Условия устойчивого горения дуги переменного тока

Дуговая сварка на переменном токе широко применяется в промышленности. Это объясняется тем, что источники питания переменного тока просты и удобны в эксплуатации, имеют меньший вес и габариты. Дуги переменного тока бывают однофазными и трехфазными.

Дуга, питаемая переменным током, имеет ряд особенностей. Эти особенности появляются вследствие того, что переменный ток промышленной частоты 50 Гц 100 раз в секунду меняет свое направление (сварочная дуга имеет за 1 сек 100 перерывов в горении дуги). Кроме того, переменный ток, величина которого не остается постоянной, а изменяется по синусоиде от 0 до 360º. Все эти особенности затрудняют горение дуги. Для увеличения стабильности горения дуги необходимо сократить время перерывов в ее горении

Рассмотрим цепь, в которой последовательно с дугой включено активное сопротивление R, а индуктивное Х=0. Сдвиг фаз между током и напряжением равен 0 ( ) (рис. 22).

Рис. 22. Кривые напряжений ( , ) и тока ( ), когда активное сопротивление , а и

При возрастании напряжения источника питания от 0 до напряжения зажигания дуга не горит. В момент, когда напряжение станет равным напряжению зажигания , дуга загорится. Ток и напряжение увеличиваются до максимума, а затем уменьшаются. Когда напряжение источника станет меньше, чем необходимо для поддержания устойчивого горения дуги ( < ), дуга гаснет. Во вторую половину полупериода дуга не горит до того момента, пока напряжение не станет равным напряжению дуги обратного знака. Как только напряжение обратного знака стало равным напряжению , дуга загорается при токе обратного напряжения. Дальше процесс повторится. В данном случае за один период дуга переменного тока имеет 4 перерыва ( , , , ).

Для того, чтобы дуга горела устойчиво без перерывов, необходимо соблюдать следующие условия:

1. Температура газового промежутка между изделием и электродом должна оставаться постоянной.

2. Интенсивная ионизация среды, в которой горит дуга.

3. Легкость возникновения катодного и анодного пятна.

4. Минимальное или равное нулю время перерыва горения дуги.

При невыполнении этих условий дуга может погаснуть при переходе тока через ноль.

Для выполнения 1 и 2 условия применяются специальные обмазки электродов и флюсы. Для выполнения 3 условия перед сваркой необходимо хорошо подготавливать свариваемые кромки.

а	б

Рис. 23. Кривые напряжений холостого хода: а- изменение частоты напряжения; б- изменение величины напряжения холостого хода

Для выполнения 4 условия необходимо увеличить напряжение (рис.23, б) или частоту переменного тока (рис.23, а), но высокая частота вредно действует на организм человека, а напряжение ограничено ГОСТом на изготовление трансформаторов: для трансформатора не более 80 В.

Теперь рассмотрим второй случай, когда в сварочной цепи есть активное R и индуктивное Х сопротивление. В этом случае между током дуги и напряжением источника питания появляется угол сдвига , который не равен нулю ( ) (рис.24).

Рис.24. Кривые напряжения ( , ) и тока дуги

Устойчивость горения дуги переменного тока при наличии в цепи индуктивного сопротивления повышается. При правильно подобранном индуктивном сопротивлении можно получить такой сдвиг фаз, при котором кривая тока будет проходить через ноль в момент времени, когда напряжение будет равно напряжению , и тогда перерыва в горении дуги не будет

Из-за влияния индуктивности в сварочном контуре будет появляться ЭДС самоиндукции, которая направлена против напряжения источника при возрастании тока и будет согласно с напряжением источника при уменьшении тока. Напряжение на дуге будет постоянным и достаточным для горения дуги, пока ток не станет равным 0. При токе, равном нулю, ЭДС самоиндукции тоже равно нулю, дуга гаснет, но к этому моменту напряжение источника обратного направления станет достаточным для зажигания дуги обратной полярности, и дуга загорится. С увеличением тока обратного направления вновь появится ЭДС самоиндукции, и процесс повторится

Сварочная дуга, горящая на переменном токе с индуктивным сопротивлением в цепи, не имеет перерывов в горении дуги, так как ЭДС самоиндукции поддерживает ее горение. Для поддержания горения дуги в момент снижения напряжения источника необходим определенный угол сдвига между током и напряжением. Обычно ее угол составляет =0,35÷0,6.

Наличие индуктивного сопротивления в цепи обязательное условие для всех источников питания переменного тока.

Трехфазная сварочная дуга

Трехфазной дугой называют сварочную дугу, горящую между двумя электродами и изделием (рис. 25).

Рис. 25. Схема трехфазной дуги: 1, 3- дуги прямого действия; 2- дуга косвенного действия

Каждый электрод и изделие получает питание от одной фазы трехфазного источника питания. Трехфазная дуга состоит из трех отдельных дуг, горящих в общей газовой среде, имеющих общее плавильное пространство. Дуга 1 и 3 - это дуги прямого действия, а дуга 2 – косвенного действия. Для устойчивого горения дуги напряжение , , сдвинуты по фазе на угол =120˚, поэтому дуги 1, 2, 3 горят поочередно, а в переходные моменты - по две дуги одновременно. Вследствие этого среда между изделием и электродами ионизирована, а это благоприятно сказывается на устойчивости горения дуги. При равных напряжениях подведенных к трехфазной дуге может гореть не более двух дуг. Объясняется это тем, что на торце электрода не могут существовать одновременно анодное и катодное пятна (рис.26).

Для питания трехфазной дуги могут быть использованы однофазные трансформаторы, соединенные соответствующим образом и специальные трехфазные трансформаторы.

При автоматической сварке трехфазной дугой, высокая стабильность процесса наблюдается только при одинаковой скорости плавления электродов. Этого можно достигнуть, применяя источники питания с равными и одинаково изменяющимися индуктивными сопротивлениями в каждой фазе. Величина сварочного тока регулируется в каждой фазе. Это дает возможность управлять количеством теплоты, которое необходимо для плавления электродов и на проплавление основного металла.

Рис. 26. Схема горения трехфазной дуги

Существуют три основные электромагнитные схемы источника питания трехфазной дуги для сварки плавящимися электродами:

а) с подвижными обмотками (рис. 27, а)

б) с трехфазным дросселем насыщения (рис.27, б).

в) с магнитной коммутацией (рис.27, в)

а	б	в

Рис.27. Схема питания трехфазной дуги: а- с подвижными обмотками; б- с трехфазным дросселем насыщения; в- с магнитной коммутацией

В трехфазных трансформаторах с подвижными обмотками при сварке на больших токах наблюдается значительная вибрация подвижных частей. А это приводит к изменению основных параметров сварки, которые сказываются на устойчивом горении дуги.

Трансформаторы с дросселем насыщения просты и надежны в эксплуатации. Однако они не позволяют регулировать напряжение холостого хода.

Наиболее перспективными являются источники питания с магнитной коммутацией. В этих трансформаторах возможно изменение величины напряжения холостого хода и регулирование наклона вольт-амперной характеристики, что обеспечивает устойчивое горение дуги.

Механизированная сварка трехфазной дугой применяется для соединения стальных и алюминиевых сплавов больших толщин. Сварка трехфазной дугой 2-2,5 раза производительнее, чем однофазная дуговая сварка. Однако широкого применения сварка трехфазной дугой не получила, так как оказалось неконкурентоспособной с электрошлаковой.