Определение внеших характеристик ист0чник0в питания и статической характеристики сварочной дуги

Цель работы: Освоение методики и получение практических навыков экспериментального определения вольт-амперных внеш­них характеристик источника питания и статических характеристик сварочной дуги; ознакомление с уст­ройством, принципом работы и с правилами эксплуа­тации сварочных трансформаторов.

1. Общие сведения

Требования к источникам питания сварочной дуги. Все источники питания для дуговой сварки должны удовлетворять ряду требований, отличающихся от требований, предъявляемых к обычным источникам питания. Основным условием устойчивого горения дуги является соответствие внешней характеристики источника питания статической характеристике сварочной дуги.

Внешней характеристикой источника питания сварочной дуги на­зывается зависимость напряжения U_И, на его зажимах от силы тока J во внешней цепи, как видно из рис.1. источники питания сварочной цуги могут иметь четыре вида внешних характеристик: крутопадающую 1, пологопадаащую 2, жесткую 3 и возрастающую 4. Обычно один источник питания имеет характеристики одного вида.

Статической вольт-амперной характеристикой сварочной дуги на­зывается зависимость напряжения дуги U_Д от силы сварочного тока J_Д при постоянных длине дуги I_Д и диаметре электрода D_Э. Зависимость U_Д = f(J_Д) при I_Д = const имеет три участка (рис.2), которые cоответственно называются падающей (I), жесткой (II) и возрастающей (III) характеристиками дуги. В области жесткой характеристики между напряжением и длиной дуги существует линейная зависи­мость:

U_Д = a + b ∙ I_Д , В

(1)

где a и b - коэффициенты, зависящие от материала электрода, от характера и давления газовой сферы.

Рис.1. Внешние характеристики источников питания U_И = f (J): 1 – крутопадающая; 2 – пологопадающая; 3 – жесткая; 4 - возрастающая.

Рис.2. Статические характе­ристики сварочных дуг раз­личной длины (I_Д) на участ­ках I, II и III.

В реальной сварочной цепи дуга и источник ее питания образуют взаимосвязанную систему, работающую в статическом и динамическом (переходном) режимах. В статическом режиме устойчивость системы “источник питания – дуга” будет обеспечено при выполнении следующего условия в точке пересечения характеристик:

(2)

где

соответственно производные уравнений статической характеристики дуги и источника питания в точке А (рис.3). Из условия (2) следует, что если форма характеристики дуги соответствует участку I, то как показано на рис.3, харак­теристика источника питания должна быть более крутопадающей, на участке II – пологопадающей, а на участке III жесткой или слегка возрастающей. В этом случае внезапное малое отклонение тока дуги, возникшее под влиянием какой-либо случайной причины, будет с течением времени уменьшатся, т.е. нарушение режима будет исчезать и система вновь вернется в исходное состояние равновесия. Чем круче характеристика источника питания, тем более устойчива сварочная дуга.

Рис.3. Схема, поясняющая режим устойчивой работы системы “источник питания – дуга”:

А - рабочие точки устойчивой работы; Б - точка неустойчивой ра­боты; С - точка короткого замыкания; 1 - внешние характеристики источников питания; 2 - статическая характеристика дуги; J_P1, J_P2 , J_P3 - рабочие сварочные токи; J_КЗ1, J_КЗ2 – токи короткого замыкания.

Причинами частого изменения сварочного тока в процессе сварки являются короткие замыкания в дуге каплями расплавленного металла и манипуляции электродом в процессе ручной дуговой сварки, поэтому источник сварочного тока должен обладать определенными динамическими свойствами, которые оцениваются:

- временем восстановления напряжения при переходе от режима короткого замыкания к рабочему режиму или холостому ходу;

- кратностью установившегося значения тока короткого замыкания J_КЗ и рабочего тока I_Р, называемой добротностью источника питания;

- скоростью нарастания тока короткого замыкания. При ручной дуговой сварке оптимальными значениями являются: время восстановления напряжения до 30 В не более 0,05 с и кратность установившегося тока короткого замыкания рабочему в пределах 1,25 < J_КЗ / J_P < 2. Скорость нарастания тока короткого замы­кания зависит от индуктивности сварочной цепи. При малой индук­тивности скорость нарастания может быть высокой, что увеличивает разбрызгивание металла и ухудшает формирование шва при дуговой сварке в защитных газах. При увеличении индуктивности сварочной цепи процесс переноса металла в дуге становится крупнокапельным, что затрудняет или делает практически невозможной сварку в пото­лочном, горизонтальном и вертикальном положениях.

Источники питания также должны удовлетворять требованиям, вы­текающим из технологических особенностей процесса сварки:

- напряжение холостого хода источников питания должно быть достаточным для легкого зажигания и устойчивого горения дуги, но не более 90 В (с целью обезопасить сварщика от поражения током);

- ток источника должен быть регулируемым:

- источник сварочного тока должен обладать достаточной мощ­ностью.

Особенности, устройства и принципа работы сварочных трансфор­маторов. Сварочную дугу можно питать постоянным, а также пере­менным током. К источникам питания постоянным током относятся сварочные генераторы, выпрямители и импульсные источники. Для питания переменным током используют сварочные трансформаторы и генераторы переменного тока. Наиболее широкое применение для пи­тания сварочной дуги переменным током получили сварочные транс­форматоры, благодаря простоте изготовления и высокой надежности в эксплуатации.

В зависимости от применяемого способа регулирования режима сварки и получения падающей внешней характеристики различают трансформаторы с нормальным и увеличенным магнитным рассеянием. У трансформаторов с нормальным магнитным рассеянием вторичная обмотка наматывается на первичную таким образом, что весь маг­нитный поток, создаваемый первичной обмоткой, охватывает и вто­ричную обмотку. Для регулирования режима сварки и получения па­дающей внешней характеристики в сварочную цепь включается реак­тивная катушка-дроссель (рис.4). Индуктивное сопротивление дрос­селя изменяется регулированием воздушного зазора между подвижной и неподвижной частями сердечника дросселя. При уменьшении зазора сварочный ток уменьшается, при увеличении - увеличивается. Конс­труктивно дроссель может также располагаться отдельно от транс­форматора.

Рис. 4. Схема трансформатора с дросселем: сердечник трансформатора; 2 - первичная обмотка; 3 - обмотка дросселя; 4 - сердечник дросселя; 5 - подвижная часть сердечника; 6 - рукоятка; 7 - вторичная обмотка трансформатора.

Сварочные трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием, как правило, имеют разнесенные обмотки. Это приводит к тому, что часть магнитного потока первичной обмотки замыкается помимо контура вторичной, создавая так называемый поток рассеяния. Сварочные трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием делятся на две группы: с подвижными обмотками (рис.5,а) и с подвижным магнитным шунтом (рис. 5.б). Регулирование сварочного тока в первом случае производится перемещением катушек вторичной обмотки, а во втором ― магнитного шунта. При выдвижении магнитного шунта за пределами магнитопровода рассеяние уменьшается, что приводит к увеличению сварочного тока.