Особенности сварочных дуг переменного тока

Применение дуги переменного тока в сварочных процессах оправдывается, прежде всего, низкой стоимостью, простотой и высокой эксплуатационной надежностью источников питания – сварочных трансформаторов. В ряде специальных случаев, например, при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом сплавов на основе алюминия и магния, применение переменного тока дает и лучший технологический эффект.

В то же время дуга переменного тока имеет некоторые особенности, оказывающие существенное влияние на выбор оборудования, сварочных материалов и весь ход технологического процесса. В частности, дуга переменного тока имеет более низкие, чем у дуги постоянного тока стабильность и эластичность, что пока препятствует ее применению при сварке неплавящимся электродом в защитных газах. При ручной дуговой сварке, где перенос металла также сопровождается короткими замыканиями, устойчивый процесс возможен лишь при использовании электродов со специальным покрытием.

Процессы, имеющие место в сварочной дуге переменного тока при капельном переносе металла с периодическими короткими замыканиями, достаточно сложна, их изучение выходит за рамки настоящего курса. Поэтому в данном разделе мы будем рассматривать лишь стационарную дугу переменного тока, т.е. такую, длина которой в процессе горения практически не изменяется. Такой режим имеет место, прежде всего, при сварке неплавящимся электродом. При сварке под слоем флюса и порошковой проволокой электрод хотя и расходуется, но длина дугового промежутка в силу особенностей переноса металла изменяется незначительно.
В этих случаях также можно считать, что дуга горит стационарно.

При питании дуги от источника переменного напряжения ток и напряжение периодически изменяют величину и направление. Вследствие этого изменяются полярность электрода и изделия, а также физические условия возникновения, развития и существования дугового разряда.

Перед каждой сменой полярности дуга гаснет. При этом температура плазмы понижается, что вызывает интенсивную деионизацию промежутка и снижение его проводимости. Наряду с охлаждением дугового газа наблюдается и снижение температуры активных пятен, особенно на изделии. В результате этих явлений повторные возбуждения дуги в начале каждого полупериода возможны лишь при напряжениях, больших напряжения горения дуги.

Считают, что при повторных возбуждениях вначале имеет место стадия тлеющего (преддугового) разряда. В таком случае пик зажигания (U_з) есть не что иное, как пик аномально тлеющего разряда.

После возбуждения дуги напряжение ее горения мало зависит от тока и может считаться постоянным (U_г).

Примем, что ток дуги непрерывен и имеет синусоидальную форму. В силу только что названных причин кривая напряжения дуги будет иметь форму, близкую к прямоугольной с кратковременными выплесками-пиками зажигания в начале каждого полупериода (рис. 1.14). Такая кривая помимо основной гармоники, имеющей ту же частоту, что и ток, содержит высшие гармоники, частота которых кратна основной. В частности прямоугольная кривая, симметричная относительно оси абсцисс, разлагается в ряд

, (1.12)

т.е. содержит лишь нечетные гармоники.

Рис. 1.14. Осциллограмма напряжения дуги при синусоидальном токе

Искажение кривой напряжения дуги вызвано тем, что электрическая дуга является нелинейным элементом цепи. Далее будет показано, что при питании дуги от источника с синусоидальным напряжением искажается также, правда в меньшей степени, и кривая тока.

Непрерывность тока дуги (см. рис. 1.15) обеспечивается лишь в том случае, если напряжение источника в моменты ωt = 0, π, 2π,... превышает величину пика зажигания. Поскольку при увеличении длины дуги процессы деионизации происходят интенсивнее, то амплитуда пиков зажигания возрастает, а условия для повторных возбуждений ухудшаются. Поэтому при прочих равных условиях эластичность дуги переменного тока значительно ниже, чем у дуги постоянного тока. Особенно низка эластичность малоамперных дуг переменного тока.

Рассмотрим случай, когда дуга горит между неплавящимся электродом и изделием из какого-либо легкоплавкого материала.

Обычно в качестве материала для неплавящегося электрода используют вольфрам, температура кипения которого (6200 К) значительно превосходит температуры кипения всех известных свариваемых материалов. Поскольку температуры активных пятен близки к температурам кипения соответствующих материалов, условия для протекания процессов возбуждения и горения дуги будут в значительной мере определяться ее полярностью.

В полупериоды прямой полярности, когда катодом является тугоплавкий электрод, имеются благоприятные условия для интенсивной эмиссии электронов с его сильно разогретого активного пятна. Это обеспечивает высокую проводимость промежутка, а значит низкие значения напряжений горения и зажигания дуги.

Условия для возбуждения и горения дуги в полупериоды обратной полярности значительно хуже: температура активного пятна на легкоплавком катоде-изделии недостаточна для того, чтобы обеспечить сколько-нибудь заметную термоэлектронную эмиссию. По этой причине напряжения горения и зажигания дуги в полупериоды обратной полярности заметно выше, чем в полупериоды прямой полярности. Разница между напряжениями горения дуги в полупериодах обратной и прямой полярности при сварке сплавов алюминия в среде аргона составляет обычно 4–10 В.

Особенно сильно различие теплофизических свойств электрода и изделия влияет на амплитуды пиков зажигания. Так, при аргонодуговой сварке алюминия напряжение зажигания дуги в полупериоды прямой полярности лишь незначительно превышает напряжение горения и обычно равно 20–25 В. Напротив, в полупериоды обратной полярности, когда термоэлектронная эмиссия с катода практически отсутствует (Т_к = 2330 К), напряжение зажигания достигает нескольких сотен вольт. Таким образом, кривая напряжения дуги при различии теплофизических свойств материалов электрода и изделия становится несимметричной (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Осциллограмма тока и напряжения при сварке неплавящимся электродом на переменном токе

Вследствие более высокой проводимости ток в полупериоды прямой полярности несколько выше, чем в полупериоды обратной. Разность средних значений тока двух соседних полуволн носит название постоянной составляющей (рис. 1.15). Постоянная составляющая сварочного тока имеет направление от изделия к электроду и может быть измерена амперметром магнитоэлектрической системы. Наличие постоянной составляющей в токе означает, что при различии теплофизических свойств материалов электрода и изделия в цепи с электрической дугой наблюдается вентильный эффект, т.е. частичное выпрямление тока. Очевидно, что этот эффект выражается тем сильнее, чем больше различаются свойства материалов изделия и электрода.

На рис. 1.16 приведена зависимость относительной величины постоянной составляющей тока (I_п) от отношения напряжений горения дуги в полупериоды обратной и прямой полярности, из которой видно, что постоянная составляющая может достигать 70–80 % от действующего значения тока.

Рис. 1.16. Зависимость постоянной составляющей тока от степени асимметрии
кривой напряжения дуги

При сварке плавящимся электродом свойства материалов электрода и изделия практически одинаковы, и вентильный эффект выражен очень слабо. Его проявление в данном случае объясняется лишь различием масс и условий для отвода тепла от активных пятен.

Значительная по величине постоянная составляющая ухудшает условия работы сварочного трансформатора. Кроме того, она может стать причиной плохого формирования шва и появления некоторых дефектов в нем. Поэтому в источниках питания для сварки неплавящимся электродом обычно принимаются меры по ее ограничению или полному подавлению. Рассмотрим два способа, представляющие практический интерес.

Включение последовательно в сварочную цепь конденсаторной батареи позволяет полностью устранить постоянную составляющую, т.к. сопротивление емкости постоянному току бесконечно велико. Анализ показывает, что непрерывность тока, а значит и устойчивое горение дуги, обеспечиваются лишь при индуктивном характере цепи, т.е. при x_C << x_L.

Практически емкость батареи выбирают из расчета 200–400 мкФ на ампер сварочного тока. В этом случае емкостное сопротивление оказывается на порядок меньше индуктивного. При этом влиянием емкости можно пренебречь и для такой цепи справедливы все выведенные ранее соотношения.

Чтобы батарея имела приемлемые габариты, в ней используют специальные электролитические неполярные конденсаторы типа ЭС емкостью 1000 мкФ. В тоже время масса таких батарей очень велика. Так, источник на 300 А должен содержать батарею из 100 таких конденсаторов общей массой около 50 кг, а источник на 500 А – 150 конденсаторов. Поэтому с целью улучшения технико-экономических показателей источников питания отказались от использования конденсаторов и стали ограничивать постоянную составляющую тока путем встречно-параллельного включения в сварочную цепь диода для пропускания полуволны тока обратной полярности и тиристора для пропускания полуволны тока прямой полярности. Момент включения тиристора должен соответствовать некоторому углу φ_кр при котором длительность протекания тока прямой полярности равна половине периода π.

На этой основе во ВНИИЭСО разработано новое диодно-тиристорное устройство ограничения постоянной составляющей тока (рис. 1.17).

Рис. 1.17. Упрощенная схема устройства ограничения постоянной
составляющей тока

При этом во вторичную цепь сварочного трансформатора СТ включен так называемый двухполюсник, состоящий из встречно-параллельно включенных диода VD₁, тиристора VS₁ с линией задержки на включение и резистора R₁. Линия задержки содержит конденсатор C₁, резистор R₂ и переключающий диод VD₂. В полупериод обратной полярности t₁–t₂ сварочный ток беспрепятственно проходит через диод VD₁, напряжение на двухполюснике определяется падением напряжения на диоде ΔU_VD (рис. 1.18). После прекращения тока обратной полярности t₂ наступает пауза основного тока, ток дуги поддерживается через резистор R₁. Напряжение на двухполюснике скачком возрастает до значения U_VS , близкого к значению напряжения холостого хода трансформатора U₂₀ . Начинается заряд конденсатора С₁ через резистор R₂ линии задержки. По истечении заданного времени τ = t₂…t₃ (около 1 мс) включается диод VD₂ и конденсатор разряжается на управляющий переход тиристора VS₁, последний включается и начинается полупериод тока прямой полярности. Напряжение на двухполюснике скачком падает до значения прямого падения напряжения на тиристоре ΔU_VS . Мощность, рассеиваемая на резисторе R₁, незначительна, поскольку резистор пропускает ток только во время задержки на включении тиристора. Сопротивление резистора выбирается из условия поддержания минимального тока дуги.

Устройство не требует переналадки при изменении режима сварки и обеспечивает ограничение постоянной составляющей сварочного тока до уровня не превышающего 10–12%, от действующего значения тока. Она применяется в модернизированных серийных устройствах УДГ-301-1, УДГУ-301, УДГ-501-1 в замен батарей электролитических неполярных конденсаторов.

Рис. 1.18. Осциллограммы тока и напряжения при использовании диодно-тиристорного устройства ограничения постоянной составляющей тока

Зависимость мгновенных значений тока и напряжения дуги переменного тока выражает динамическая ВАХ. Поскольку полный цикл изменения этих переменных при промышленной частоте совершается за 0,02 с, динамическая ВАХ может быть построена лишь по данным осциллограмм тока и напряжения дуги. При определенных условиях ее можно получить на экране электронного осциллографа, подав на горизонтальные пластины сигнал, пропорциональный току, а на вертикальные – напряжение дуги (рис. 1.19)

Рис. 1.19. Схема присоединения осциллографа к сварочной цепи для наблюдения динамической ВАХ дуги

Типичная динамическая ВАХ для дуги W-Al, горящей в аргоне, показана на рис. 1.20, где выявляются все отмеченные выше особенности дуги переменного тока: наличие пиков зажигания (U_з.пр < U_з.обр), вентильный эффект (U_г.пр < U_г.обр; I_т.пр > I_т.обр), совпадение фаз тока и напряжения дуги.

Рис. 1.20. Динамическая ВАХ дуги переменного тока

Особенностью динамической ВАХ дуги переменного тока является несовпадение ее восходящей и нисходящей ветвей – так называемый гистерезис. Это объясняется тем, что изменение температур в областях дуги в силу тепловой инерции отстает от изменений электрических величин – тока и напряжения. Так, в первой четверти периода увеличение тока происходит в условиях более низкой температуры столба дуги, а значит и более низкой проводимости, чем уменьшение тока во второй четверти периода. Поэтому одному и тому же значению тока в области возрастания соответствует большее напряжение дуги, чем в области спада. В общем случае гистерезис сильнее выражен для малоамперных и открытых дуг, чем для мощных и закрытых.

Во всех случаях сварки с использованием дуги переменного тока источник питания должен иметь крутопадающую внешнюю характеристику. Для ее получения последовательно с дугой необходимо включить так называемое балластное сопротивление, на котором падает часть питающего напряжения. При переменном токе балластное сопротивление может быть активным, индуктивным или емкостным.

Цепь переменного тока с дугой и активным балластным сопротивлением показана на рис. 1.21.

Рис. 1.21. Сварочная цепь с активным балластным сопротивлением

Питание цепи осуществляется синусоидальным напряжением, действующее значение которого равно U₀. Поскольку дуга является нелинейным элементом, имеющим к тому же, вследствие вентильного эффекта, несимметричную характеристику, строгий анализ такой цепи достаточно труден и не дает наглядных результатов. Поэтому с целью упрощения задачи примем некоторые допущения: – напряжение горения дуги в течение интервала ее горения не зависит от тока; – кривые тока и напряжения дуги симметричны. Принятие таких допущений означает, что мы пренебрегаем гистерезисом динамической ВАХ дуги, в также вентильным эффектом. Последнее возможно постольку, поскольку при сварке плавящимся электродом вентильный эффект проявляется очень слабо, при сварке же неплавящимся электродом против него принимаются специальные меры. Как показывают эксперименты, ошибка при расчетах, произведенных с принятыми допущениями, обычно не выходит за пределы ±10 %.

Примем за начало отсчета времени момент, когда питающее напряжение равно нулю. Тогда закон его изменения во времени соответствует функции

.

Горение дуги начинается в момент t = t_З, когда напряжение достигает значения напряжения зажигания дуги. После зажигания, согласно принятому допущению, напряжение на дуговом промежутке не изменяется и равно U_г. Когда величина питающего напряжения становится равной напряжению горения, дуга гаснет.

Сварочный ток в интервале ωt_з < ωt < ωt_y изменяется по закону

. (1.13)

Как видно из временной диаграммы (рис. 1.22), в течение каждого полупериода имеются два интервала, где ток равен нулю (дуга не горит).

Прерывистость тока является следствием того, что ввиду активного характера цепи, максимумы тока и питающего напряжения совпадают во времени. Наличие интервалов, когда дуга не горит, приводит к интенсивному охлаждению столба и активных пятен, повышению напряжения зажигания, что в сильной степени снижает устойчивость и эластичность дуги.

Нетрудно убедиться, что для суммарного времени за полупериод, когда дуга не горит, справедливо выражение

. (1.14)

Рис. 1.22. Временная диаграмма тока и напряжений для сварочной цепи с активным балластным сопротивлением

Из выражения (1.14), в частности, следует, что это время может быть снижено повышением питающего напряжения U₀ либо увеличением частоты сети (ω = 2πf). Однако опыты показывают, что приемлемые устойчивость и эластичность дуги могут быть, получены лишь при недопустимо высоком питающем напряжении. Кроме того, включение активного сопротивления вызывает неизбежные тепловые потери, которые тем больше, чем выше питающее напряжение.

Таким образом, применение в качестве балластного активного сопротивления неприемлемо, поскольку не обеспечивает непрерывность горения дуги и снижает экономичность процесса.

Включение в качестве балластного сопротивления конденсаторной батареи тоже не обеспечивает непрерывности горения дуги, поэтому этот случай здесь не рассматривается.

Перейдем к анализу сварочной цепи, где последовательно с дугой включена индуктивность (рис. 1.23).

Рис. 1.23. Цепь переменного тока с дугой и индуктивным балластным
сопротивлением

При анализе данной цепи в дополнение к ранее принятым предположениям будем считать, что ее активное сопротивление равно нулю.

Ввиду индуктивного характера цепи ток и напряжение U₀ сдвинуты по фазе на некоторый угол φ, поэтому к моменту изменения полярности напряжения дуги напряжение источника отлично от нуля.

Благодаря этому, ток в принципе может быть непрерывным. Именно этот случай представлен на временной диаграмме (рис. 1.24).

Рис. 1.24. Временная диаграмма тока и напряжений для сварочной цепи
с индуктивным балластным сопротивлением

Поскольку активное сопротивление цепи принято равным нулю, то приложенное напряжение в любой момент времени уравновешивается суммой напряжения дуги и ЭДС самоиндукции:

. (1.15)

Приняв и решив дифференциальное уравнение (1.15) для начального условия ωt = φ , i = 0 получим

, (1.16)

где x = ωL – индуктивное балластное сопротивление.

Полученное выражение свидетельствует об искажении кривой тока, которая помимо гармонической составляющей – , содержит линейную составляющую, т.е. является несинусоидальной.

Фазовый угол φ, при котором происходит смена полярности дуги может быть определен из (1.16), если воспользоваться условием ωt = φ + π , i = 0 вытекающим из симметричности кривой тока:

. (1.17)

Таким образом, момент изменения полярности дуги определяется лишь отношением напряжения горения дуги к действующему значению питающего напряжения. Попутно отметим, что при U_г = 0 (короткое замыкание дугового промежутка) , как и должно быть в чисто индуктивной цепи.

Итак, при определенных условиях в цепи с балластной индуктивностью кривая тока, а значит и горение дуги могут быть непрерывными. Кроме того, использование в качестве балластного сопротивления индуктивности более экономично, т.к. в идеальной индуктивности отсутствуют потери энергии. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать лишь этот, имеющий практическое значение случай.

Условие непрерывности тока в цепи с балластной индуктивностью может быть выведено исходя из того, что мгновенное повторное возбуждение дуги при изменении полярности возможно лишь в том случае, если напряжение источника в этот момент равно напряжению зажигания или превышает его.

Для первого полупериода (рис. 1.24) это условие может быть записано так:

. (1.18)

В свою очередь, учитывая (1.17), справедливо выражение

. (1.19)

Напряжения зажигания и горения при изменении длины дуги изменяются почти пропорционально, поэтому можно считать, что

. (1.20)

Коэффициент m показывает во сколько раз напряжение зажигания в данных условиях больше напряжения горения дуги, и называется кратностью пика зажигания. Подставив в (1.18) значения для U_φ и U₃ из (1.19) и (1.20) после несложных преобразований получим

. (1.21)

Полученное неравенство (1.21) является математическим выражением условия непрерывности тока. Из него следует, что для получения непрерывного тока, а значит и устойчивой, эластичной дуги даже при (m = 1) напряжение питания должно превышать напряжение горения дуги в 1,32 раза. С увеличением кратности пика зажигания требуемое напряжение питания непрерывно возрастает (рис. 1.25).

Рис. 1.25. Зависимость кратности пика зажигания от напряжения питания

Для обычных условий сварки покрытыми электродами, порошковой проволокой или под слоем флюса m = 2,0–3,5. Значит, действующее значение питающего напряжения должно быть больше напряжения горения дуги в 1,8–2,75 раза.