Общая характеристика систем регулирования сварочных дуг

Параметры режима горения дуги (I, U_д) определяются точкой пересечения внешней характеристики источника с характеристикой потребителя. При сварке неплавящимся электродом такой характеристикой является ВАХ дуги, соответствующая определенной ее длине и иным условиям.

При сварке плавящимся электродом ВАХ не может достоверно характеризовать дугу, поскольку ее длина вследствие расходования электрода подвержена значительным изменениям. В этом случае вместо ВАХ пользуются так называемыми линиями устойчивых режимов, представляющими собой зависимость между усредненными значениями тока и напряжения дуги в системе, образованной дугой и механизмом подачи электрода. Вид линии устойчивых режимов зависит от того, какая принята система регулирования дуги.

Назначение системы регулирования при сварке плавящимся электродом -обеспечить устойчивый стационарный (точнее, квазистационарный) процесс горения дуги в условиях непрерывного расходования электродного материала. Такой процесс возможен лишь при равенстве за достаточно продолжительный промежуток времени средних скоростей плавления и подачи электрода:

. (2.1)

Скорость плавления электрода является сложной функцией большого числа факторов, главные из которых – ток и напряжение горения дуги. С достаточной для практики точностью зависимость между скоростью плавления и параметрами горения дуги можно считать линейной:

, (2.2)

где k_i – коэффициент саморегулирования по току, см/c·A; k_u – коэффициент саморегулирования по напряжению, см/c·В.

В процессе сварки ток и напряжение дуги должны изменяться таким образом, чтобы обеспечивалось условие (2.1).

В технике автоматической дуговой сварки применяются, в основном, 2 вида систем регулирования:

– системы с зависимой от напряжения дуги скоростью подачи электрода;

– системы с независимой (постоянной) скоростью подачи электрода.

В системах первого типа электрод подается с тем большей скоростью, чем выше напряжение дуги. Предположим, что в некоторый момент времени в результате какого-либо случайного внешнего воздействия произошло нарушение равенства (2.1) так, что V_пл > V_э. Это приведет к тому, что длина дуги будет увеличиваться, вызывая увеличение напряжения дуги, а значит и скорости подачи электрода. Увеличение скорости подачи будет происходить до тех пор, пока равновесие не восстановится. Если в результате нарушения равновесия V_пл < V_э, напряжение дуги будет снижаться, что вызовет соответствующее снижение скорости подачи. Таким образом, данная система стремится поддерживать постоянным напряжение дуги.

Не вдаваясь в подробный анализ свойств системы, отметим, что линия устойчивых режимов для нее соответствует уравнению

, (2.3)

где U_р – задаваемое регулятором системы напряжение дуги, В; k_P – коэффициент усиления системы, см/с·В.

Из (2.3) следует, что точность поддержания U_д тем выше, чем больше коэффициент усиления системы регулирования, т.е. чем она чувствительней. В частности, при k_P → ∞ U_д = U_р = const, система обеспечивает инвариантность напряжения дуги от изменения тока. Поскольку это достигается за счет соответствующего воздействия на скорость подачи электрода, данную систему следует отнести к числу систем принудительного регулирования.

Эффективность систем с зависимой скоростью подачи электрода достаточно высока лишь в том случае, когда частота внешних воздействий, вызывающих нарушение равновесия, не является слишком высокой. В частности, при капельном переносе металла, сопровождающемся периодическими замыканиями с частотой в десятки герц и выше, такие системы оказываются неработоспособными.

В системах второго типа, используется свойство саморегулирования (самовыравнивания) дуги с плавящимся электродом. В этих системах скорость подачи электрода является постоянной и не зависит от параметров горения дуги.

В установившемся режиме V_э = V_пл. Допустим, что это равновесие по какой-либо причине нарушилось, и теперь V_э < V_пл. Вследствие удлинения дуги ее напряжение возрастет, а ток соответственно снизится, что согласно уравнению (2.2) вызовет уменьшение скорости плавления до восстановления равновесия. При V_э > V_пл, наоборот, будет наблюдаться снижение напряжения дуги и увеличение тока, а значит скорость плавления электрода будет возрастать. Таким обрезом, при определенных условиях дуга сама, без какого-либо регулятора, способствует поддержанию устойчивого равновесия, вследствие чего систему с постоянной скоростью подачи электрода называют системой саморегулирования. Уравнение линии устойчивых режимов системы саморегулирования имеет вид

. (2.4)

Первый член в выражении (2.4) определяется лишь установленной скоростью подачи электрода и представляет собой как бы заданное значение сварочного тока:

. (2.5)

В таком случае величину можно рассматривать как отклонение тока от заданного значения I_З вызванное влиянием напряжения дуги. Очевидно, что это отклонение будет тем меньше, чем меньше величина k_u. Поскольку для реальных условий отклонение обычно не превышает 5–10 % от заданного тока, можно считать, что система с независимой подачей электрода с некоторой точностью поддерживает неизменной величину сварочного тока.

Линии устойчивых режимов рассмотренных систем регулирования, соответствующие уравнениям (2.3) и (2.4), показаны на рис. 2.1.

Системы с зависимой скоростью подачи электрода по причине их низкого быстродействия могут применяться лишь при сварке под слоем флюса, где частота капельного переноса металла относительно невелика. К числу систем, реализующих принцип зависимой подачи электрода, условно можно отнести также ручную дуговую сварку покрытыми электродами.

Рис. 2.1. Линии устойчивых режимов для системы с зависимой от напряжения дуги скоростью подачи электрода (1) и системы саморегулирования (2)

При оценке регулировочных свойств источников питания на практике обычно пользуются одной из стандартных форм записи уравнения (2.3):

U_д = 20 +0,04I для I < 600 А; (2.6)

U_д = 40 +0,005 для I ≥600 А. (2.7)

Системы саморегулирования применяются во всех случаях автоматической и полуавтоматической сварки в среде защитных газов, а также в ряде случаев при сварке под слоем флюса или порошковой проволокой. Поскольку коэффициенты саморегулирования сильно зависят от условий сварки (материала и сечения электрода, его вылета, состава защитной среды и т.д.), стандартной формы записи уравнения (2.4) не существует.