Зварювальні пристрої

Зварна дуга – це один з видів стійкого електричного розряду через газовий шар нейтральних атомів, іонів і електронів. Дуговий розряд характеризується великою щільністю струму і високою температурою. В дуговому розряді спостерігається нерівномірний розподіл електричного поля у міжелектродному просторі, який складається з трьох областей: катодної, анодної і стовпа дуги. Такий розподіл областей пов’язаний з тим, що технологічно неможливо, щоб дуга безпосередньо контактувала з електродами, оскільки температура кипіння останніх значно нижче температури стовпа. Зважаючи на це напруга дуги U_Д визначається падінням наруг на катодній U_К, анодній області U_А і безпосередньо на стовпі дуги U_СТ:

. (1)

Напруга стовпа дуги розраховується за струмом дуги І_Д і статичним опором стовпа дуги R_CT:

. (2)

Дуга має криволінійну статичну характеристику і тому є нелінійним навантаженням. На статичній ВАХ (СВАХ) дуги, рис. 2, виділяють три ділянки: падаючу І, жорстку ІІ, зростаючу ІІІ.

Рис. 2. Статична ВАХ дуги

Нахил ділянок СВАХ оцінюється диференційним опором R_Д. На падаючій ділянці R_Д < 0, на жорсткій R_Д ≈ 0, на зростаючій R_Д > 0. На падаючій ділянці зменшення напруги пов’язане зі значним збільшенням площі перерізу стовпа дуги S_CT і його електропровідності, на жорсткій ділянці площа перерізу стовпа дуги змінюється пропорційно величині струму, на зростаючій ділянці площа перерізу стовпа дуги залишається незмінною через обмеження діаметру електроду d. Межа між І і ІІ ділянками дуги спостерігається при струмах 50..100 А, меж між ІІ і ІІІ ділянками залежить від площі електроду d, тому визначається густиною струму стовпа дуги 100 А/мм².

Параметри СВАХ дуги налаштовують регулюванням висоти стовпа дуги l і вибором діаметру електроду d: збільшення висоти стовпа дуги l зміщує статичну характеристику у напрямі вищих напруг, збільшення діаметру електрода збільшує довжину жорстокої ділянки СВАХ.

Рис. 3. Вплив висоти стовпа дуги l і діаметру електрода d на статичну ВАХ дуги

В більшості випадків в ході зварювання параметри дуги також змінюються: висота стовпа дуги змінюється за рахунок зміни відстані між електродами, струм дуги – за рахунок коливання напруги живлення джерела і т.д. Якщо значення параметрів за час 10^-3..10^-2 с змінюються несуттєво, баланс між подаванням і відведенням енергії з дуги знаходяться у рівновазі, тому залежність напруги від струму дуги визначається СВАХ. При швидких змінах параметрів рівновага між подачею і відводом енергії дуги настає із запізненням. В цьому випадку для розрахунку зміни струму і напруги дуги використовують динамічну ВАХ (ДВАХ). В процесі зварювання найчастіше змінюється величина струму внаслідок зміни вихідної напруги джерела живлення. Розглянемо випадок, коли струм дуги стрибком змінився зі значення І_Д1 до І_Д2, рис. 4. Режим роботи дуги перед стрибком струму визначається точкою 1 СВАХ з координатами І_Д1, U_Д1, в якій статичний опір стовпа дуги рівний R_СТ1. Напруга дуги для цього випадку розраховується за формулою:

. (3)

Одразу після стрибка струму до значення І_Д2 статичний опір дуги R_СТ1 не встигає змінитись, також залишаються постійними значення потенціалів аноду і катоду. Тому значення напруги дуги стрибком збільшується до величини:

. (4)

Рис. 4. Приклад побудови ДВАХ дуги

Зважаючи на це, ділянка 1-3 ДВАХ дуги є прямою лінією, яка проходить через точку О з координатами (І_Д = 0, U_Д = U_A + U_K) і має нахил, який відповідає значенню статичного опору R_СТ1. Потім струм і напруги системи «дуга-джерело живлення» змінюються в напрямі усталеного значення, яке відповідає точці 2 СВАХ, де напруга знизиться зі значення U_Д3 до U_Д2, а значення струму залишатиметься постійним і дорівнюватиме І_Д2. Тому ділянка 3-2 ДВАХ є вертикальною прямою. При цьому опір стовпа дуги поступово знизиться до значення R_CT2, що призведе до виникнення перехідного процесу.

Для аналізу параметрів перехідного процесу розглядається математична модель дуги. Миттєвий опір стовпа дуги r_CT розраховується за миттєвими значеннями стуму і напруги стовпа дуги і_θ, u_θ, які визначаються по СВАХ, за формулою:

. (5)

Параметри і_θ, u_θ є уявними, оскільки як показано вище миттєві значення струмів і напруг у перехідному режимі відрізняються від значень розрахованих по СВАХ. Реальна напруга стовпа дуги розраховується через миттєве значення стовпа дуги і зварного струму і_Д:

. (6)

В перехідному режимі потужність Р_ДЖ, яка надходить в дугу від джерела живлення і потужність Р_θ, яка відводиться від дуги, не дорівнюють одна одній. У випадку, який ілюструється рис. 4, Р_ДЖ > Р_θ. Тому енергія Q, накопичена в стовпі дуги, зростає:

. (7)

Потужність джерела Р_ДЖ визначається зварним струмом і_Д:

, (8)

а потужність Р_θ визначається через струм і_θ:

. (9)

Підстановка виразів (8) і (9) в (7) дозволяє отримати співвідношення:

, (10)

в якому перший дріб позначається сталою часу Т_Д. Ця величина характеризує теплову та енергетичну інерційність дуги і має порядок 10^-5..10^-3 с. Вона залежить від складу газу і збільшується з ростом об’єму і температури плазми дуги.

Для розглянутого прикладу, струм стрибком збільшується зі значення І_Д1 до І_Д2. Тому початкове значення уявного струм і_θ1 = І_Д1 , а зварний струм в кінці перехідного режиму рівний і_Д = І_Д2. Підставивши ці значення до рівняння (10) і розв’завши його, отримаємо:

. (11)

При t = 0, і_θ = І_Д1, при t → ∞, і_θ = І_Д2, тобто струм і_θ описує реакцію дуги на стрибкоподібну зміну струму джерела живлення. За значенням струму і_θ і СВАХ дуги розраховується напруга дуги, рис. 4. З діаграми вихідної напруги видно, що стрибок струму ΔІ джерела спричинює стрибок напруги дуги ΔU = ΔІ·r_CT.