Критерии устойчивости дуги переменного тока

В качестве непосредственного критерия устойчивости можно принять частоту обрывов дуги. Поскольку устойчивость дуги переменного тока определяется надежностью повторного зажигания, то в качестве косвен­ных критериев обычно принимают напряжение U₃, ток I₃ и время t₃ по­вторного зажигания. При испытании трансформатора для их определе­ния записывают начальный участок осциллограмм тока и напряжения (рис. 2.4). Типичные характеристики повторного зажигания при сварке покрытыми стальными электродами следующие. Напряжение повторно­го зажигания U₃ = 15-90 В, максимальный преддуговой ток I₃ = 2-30 А, время зажигания t₃ составляет от 0,1 до 3 мс. Устойчивость повышает­ся с увеличением преддугового тока 1₃ и снижением напряжения U₃ и времени t₃.

Рис. 2.4. Начальные участки осциллограмм напряжения и тока дуги (электрод ОЗС-4, 3 мм, 100 А, трансформатор ТДМ-401)

Время повторного зажигания t₃, чаще других принимаемое в каче­стве косвенного критерия устойчивости, зависит от параметров дуги и источника. Для цепи с резистором (рис. 2.3) время t₃ определяется из (2.2). Для цепи с катушкой индуктивности (рис. 2.5) необходимо в этом уравнении учесть еще и угол φ сдвига фаз между напряжением и₂ и током i₂:

Рис. 2.5. Дуга переменного тока в цепи с катушкой индуктивности: а – электрическая схема; б – осциллограммы напряжений; в – осциллограммы токов

Угол φ зависит от величины сопротивления дуги R_д, а также индуктив­ного Xl = ωL и активного R сопротивления в цепи дуги:

(2.3)

Тогда из (2.2) и (2.3)

(2.4)

Приемы повышения устойчивости проанализируем с помощью урав­нения (2.4). Чем меньше время зажигания, тем меньше охлаждение межэлектродного промежутка и тем вероятней повторное зажигание. Как уже отмечалось, в переходном периоде идут два встречных процесса — охлаждение и нагрев межэлектродного промежутка. Уменьшить t₃, т. е. повысить устойчивость, можно либо технологическими приемами — за­медляя охлаждение и деионизацию межэлектродного промежутка, либо электротехническими приемами — ускоряя нагрев благодаря увеличе­нию скорости нарастания напряжения и тока дуги.

Все технологические приемы так или иначе направлены на сниже­ние напряжения зажигания U₃. С этой целью для замедления охлажде­ния межэлектродного промежутка увеличивают температуру и массу на­гретых электродов, увеличивают ток, снижают теплопроводность элек­тродов, ограничивают теплоотвод газовыми потоками. Для увеличения эмиссионной способности электродов рекомендуется использовать неплавящиеся электроды с высокой температурой нагрева (вольфрамовые и угольные). Для увеличения ионизации остаточной плазмы вводят лег­ко ионизируемые вещества, содержащие К, Na, Ca, в состав покрытий и флюсов. Снижается напряжение зажигания и при уменьшении длины дуги.

Из электротехнических приемов простейшим является увеличение напряжения трансформатора U_2m (или его напряжения холостого хо­да U_х), хотя он связан с ухудшением безопасности труда. Устойчивость повышается и при увеличении частоты f переменного тока. Однако за­метный эффект достигается лишь при увеличении частоты выше 300-500 Гц. Поскольку увеличение частоты связано с существенным услож­нением конструкции источника, такой прием на практике применяется редко. Таким образом, самым эффективным приемом является включе­ние в цепь дуги катушки индуктивности (см. рис. 2.5). Устойчивость дуги повышается при увеличении индуктивности L и снижении величи­ны активного сопротивления R в цепи дуги, приводящих к увеличению угла сдвига φ фазы сварочного тока относительно напряжения трансфор­матора. Полезно также последовательное включение конденсатора или параллельное включение импульсного стабилизатора.

Скорость нарастания проводимости межэлектродного промежут­ка в преддуговом периоде

(3.5)

– это комплексный критерий устойчивости, учитывающий как значе­ния времени t₃,так и напряжения U₃ и тока 1₃ повторного зажигания, которые можно получить в эксперименте по начальным участкам осцил­лограмм (см. рис. 2.4). Единица измерения этого критерия – сименс в се­кунду (См/с = 1/(Ом·с)). Критерий обладает ясным физическим смыслом – понятно, что при высокой скорости восстановления проводимости В₃ вы­ше и вероятность повторного зажигания. Так, у электродов с фтористо-кальциевым покрытием, известных низкой устойчивостью горения дуги, В₃ = 40-3000 См/с, а у электродов с рутиловым покрытием, предназна­ченных для сварки на переменном токе, В₃ = 700-8000 См/с. Обнаружено также, что при сварке покрытыми электродами скорость В₃ в полуперио­де прямой полярности в 4-5 раз выше, чем при обратной полярности. По­этому и обрыв дуги переменного тока, как правило, происходит в начале полупериода обратной полярности. По этой же причине сварка вольфра­мовым электродом алюминия, как правило, невозможна без импульсной стабилизации в полупериоде обратной полярности.

Скорость нарастания тока (di₂/dt)₃ в интервале повторного зажи­гания также принимают в качестве критерия устойчивости. Ее можно вычислить по осциллограммам (рис. 2.4):

(di₂/dt)₃ = I₃/t₃.

Но более эффективно ее экспериментальное определение по осциллографической записи фазовой характеристики di₂/dt = f(i₂), которая получа­ется, если подать на горизонтальный вход осциллографа сигнал тока i₂ с шунта в сварочной цепи, а на вертикальный вход — сигнал di₂ /dt cдиффе­ренцирующей RС-цепочки, подключенной к этому же шунту (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Фазовая характеристика di₂/dt = f(i₂) (электрод ОЗС-4, 5 мм, 200 А, трансформатор ТДМ-401)

Видно, что непосредственно перед переходом тока через нуль наблюда­ется пик скорости, соответствующий резкому спаду тока при угасании di₂/dt)_У, а после перехода — провал до значения, соответствующего ско­рости нарастания тока (di₂/dt)₃ в интервале повторного зажигания. Та­кой характер изменения тока при переходе через нуль отмечался ранее на осциллограммах (рис. 2.1 и 2.4). Типичные значения скоростей 15-150 кА/с. Чем выше скорость (di₂/dt)₃, тем надежней повторное зажи­гание и выше устойчивость процесса сварки. Разработан ряд специфических приемов, направленных на увеличение этой скорости. С этой целью снижают вихревые токи в магнитопроводе и кожухе трансформатора, не допускают насыщения железа магнитопровода. Иногда в цепь дуги включают дроссель насыщения, увеличивающий эту скорость в 2-4 раза и ограничивающий амплитуду тока, так что кривая сварочного тока вме­сто синусоидальной приобретает форму трапецеидальных импульсов. Но самым эффективным приемом увеличения скорости является использо­вание импульсного стабилизатора, подающего на дугу кратковременные импульсы тока после его перехода через нуль.

Для сравнения трансформаторов различной мощности удобно харак­теризовать их не абсолютной, а относительной скоростью

(di₂/dt)₃/(di₂/dt)_У,

которую желательно приближать к 1. У большинства сварочных транс­форматоров эта величина находится в интервале 0,3-0,8. Используется также комплексный критерий для оценки трансформаторов

(3.6)

который учитывает полезное влияние на устойчивость как увеличения напряжения холостого хода U_x, так и увеличения скорости (di₂/dt)₃. У трансформаторов промышленного назначения F_з = 20 – 60 В, у бытовых трансформаторов – 17 – 35 В.

ТЕМА 3

СВАРОЧНЫЕ СВОЙСТВА ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ДУГИ