьшаться до нуля и дуга погаснет. Следовательно, режим в точке В неустойчивый.

Иначе обстоит дело в точке А. Если ток I₂ возрастет на ΔI то в соответствии с уравнением (4.6) L(di/dt) < 0 и di/dt<0. В результате ток будет уменьшаться до значения I₂. При снижении тока I₂ на Δ IYL(di/dt)>0 и di/dt>0, вследствие чего ток возрастает до прежнего значения I₂, т.е. дуга горит устойчиво.

При жесткой статической ВАХ устойчивое горение дуги обеспечивается при использовании источников питания с круто- и пологопадающей внешней характеристикой. При возрастающей статической ВАХ дуги применяют источники с жесткими внешними характеристиками.

Сварочный ток при питании дуги от источника с падающей ВАХ можно регулировать, изменяя полное сопротивление цепи дуги, ее длину, напряжение холостого хода источника питания.

Рис.3.5 4.5. Внешняя характеристика 1 - источника питания и вольт-амперная 2- дуга.

При изменении полного сопротивления цепи дуги (рис. 3.6) можно уменьшать сварочный ток от номинального значения до значения, соответствующего пересечению статической ВАХ дуги и внешней характеристики источника. При большом полном сопротивлении цепи дуга вообще гореть не будет, так как для любого значения тока напряжение питания будет меньше напряжения, необходимого для горения дуги.

Рис.3.6 4.6. Регулирование тока (а) изменением полного сопротивления цепи дуги, напряжения (б) холостого хода, длины (в) дуги

При уменьшении напряжения холостого хода источника его внешние характеристики смещаются влево (рис. 3.6, б) и пересекаются со статической ВАХ дуги при меньших значениях тока. Очевидно, что снижать напряжение холостого хода источника можно до значений, при которых обеспечивается зажигание дуги. При увеличении ее длины статические ВАХ смещаются вверх, а точки их пересечения с внешней характеристикой источника будут соответствовать меньшим значениям тока (рис.3.6, в). При черезмерном увеличении длины дуга погаснет.

Кроме основных требований по обеспечению надежного зажигания, устойчивости горения и регулирования сварочного тока, которые являются общими для всех источников питания сварочной дуги, к источникам переменного тока предъявляются дополнительные требования. Они связаны с их динамическими свойствами, т. е. способностью восстанавливать напряжение в соответствии с изменившимся током. Так, при погасании дуги напряжение должно быстро восстанавливаться до значения зажигания, так как в противном случае повторного зажигания может не произойти и в горении дуги наступят значительные перерывы. Для надежного повторного зажигания дуги переменного тока необходимо увеличивать сварочный ток и напряжение холостого хода источника, а также использовать источники с большой индуктивностью.

От динамических свойств источников переменного тока зависит качество сварочного шва. Быстрое нарастание тока короткого замыкания при касании каплей электродного металла шва приводит к ее разбрызгиванию и ухудшению качества сварочных работ. Для устранения этого в сварочную цепь последовательно с дугой включают дроссель или применяют источники с крутопадающими характеристиками.