22 Сварка 13-14. 0,1 В, на жестком
 Скачать 3.47 Mb.
|
Источники для ручной сварки покрытым электродом Ручная сварка производится покрытыми электродами диаметром 2...6 мм на токе 30...350 А при напряжении 20...35 В. Зажигание дуги выполняется коротким замыканием — клевком или чирканьем, сварку сопровождают значительные колебания длины дуги. Статическая характеристика дуги при ручной сварке имеет падающий и жесткий участки (см. рис. 2.3). Нападающем участке дифференциальное сопротивление дуги р д = -0,1 В, на жестком — р д 0. Характеристика условной рабочей нагрузки по требованиям ГОСТ Р МЭК 60974-1—2004 соответствует уравнению U ? = 20 + + д и обеспечивает рациональное сточки зрения качественного формирования шва соотношение между током и напряжением. Для простейшего источника минимальный состав требований сводится к выбору наклона внешней характеристики, напряжения холостого хода, тока короткого замыкания и диапазона регулирования сварочного тока. Внешняя характеристика источника питания для ручной сварки должна быть падающей. В простейших ис- Рис. 2.1 5. Внешние характеристики простейшего (аи современного (б) источников для ручной сварки точниках формирование такой характеристики выполняется подбором всего двух параметров — напряжения холостого хода U x и внутреннего сопротивления источника Z H (риса. Напряжение U x назначается в диапазоне 40... 113 В, снизу этот диапазон ограничен требованиями обеспечения надежного зажигания и эластичности дуги, а сверху — требованиями безопасности. Сопротивление Z H устанавливают в интервале 0,05...3 Ом в зависимости от необходимого тока. Получаемый при такой выпуклой характеристике наклон р ив пределах -0,07...-5 В заведомо обеспечивает устойчивость энергетической системы источник—дуга, поскольку коэффициент устойчивости курд р и > 0. Значение отношения тока короткого замыкания к, например, к установленному значению 1 ду сварочного тока I K /I g . Y = 1,2...2 при такой внешней характеристике, как правило, достигается автоматически. Снизу это значение ограничено условиями качественного переноса электродного металла, сверху — опасностью перегрева электрода. Кратность регулирования тока I gmax /I gmin должна быть не ниже 2, нов источниках производственного назначения может достигать У современного источника внешняя характеристика может состоять из четырех участков (рис. 2.15, б Такая комбинированная характеристика на каждом из своих участков выполняет специфические требования к отдельным параметрам или стадиям сварочного процесса. Участок 1 обычно формируется специальной цепью высоковольтной подпитки с напряжением холостого хода 80... 100 В и током короткого замыкания 10...50 А, предназначен для заполнения пауз в токе источника и этим повышает устойчивость процесса сварки. Пологопадающий участок 2 формируется основной силовой цепью и характеризуется напряжением холостого хода U x = 40...60 В и дифференциальным сопротивлением р и = 0...-0,05 В. Его параметры принимаются на основе компромисса между требованиями экономичности и удовлетворения сварочных свойств. Чем меньше напряжение, тем легче и дешевле силовой трансформатор и источник в целом. Чем больше напряжение, тем выше надежность зажигания и эластичность дуги. Основной крутопадающий участок 3 обеспечивает поддержание устойчивого дугового разряда при установленном значении сварочного тока, поскольку в точке В его пересечения с характеристикой нагрузки удовлетворяется условие курд р и > 0. Дифференциальное сопротивление источника на этом участке р и должно быть в пределах -0,07...-5 В. Чем круче наклон, тем выше стабильность тока, что гарантирует постоянство глубины проплавления и высокую эластичность дуги. Настройка тока осуществляется смещением этого участка влево-вправо. На его пересечении с характеристикой условной рабочей нагрузки получаем точку В соответствующую установленному сварочному току 1 ду . Крайние точки пересечений указывают пределы регулирования тока J gmin — I gmax . Пологопадающий участок форсирования 4 предназначен для настройки тока короткого замыкания в интервале 1 д ,у — 21 дт Его основное назначение — управление переносом капель электродного металла. Современные источники обладают также специальными функциями, улучшающими сварочные свойства. Функция ограничение напряжения холостого хода повышает безопасность труда и является обязательной при эксплуатации источника в особо тяжелых условиях — на открытом воздухе при вероятном воздействии атмосферной влаги, при работе внутри металлических сосудов и т.д. Перед сваркой напряжение холостого хода поддерживается на безопасном уровне (не выше 12 Внос момента касания электродом детали ЭДС источника быстро восстанавливается до значения, необходимого для устойчивого горения дуги, а через 1 с по окончании сварки снижается до исходного уровня. Функция горячий пуск обеспечивает кратковременное (нас) начальное увеличение тока до значения / гп = (1,5...2)/ ду в целях облегчения зажигания, а также улучшения качества начального участка шва. Функция защита от прилипания предусматривает ограничение длительности короткого замыкания и снижение тока до более низкого уровня, если начальное зажигание дуги затягивается более 0,5... 1 с. Сам факт прилипания при этом не всегда устраняется, но нагрев электрода и прочность прилипания существенно снижаются. Функция форсирование дуги предназначена для управления переносом электродного металла. Как уже отмечалось, эта функция может быть реализована выбором параметров участка 4 внешней характеристики, нов современных источниках необходимый ток форсирования при коротком замыкании каждой каплей может быть сформирован системой управления. Более интенсивный ток назначается для электродов с круп- иокапельным характером переноса. Источники для механизированной сварки плавящимся электродом в защитном газе Сварка в углекислом газе, аргоне и их смесях с кислородом и другими газами ведется с использованием проволоки диаметром 0,6...2,5 мм на токе 50...600 А при напряжении 15...44 В. Род тока — постоянный, полярность дуги — преимущественно обратная. Благодаря высокой плотности тока статическая характеристика дуги — возрастающая (см. рис. 2.3): 43 p g = +0,01 ... + 0,1 В. Характеристика условной рабочей нагрузки по требованиям ГОСТ Р МЭК 60974-1—2004 соответствует уравнению С/ р = 14 + д Зажигание дуги коротким замыканием происходит при непрерывной подаче проволоки. В установившемся процессе поддержание дуги достигается благодаря использованию явления саморегулирования, которое будет подробно рассмотрено в подразд. 3.1.2. Для сварки в углекислом газе характерно значительное разбрызгивание электродного металла. При сварке в углекислом газе для простейшего источниками нимальный состав требований сводится к выбору наклона внешней характеристики, напряжения холостого хода, индуктивности и диапазона регулирования сварочного напряжения. Внешняя характеристика такого источника состоит из двух участков — подпитки 1 и жесткого основного 2, а иногда всего только из участка 2 (риса. Наклон участка 2 настраивается так, чтобы, с одной стороны, обеспечить устойчивость системы источник дуга, что требует крутого наклона, ас другой — достичь высокого быстродействия системы саморегулирования, что вынуждает к использованию пологого наклона. Поэтому обычно наклон назначается на основе компромисса между двумя этими требованиями в интервале +0,04...-0,07 В. Характеристики с таким наклоном согласно ГОСТ Р МЭК 60974-1—2004 относятся к жестким. У простейшего источника без подпитки при таком наклоне напряжение холостого хода незначительно отличается от настроенного сварочного, поэтому установление процесса при зажигании дуги затруднено и происходит только после многочисленных обрывов и коротких замыканий. В тоже время ток короткого замыкания при таком наклоне очень велики превышает сварочный в 2 — 5 раз, Рис. 2.16. Внешние характеристики простейшего (аи современного (б) источников для механизированной сварки 44 Н что способствует энергичному перегоранию вылета электродной проволоки и, следовательно, установлению дугового процесса. Поскольку ток короткого замыкания ограничен сопротивлением вылета, а его длительность обычно не превышает 1 с, источник вполне выдерживает такую перегрузку. Заметно улучшается установление процесса и при введении подпитки с напряжением холостого хода 80... 100 В для участка 1. Управление переносом электродного металла в целях уменьшения его разбрызгивания в таких упрощенных конструкциях обычно ограничивается выбором индуктивности сглаживающего дросселя. Сварочное напряжение настраивается в интервале 15...44 В смещением участка 2 вниз- вверх. Как известно, наилучшее соотношение между током 1 ду и напряжением J7 gy , необходимое для качественного формирования шва и приемлемого разбрызгивания металла, задает характеристика условной рабочей нагрузки U p = 14 + д В подразд. 3.1.2 будет показано, что сварочный ток настраивается не в источнике, а в подающем механизме изменением скорости подачи проволоки v UOA . От этой скорости и зависит положение статической характеристики саморегулирования (АРДС), на пересечении которой с участком 2 получаем точку В, характеризующую сварочный режим. У современного источника для механизированной сварки плавящимся электродом внешняя характеристика имеет четыре участка (рис. 2.16, б, но при большом сходстве с рис. 2.15, б их параметры и назначение участков (кроме участка подпитки 1) не совпадают. Жесткий основной участок 2 обычно формируется системой автоматической стабилизации, содержащей в своем составе полупроводниковый регулятор напряжения. С помощью этого регулятора участок 2 смещается по вертикали, за счет чего и настраивается сварочное напряжение. Участок отсечки 3 ограничивает предельное значение сварочного тока, благодаря чему защищает источник от перегрева, а тонкую деталь — от прожога. Участок форсирования 4 необходим для независимой настройки тока короткого замыкания. Это может оказаться полезным для управления переносом электродного металла или для облегчения установления процесса вначале сварки. При сварке плавящимся электродом в аргоне дуга значительно устойчивей, крупнокапельный перенос при низких токах идет гораздо спокойней, а более благоприятный струйный перенос достигается простыми технологическими приемами (увеличением плотности тока, нанесением активирующих покрытий на проволоку. Поэтому при аргонодуговой сварке используют источники с пологопадающей характеристикой (р и = -0,07...-0,2 В. Иногда для управления переносом используют импульсно-дуговую сварку. Источники для автоматической сварки под флюсом Сварка под флюсом выполняется проволокой диаметром 1 ...6 мм на токе. .2 000 А при напряжении 25...60 В. Зажигание дуги осуществляется коротким замыканием с отводом или перегоранием электрода. Расплавленный шлак шунтирует дугу, что несколько снижает ее устойчивость. Статическая характеристика дуги (см. рис. 2.3) жесткая или возрастающая р д = 0...+0,05 В. График условной рабочей нагрузки по требованию стандарта соответствует уравнению С/ р = 20 + да притоке более 600 А — постоянной величине 44 В. Для поддержания непрерывного горения дуги при сварке электродом диаметром до 5 мм используют явление саморегулирования, при большем диаметре применяют автоматическое регулирование напряжения дуги, что будет пояснено в под- разд. 3.2.2. Требования к источнику существенно различаются в зависимости от способа поддержания дуги. При сварке аппаратом с постоянной скоростью подачи проволоки, работающим по принципу саморегулирования (АРДС), источник должен иметь жесткую характеристику с р и = -0,01 ...-0,07 В/А риса. При этом обеспечивается достаточная устойчивость системы источник—дуга и высокое быстродействие процесса саморегулирования. Из-за шунтирующего действия расплавленного шлака напряжение холостого хода U x приходится увеличивать до. . 141 В. Поскольку такое напряжение опасно, необходимо снабжать источник устройством для его выключения сразу после прекращения сварки. При жесткой характеристике ток короткого замыкания сравнительно большой — к (д, это иовыша- Рис. 2.17. Внешние характеристики источника для автоматической сварки аппаратами систем АРДС (аи АРНД (б ет надежность зажигания. Регулятор источника используется для настройки напряжения дуги. На риса видно, что при увеличении напряжения холостого хода от U xl до U x2 сварочное напряжение возрастает от U gl до U g2 . Приуменьшении сопротивления источника или изменении наклона его характеристики от р и2 до р и напряжение увеличится от U g2 до U g3 . Сварочный ток настраивается с помощью системы АРДС регулятором скорости подачи проволоки, что будет показано в подразд. При сварке аппаратом с автоматическим регулированием напряжения дуги (АРНД) источник должен иметь падающую характеристику с р и = -0,07...-0,3 В (рис. 2.17, б При этом обеспечивается устойчивость системы источник—дуга и стабильность тока, тогда как автоматический регулятор гарантирует высокое быстродействие и стабилизацию напряжения дуги. Напряжение холостого хода источника должно быть высоким — U x = 80... 141 В, а сила тока короткого замыкания сравнительно небольшой — к = = (1,5... 2) J g , поскольку зажигание выполняется с отводом электрода от детали. Регулятор источника используется для настройки тока. На рис. 2.17, б показано, что при увеличении напряжения холостого хода от U xl дои уменьшении сопротивления источника от Z h2 до Z h3 ток увеличивается отд до д и до д Напряжение дуги настраивается регулятором автомата, как будет показано в подразд. Технические характеристики источника питания Для конкретного источника технические характеристики приводятся в документации, прилагаемой к нему. Часть параметров регламентирована стандартом на соответствующий тип источника, остальные получают при испытании его электрических характеристики тех нико-экономических показателей. Перечислим основные параметры источников. Номинальный ток ном — главный параметр, на который рассчитывается источник, — выбирают из рекомендованного ряда номинальных токов по ГОСТ 10594—80 Оборудование для дуговой, контактной, ультразвуковой сварки и для плазменной обработки. Ряды параметров 50; 80; 125; 160; 200; 250; 315; 400; 500; 630; 800; 1 000; 1 250; 1 600; 2 000; 2 500; 3 150; 4 000 и 5 000 А. Номинальное напряжение ном, например, при ручной дуговой сварке вычисляется по соотношению U UOM = 20 + 0,04/ ном Пределы регулирования тока включают в себя минимально допустимое / gmin и максимально допустимое / дтах значения тока, получаемые при крайних положениях регулировочных устройств и условной рабочей нагрузке. Например, трансформатор марки ТДМ-317 с номинальным током 315 А имеет пределы регулирования тока 60...370 А. Пределы регулирования напряжения указываются у источников для механизированной сварки в защитном газе. Например, выпрямитель марки ВДГ-303-3 с номинальным напряжением 40 В имеет пределы регулирования рабочего напряжения 16...40 В. Напряжение холостого хода U x , например, для работы в среде без повышенной опасности поражения электрическим током при ручной дуговой сварке на переменном токе не должно превышать 80 В, на постоянном токе — 113 В, при автоматической сварке под флюсом — 141 В. Напряжение питания источника соответствует напряжению сети и принимается равным 220 или 380 В. Относительная продолжительность нагрузки ПН указывается для источников ручной сварки, работающих в перемежающемся режиме, номинальное значение ПН обычно составляет 60 % при времени цикла 5 мин, но для переносных источников монтажного и бытового назначения может быть снижено до 20 Относительная продолжительность включения ПВ указывает- оя у источников для механизированной сварки, работающих в повторно-кратковременном режиме, и обычно составляет 60 % при времени цикла 10 мин. Коэффициент полезного действия (КПД) приводится для номинального режима. Коэффициент мощности cos ср указывается для трансформато ров. Масса приводится в килограммах. Габаритные размеры приводятся в миллиметрах в следующем порядке длинах ширина х высота. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ. Каковы электрические свойства дуги постоянного и переменного тока. Что представляют собой статическая характеристика дуги и внешняя характеристика источника. Какие существуют типы источников питания и как расшифровывается обозначение ВДГМ-1601 Т. Каковы динамические свойства системы источник — нагрузка. Какими сварочными свойствами характеризуются источники питания 6. Каковы приемы улучшения сварочных свойств источника питания надежности зажигания устойчивости процесса регулирования режима характера переноса электродного металла качества формирования шва. Каковы требования к источнику питания для дуговой сварки плавящимся электродом ручной механизированной автоматической. Каковы технические характеристики источников питания СВАРОЧНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ. Назначение, классификация, достоинства и недостатки Сварочный трансформатор обеспечивает дугу переменным током пониженного, в сравнении с сетевым, напряжения. Трансформаторы используются только при ручной сварке покрытым электродом и автоматической сварке под флюсом, поэтому, как правило, имеют падающую внешнюю характеристику. С помощью трансформатора настраивается один из энергетических параметров режима сварки при ручной сварке ток, в большинстве случаев автоматической сварки — напряжение. Требования к конструкции и техническим характеристикам трансформаторов изложены в ГОСТ 95—77 Трансформаторы однофазные однопо стовые для ручной дуговой сварки. Общие технические условия и ГОСТ 7012—77 Трансформаторы однофазные однопостовые для автоматической дуговой сварки под флюсом. Общие технические условия. Регламентируемые стандартами технические характеристики трансформаторов приведены в табл. 2.2 и В зависимости от принципа настройки режимов различают трансформаторы с амплитудными фазовым регулированием. При амплитудном регулировании изменяют напряжение или индуктивное сопротивление трансформатора, за счет чего настраивается сварочный ток или напряжение. Кривая тока при этом получается близкой к синусоиде, те. почти не искажается в сравнении с кривой питающего напряжения. При фазовом регулировании с помощью тиристорного регулятора на дугу подается часть синусоиды, при изменении угла проводимости тиристоров ток увеличивается или уменьшается. Кривая сварочного тока при этом существенно отличается от синусоиды. В зависимости от характера распределения магнитного потока различают трансформаторы с нормальными увеличенным рассе- 49 пульсные воздействия могут генерироваться источником для управления переносом электродного металла (риса и формированием сварного шва (рис. 2.6, б Чаще пульсирующий характер питающего напряжения отрицательно влияет на устойчивость сварочного процесса. Такое напряжение имеют, например, трехфазные сварочные выпрямители (рис. 2.6, в и особенно однофазные выпрямители без сглаживающего фильтра (рис. 2.6, г. В режиме непрерывного переходного процесса идет сварка дугой переменного тока (рис. 2.6, д. Сварочные свойства источников питания Общее понятие о сварочных свойствах дадим при анализе работы источника в технологическом процессе дуговой сварки, входе которого он выполняет следующие основные функции обеспечивает зажигание дуги поддерживает устойчивое горение дуги; н используется для настройки (регулирования) режима. Кроме того, источник, опосредованно через дугу воздействуя на технологический процесс, выполняет дополнительные функции: н способствует благоприятному характеру переноса электродного металла; н способствует качественному формированию шва. При разработке и выборе источника питания важно знать, хорошо ли он выполняет перечисленные функции, как влияет на качество сварки — иначе, какими он обладает сварочными свойствами. При этом следует учитывать, что кроме источника питания на качество сварки оказывают влияние квалификация сварщика, свойства сварочных материалов, параметры дуги и технологического процесса в целом, а также внешние условия сварки. Поэтому оценку сварочных свойств следует выполнять при четко регламентированных стандартом условиях. Сварочное свойство источника — это зависящее от его электрических характеристик качество выполнения одной из функций, связанных с обеспечением технологического процесса сварки. Охарактеризуем сварочные свойства в порядке перечисления названных функций, выполняемых источником. Надежность зажигания дуги является важным свойством источника, поскольку влияет на качество начального участка шва, а при сварке короткими швами — и на производительность. Подначальным зажиганием дуги понимают процесс возбуждения дуги вначале сварки. Практическое применение при дуговой сварке нашли два способа начального зажигания коротким замыканием дуги на деталь и высоковольтным искровым разрядом. Зажигание дуги коротким замыканием, точнее разрывом цепи короткого замыкания, внешне выглядит довольно просто (рис. 2.7). Прикасании электродом детали ток короткого замыкания достигает сотен ампер. Сначала короткого замыкания (точка 1) напряжение источника резко уменьшается до сравнительно низкой величины Пик. Ток короткого замыкания быстро возрастает до установившегося значения к. Интервал короткого замыкания завершается (точка 2) в результате отвода электрода или разрушения перемычек между электродом и изделием. После разрыва цепи короткого замыкания в течение времени t gY идет стадия установления дугового разряда. Напряжение источника скачком увеличивается до начального значения напряжения дуги U gw а затем более плавно по мере отвода электрода возрастает до установившегося значения и и = U g (точка 3). Ток после короткого за- Рис. 2.7. Зажигание дуги коротким замыканием: а — кинограмма б, в — осциллограммы напряжения и тока соответственно мыкания резко спадает и достигает установившегося значения д Вначале стадии дугового разряда ток создается движением первичных носителей (электронов и ионов, возникших в результате разрыва цепи короткого замыкания. Источником первичных электронов может служить автоэлектронная эмиссия с катода, потому что в начальной стадии разведения электродов напряженность электрического поля между ними весьма велика. Первичные электроны возникают ив результате термоэлектронной эмиссии с катода, поскольку при плавлении и испарении перемычки металл на поверхности электрода сильно перегрет. Наконец, пар металла, образовавшийся между электродами при такой температуре, достаточно электропроводен благодаря частичной ионизации. При последующем увеличении числа носителей тока возникает самостоятельный дуговой разряд. Оценим условия надежного зажигания. На первой стадии необходимо обеспечить энергичный разрыв цепи короткого замыкания. При недостаточной плотности сварочного тока в электроде (менее 20 А/мм 2 ) жидкие перемычки между электродом и деталью не разрушаются, а застывают. Такое «примерзание», или прилипание, электрода можно предотвратить его резким отводом или кратковременным изменением тока. Горячий пуск — это начальное увеличение тока в 1,5 — 2 раза в сравнении со сварочным током д. Естественное превышение тока короткого замыкания над сварочным враз, наблюдающееся при механизированной сварке плавящимся электродом, также гарантирует отсутствие прилипания Результат дает и прием противоположного смысла — холодный или мягкий) пуск, те. начальное снижение тока до 0,1...0,3 от установленного значения. В этом случае металл в перемычках вообще не плавится, поэтому прилипания не наблюдается. На второй стадии важно, чтобы напряжение источника было достаточным для питания дуги (Си > U g ). У малоинерционных источников, таких как диодные выпрямители, восстановление и и происходит практически мгновенно. Поэтому для них справедливо соотношение, полученное из статических характеристик источника и дуги — формулы (2.3) и (из которого следует, что для надежного зажигания следует увеличивать напряжение холостого хода источниках и снижать его сопротивление Z H , а также ограничивать начальную длину дуги д Проблема осложняется для источников с большой электромагнит Рис. 2.8. Схема зажигания дуги высоковольтным разрядом ной инерцией, например генераторов, у которых восстановление ЭДС после короткого замыкания идет медленно, что может привести к чрезмерному провалу тока до J min , а в результате — к обрыву дуги. Зажигание дуги высоковольтным разрядом иллюстрирует рис. 2.8. Параллельно основному источнику подключается вспомогательный высоковольтный источник малой мощности, который по соображениям безопасности выполняется импульсным или высокочастотным (частота 100 кГц. Назначение высоковольтного источника — пробить искрой, те. ионизировать межэлектродное пространство, по которому затем пойдет сварочный ток. Механизм пробоя можно представить следующим образом. Высоковольтный источник создает между электродами мощное электрическое поле напряжением в несколько тысяч водьт. Свободный электрон разгоняется полем и при столкновении с нейтральными частицами ионизирует их. При этом образуется лавина электронов, летящих к аноду, и облако положительных ионов, медленно движущихся к катоду. В результате возникает стример — плазменный канал, состоящий из заряженных частиц. В момент приближения стримера к катоду из последнего вырывается рой электронов. Происходит пробой газового промежутка, между электродами образуется ионизированный плазменный канал, по которому начинает протекать ток от основного источника. Под действием тока основного и вспомогательного источников происходит разогрев электродов и развитие эмиссии с катода. Когда токи напряжение основного источника становятся достаточными для существования самостоятельного дугового разряда, вспомогательный источник отключают. зо Для повышения надежности зажигания нужно увеличивать напряжение высоковольтного источника или снижать длину дуги д При распространенной длине дуги 2... 5 мм напряжение высоковольтного высокочастотного источника — осциллятора — должно составлять не менее 2000...5000 В. Устойчивость процесса и стабильность режима оказывают непосредственное влияние на качество шва. Устойчивость оценивается в несколько этацов. Сначала проверяется принципиальная устойчивость, те. устойчивость при малых возмущениях, естественным образом возникающих из-за незначительных колебаний параметров режима даже при аккуратном перемещении дуги рис. 2.9). Статические характеристики дуги и источника пересекаются в точках равновесия Ли В, где мощность, подаваемая источником, равна мощности, потребляемой дугой. Выясним, устойчиво ли это равновесие, например, в точке В при малом возмущении, вызвавшем уменьшение тока Ад При этом состояние дуги станет отражаться точкой В 1г а источника — точкой В, причем U B 1 < U B2 . Следовательно, равновесие энергетической системы источник—дуга будет нарушено — источник выделяет энергии больше, чем потребляет дуга. Поэтому сварочный ток будет увеличиваться, пока не восстановится до исходного значения в точке В Таким образом, возмущение потоку отрабатывается успешно, и точка В является точкой устойчивого равновесия системы. Проверим поведение системы в точке А при таком же небольшом уменьшении тока Ад Под действием возмущения состояние дуги станет отражаться точкой Ага источника — точкой А. В этом случае источник выделяет энергии меньше, чем нужно дуге, поэтому ток будет продолжать уменьшаться до обрыва дуги. Следовательно, точка А отражает состояние неустойчивого равновесия системы. Рис. 2.9. Оценка принципиальной устойчивости системы источник—дуга 31 Выясним причину устойчивости системы в точке В и отсутствия устойчивости в точке Л. Очевидно, это объясняется тем, что в отличие от точки Л наклон статической характеристики источника в точке В круче, чему дуги. Как известно, наклон характеристик источника и дуги принято оценивать величиной дифференциальных сопротивлений р и = dU^/dI g и р д = dU g /dI g . Приведем примеры типичных численных соотношений р и и р д в точках Аи В Пусть в точке В для крутопадающей внешней характеристики источника р иВ = -0,2 В/А, а для пологопадающей характеристики дуги р дВ = -0,08 В, те. для точки устойчивого равновесия В р д >р и . Напротив, для точки неустойчивого равновесия А, где, например, пересекаются пологопадающая характеристика источника с Рид = -0,1 В и крутопадающая характеристика дуги с р дА = = -0,3 В, соотношение дифференциальных сопротивлений иное, а именно р д < р и. Поэтому в качестве косвенного критерия принципиальной устойчивости системы принята разность дифференциальных сопротивлений дуги и источника, названная коэффициентом устойчивости ку Условие устойчивости имеет виду Р др и > 0 . ( 2 . 6 Для повышения запаса устойчивости системы, те. для увеличения ку следует увеличивать дифференциальное сопротивление дуги р д и уменьшать дифференциальное сопротивление источника р и Устойчивость системы источник—дуга при больших возмущениях оценивают, если уже обеспечена устойчивость при малых возмущениях. Наиболее распространенными считаются возмущения по длине дуги и напряжению питающей сети. Влияние большого возмущения длины дуги Ад на устойчивость системы и стабильность параметров режима сварки рассмотрим с помощью риса Пусть в исходном состоянии равновесие системы отражается точкой 1. При увеличении длины дуги на А1 д ее напряжение согласно формуле (2.1) возрастет на AU g = ЕСТ Ад Таким образом, отклонение напряжения дуги не зависит от характеристик источника, а определяется только стабильностью длины дуги. Возмущение приведет к смещению статической характеристики дуги вверх на A U g . Равновесное состояние системы будет отражаться точкой 2, следовательно, ток уменьшится на Ад д да это из-за снижения мощности дуги может привести к ее обрыву, тек нарушению устойчивого течения сварочного процесса. Способность дуги к значительному удлинению без обрывов называется эластичностью Эластичность оценивают Рис. 2.10. Оценка устойчивости при больших возмущениях по длине дуги а, б и напряжению холостого хода (в) разрывной длиной дуги при ее плавном удлинении. Очевидно, что для повышения эластичности дуги нежелательно значительное снижение тока при ее удлинении. Величина отклонения Ад зависит от наклона внешней характеристики источника. Рис. 2.10, б иллюстрирует систему, отличающуюся от описанной риса только более пологим наклоном внешней характеристики источника. Видно, что при одинаковых AU g в случае пологого наклона отклонение Ад значительно больше. Таким образом, для повышения устойчивости системы наклон характеристики источника следует делать более крутым. Это достигается, например, использованием стабилизированного источника с обратной связью потоку, который имеет крутопадающую или даже вертикальную внешнюю характеристику. Рассмотрим влияние колебаний напряжения сети на устойчивость. Такие колебания у нестабилизированного источника приводят к пропорциональному изменению напряжения холостого хода. Особенно опасно его снижение AU X (рис. 2.10, в Видно, что при таком возмущении система из состояния, отражаемого точкой 1, переходит к состоянию, отражаемому точкой 2. При этом ток уменьшится, что может привести к обрыву дуги. Поэтому при значительных колебаниях напряжения сети следует стабилизировать напряжение источника за счет обратных связей по сварочному или сетевому напряжению. Стабильность энергетических параметров режима — тока и напряжения — имеет смысл рассматривать только после того, как будет установлена устойчивость системы при малых и больших возмущениях. Стабильность обычно характеризуется относительными отклонениями от установленных значений тока А1 д /1 д и на- зз пряжения AUg/Ug (или их процентными значениями (А1 д /1 д )100 иди iiдii)i 100). Как уже отмечалось, для стабилизации напряжения следует ограничивать колебания длины дуги. Для стабилизации тока, кроме того, необходимо стабилизировать напряжение холостого хода источника и увеличивать наклон его внешней харак теристики. Эффективность настройки (регулирования) параметров режима характеризует источник потому, что обычно ток или напряжение дуги, оказывающие влияние на производительность и качество сварки, настраиваются регулятором источника. Общий принцип настройки режима любых источников может быть изложен безотносительно к их устройству и принципу действия. Поскольку в статическом режиме напряжение источника, определяемое по формуле (2.3), равно напряжению дуги: выражение для настройки силы тока имеет вид Из выражения (2.7) следует, что для увеличения силы тока нужно увеличить напряжение холостого хода U x или снизить сопротивление источника В общем случае и источники дуга являются нелинейными электрическими элементами, поэтому параметры режима определяют графически — по пересечению статических характеристик источника и нагрузки (рис. 2.11). Поскольку из технологических соображений напряжение дуги с ростом тока обычно увеличивают, характеристику дуги заменяют возрастающим графиком условной рабочей нагрузки U p = f(I g ). На пересечении этого графика с крайними характеристиками источника (соответствующими минимальному U xmin и максимальному U xmax напряжению холостого хода и минимальному Z nmin и максимальному Z nmax внутреннему сопротивлению) получают минимально допустимый J gmin и максимально допустимый J gmax токи. И сточник можно характеризо вать диапазоном регулирования I gmin —J gmax или кратностью регулирования тока 7 gmax // gm Большинство серийных источников обеспечивает плавное регулирование, но иногда регулятор позволяет изменять U x или только дискретно. Например, число отпаек от обмоток при витко- вом регулировании неэкономично делать слишком большим Рис. 2.11. Настройка тока изменением напряжения холостого хода (аи сопротивления (б) источника В данном случае регулирование получается ступенчатым, при этом разрыв между смежными значениями токов не должен превышать 7,5 % от большего из этих значений. Для увеличения кратности регулирования плавное регулирование иногда дополняют ступенчатым на 2 — 3 ступени, при этом диапазоны регулирования ступеней должны перекрываться. Режим работы источника, те. характер изменения нагрузки во времени, учитывается при конструировании и эксплуатации источника, в частности по условиям нагрева его токоведущих и изоляционных элементов. Степень нагрева проводников и изоляции источника зависит не только от величины тока, но и от характера его изменения во времени i g (t). Различают продолжительный, повторно-кратковременный и перемежающийся режимы работы источника. При продолжительном режиме нагрузка считается постоянной и длительной (риса. Температура нагрева внутренних элементов источника нарастает по экспоненциальному закону ив течение нескольких минут достигает максимума, при котором выделение теплоты и ее отвод в окружающее пространство уравновешиваются (рис. 2.12, б Если притоке температура нагрева Т равна допустимой Г доп , назначенной по соображениям обеспечения достаточной термостойкости элементов источника, то источник можно эксплуатировать притоке не выше / 2 , который называется номинальным ном. При большем токе 1 { источник будет перегреваться до температуры Гни может выйти из строя из-за повреждения изоляции. При меньшем токе / 3 источник используется не на полную мощность (температура нагрева Г н3 ). 35 |