Николаев Г.А. и др.Сварка в машиностроении - файл n1.doc

Николаев Г.А. и др.Сварка в машиностроении

Доступные файлы (1):

n1.doc

25957kb.

15.02.2014 14:49

скачать

n1.doc

^& t Я ' I * >-^ V ' * Ј-■ *-*. • t tit,' f-' W^ H »^* » I i i ^ * i

Коэффициент усиления усилителя АРНД с учетом всех возмущений по длине дуги



где U_T — напряжение трогания привода (определяется опытным путем), В; U_m — номинальное напряжение якоря привода, В; Veen— номинальная скорость сварки; 1= 1,8 — корректирующий коэффициент; расчет Г_См — см. [11].

Иногда удобнее рассчитывать k_y не по допустимому отклонению глубины про­вара 1/3 (Дйп₀ — hn), а по допустимой величине динамической ошибки по напря­жению АУдо дуги. В этом случае



Этап IV. Расчет оптимальной точности стабилизации напряжения Аи_вЛ сети. Окончательный выбор источника. Источник предварительно выбирают в соот­ветствии g указаниями технологов. Однако для того чтобы обеспечить заданное качество регулирования по шву при возмущениях по напряжению сети, необ­ходимо рассчитать Д«_Со-

С учетом зоны нечувствительности АРНД

Список литературы 41

5. 
   Ильенко Н. А. Методика определения постоянной времени проплавления
   металла. Передовая технология в производстве сварных конструкций. Пермь, 1968
   с. 76-82.
   
6. 
   Каспржак Г. М., Щитова В. М. Структурная классификация и сравнительный
   анализ систем автоматического регулирования процесса дуговой сварки. Труды секции
   электросварки АН СССР. М., Академиздат, 1953, Выл. 1. с. 31—57.
   
7. 
   Микаелян В, Г. Определение статических характеристик дуги при автомати­
   ческой сварке алюминия по флюсу —> Сварочное производство, 1964, № 12, с. 17—20.
   
8. 
   Определение вольтамперных характеристик маломощной сварочной дуги/
   Л Е. Алекин и др. — Автоматическая сварка, 1965, А'а 9, с. 5—7.
   
9. 
   Патон Б. Е., Лебедев В. К. Электрооборудование для дуговой и шлаковой
   сварки. М., Машиностроение, 1966. 359 с.
   

10. 
    Процессы саморегулирования по скрытой составляющей длины дуги при сварке
    неплавящимся электродом в аргоне/ Э. А. Гладков и др. — Сварочное производство.
    1974, № 7, с. 9 — 12.
    
11. 
    Рабинович Л. В. Проектирование следящих систем М., Машиностроение
    1969. 499 с.
    
12. 
    Труды секции электросварки АН СССР. М., Академиздат, 1953, Вып. I. 140 с.
    

Глава 2

источники питания

ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ, НАПЛАВКИ И РЕЗКИ

СВОЙСТВА СВАРОЧНОЙ ДУГИ И ТРЕБОВАНИЯ К ИСТОЧНИКУ ПИТАНИЯ

Общиг сведения. Для плавления металлов используется энергия электрического дугового разряда, возбуждаемого и поддерживаемого в пространстве между элек­тродом и изделием. Свойства и размеры шва зависят от физических условий, в ко­торых существует дуговой разряд, и от свойств источника питания, для кото­рого дуга является нагрузкой.

Проводимость дугового промежутка зависит как от расстояния между изде­лием и электродом, так и от параметров, определяющих физические условия существования дугового разряда — химического состава свариваемого изделия, электродной проволоки и газовой среды, давления и др. Изделия могут отличаться по конструкции и геометрическим размерам. Сварной шов может занимать различное пространственное положение. Для качества шва имеет значение не только количество энергии, поступающее от источника питания в зону сварки, но и закон поступления энергии во времени. Наличие электрического поля между изделием и электродом является необходимым, но не достаточным условием для "возникновения дугового разряда. Для возникновения дугового разряда необ­ходимо, чтобы в электрическом поле имелись свободные электроны, которые, дви­гаясь упорядочение под воздействием сил электрического поля, создавали усло-" бия для ионизации газа в промежутке между изделием и электродом. Свободные "электроны создают искусственно, возбуждая (зажигая) дугу.

Исходя из конкретных условий, связанных со свойствами свариваемых метал­лов и конструкции изделий, с требованиями к качеству сварного шва, со сте­пенью автоматизации процесса сварки, применяют тот или иной способ сварки И тот или иной источник переменного или постоянного тока, обладающий свой­ствами, удовлетворяющими требованиям технологии процесса дуговой сварки Эти свойства называют технологическими свойствами источника питания.

В процессе сварки в энергетической системе, которую представляют источ­ник питания — сварочная дуга — шов, возникают возмущения, которые при­водят к нарушению равновесия в системе и вызывают изменения энергетических параметров системы — напряжения на дуге и тока в сварочном контуре, что отражается на содержании легирующих элементов в шве и на его параметрах. Причинами возникающих возмущений чаще всего являются изменения длимы дуги, изменения напряжения сети, скорости подачи электродной проволоки и т, д. Возмущения могут вызываться и изменениями физико-химических явлений, происходящих в дуговом промежутке. При возмущениях изменяется электриче­ская проводимость пространства между изделием и электродом, что вызывает В системе источник питания — сварочная дуга переходные процессы, так как нарушается установившийся режим работы системы. Во время переходных про­цессов в системе источник питания — дуга энергия электрического поля преобра­зуется в энергию магнитною поля, а также происходят обратные преобразования энергий; часть энергии теряется на тепловые процессы. Характер переходных про­цессов и скорость их протекания зависят от свойств источника питания и усло­вий, в которых горит дуга,

В современной сварочной технике применяют следующие источники питания сварочной дуги: источники питания дуги переменным током — сварочные транс­форматоры общепромышленного назначения и специализированные установки

Свойства сварочной дуги и требования к источникам питания 43

переменного тока для сварки изделий из легких сплавов, алюминия, магния и др., источники питания дуги постоянным током — сварочные выпрямители и сварочные генераторы общепромышленного назначения и специализированные сварочные выпрямительные установки.

Физические явления, протекающие в областях сварочной дуги. Пространство между изделием и электродом, заполненное ионизированным газом, является анизотропной средой, которая как в осевом, так и в радиальном направлениях из-за сложных физико-химических явлений, происходящих при сварке, имеет различные свойства — напряженность электрического поля, температуру, про­водимость и т. д. Дуговой разряд относится к устойчивым электрическим разря­дам, который может существовать длительное время, пока эти условия не будут нарушены каким-либо возмущением. В осевом направлении в дуге различают: столб дуги, центральную часть длиной порядка десятых долей сантиметра и приэлектродные области длиной порядка 10"⁶—10~'^J см. Столб дуги — это иони­зированный газ, содержащий нейтральные молекулы и атсмы газов и паров, сво­бодные электроны и положительные ионы, возникающие при ионизации нейтраль­ных частиц. В пространстве между электродом и изделием, как известно, имеется хаотическое тепловое движение заряженных частиц. Кроме того, свободные элек­троны и положительные ионы (число отрицательных ионов в обычных условиях сварки ничтожно мало) под действием сил электрического поля движутся упоря-доченно. Свободные электроны с большой скоростью перемещаются к аноду, а положительные ионы, движущиеся значительно медленнее, вследствие большой массы — к катоду. При прямой полярности при сварке плавящимся электродом изделие соединяют с «плюсом» источника питания постоянного тока, а электрод или электродную проволоку — с «минусом». В этом случае изделие является анодом, а электрод — катодом. При сварке в углекислом газе из-за сильного разбрызгивания металла плавящегося электрода используют обратную поляр­ность. Движущиеся упорядочение электроны и положительные ионы создают свои магнитные поля. В столбе дуги происходят соударения нейтральных частиц и частиц, несущих электрический заряд, что сопровождается ионизацией газа столба дуги. Степень ионизации составляет несколько процентов. Ионизирован­ный газ с такой степенью ионизации называется низкотемпературной плазмой. На оси столба температура порядка 5000—7000° С. При определенных условиях может быть и выше. Столб дуги квазинейтрален, так как концентрация отрица­тельно и положительно заряженных частиц в единице объема плазмы дуги оди­накова. Суммарный заряд единицы объема равен нулю. Плазма дуги не создает своего электрического поля.

Компоненты смеси газов и паров пространства между изделием и электродом, имеющие более низкий потенциал ионизации, ионизируются в большей степени. С понижением температуры газа возрастает влияние той компоненты смеси, ко­торая обладает наиболее низким потенциалом ионизации — К, Са, Na и др. При горении дуги в столбе дуги наблюдается ступенчатая ионизация. Из-за малой плотности ионного тока энергией, которую передают положительные ионы ней­тральным частицам при столкновении, пренебрегают. Ток в сварочной дуге обус­ловлен в основном упорядоченным движением свободных электронов. Ток дуги —■ это ток проводимости. За положительное направление тока в дуге, (ШСэто при­нято в физике и электротехнике, принимают перемещение частиц, несущих поло­жительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Положи­тельное направление тока противоположно направлению свободных электронов, движущихся между изделием и торцом электродной проволоки под действием сил электрического поля Электрическая проводимость столба сварочной дуги высока, напряженность электрического поля в столбе дуги не высока и составляет 10—35 В/см. Падение напряжения в столбе дуги невелико. Мощность, выделяемая в столбе дуги, в основном (около 80%) рассеивается путем лучеиспускания в ок­ружающее пространство.

Области дуги, в которых температура столба дуги снижается до температуры расплавленного или нагретого металла, называют приэлектродными областями

44 Источники питания для дуговой сварки, наплавки и резки

дуги. В них протекают процессы, резко отличающиеся от процессов в столбе дуги и трудно исследуемые не только теоретически, но и экспериментально.

Энергия, выделяющаяся в этих областях, расходуется на плавление металла изделия и плавящегося электрода или на плавление металла и нагрев вольфра­мового электрода. В приэлектродных областях скапливаются заряженные ча­стицы и возникают пространственные (объемные) заряды. В катодной области скапливаются положительные ионы, а в анодной — электроны. В связи с этим в приэлектродных областях создаются условия для резкого возрастания напря­женности электрического поля. Напряженность в приэлектродных областях порядка (1-г-2) 10^е В/см.

Свободные электроны зарождаются также и в столбе дуги при происходящей там термической ионизации газа. Причинами появления свободных электронов в катодной области являются термоэлектронная и автоэлекгронная (электроста­тическая) эмиссии. Положительные ионы, пришедшие из плазмы столба, ударяясь о поверхность катода, нейтрализуются, отдавая катоду кинетическую энергию, приобретенную ими в электрическом поле столба дуги. Ввод этой энергии через активное пятно вызывает увеличение скорости теплового движения нейтральных и заряженных частиц вещества катода. Температура катода повышается, возра­стает кинетическая энергия свободных электронов в металле катода. „Эдещия электрона становится больше энергии, требуемой для преодоления потенциаль­ного барьераг и электрон выходит из активногопятна на катоде в катодную 60-"лаГсть. Такого рода эмиссия называется термоэлектронной.

" При горении дуги в катодной области возникает положительный объемный заряд. Растет дапряженшеть электрического поля у катода, и создаются условия для автоэлёктронной эмиссии. Электрическое поле высокой напряженности '-вы­рывает* свободные электроны из материала катода даже при невысокой темпера­туре катода, которая недостаточна для протекания термоэлектронной эмиссии. Эмиссия электронов как термоэлектронного, так и автоэлектронного происхожде­ния возникает в первую очередь с тех мест поверхности катода, где работа выхода электронов меньше. Эти места называют активными пятнами.

Активное пятно на катоде (катодное пятно) непрерывно перемещается (блу­ждает) по поверхности юрца электродной проволоки и может возникнуть на ее боковой поверхности. Особенно беспокойно блуждает катодное пятно у плавя­щегося электрода (стальная проволока имеет Т_Плав ⁼ 1539° О.

Перемещение катодного пятна вызывает пространственное изменение распо­ложения столба дуги, так как катодное пятно является основанием дуги. Если неплавящийся электрод (вольфрамовая проволока) имеет Г_плав "^ 3377° С, то при нормальном сварочном режиме проволока только нагревается, обеспечивая выход электронов в катодную область. У торца плавящегося электрода обра­зуются капли жидкого металла. Считают, что при сварке с плавящимся элек­тродом при прямой полярности решающее значение для возникновения и суще­ствования дугового разряда имеет автоэлектронная эмиссия. Если электрод плавится, кипит и испаряется, то возникают струи паров вещества катода (плаз­менные потоки), устремляющиеся в столб дуги и обогащающие его парами мате­риала электрода.

Падение напряжения в катодной области зависит от потенциала ионизации газов и паров катодной области.

Падение напряжения в катодной области обычно преобладает в общем напря­жении на дуге, а его величина зависит от конкретных физических условий для данной дуги Мощность, выделяемая в катодной области, расходуется на нагрев и плавление электрода, т. е. непосредственно на процесс сварки. Часть теплоты, приобретенной катодом, уходит в его массу путем теплоотдачи. В анодной области при горении дуги создается отрицательный объемный заряд.

Электрон», поступающие из столба дуги в анодную область, нейтрализуются у поверхности анода, отдают энергию при воссоздании нейтральных атомов ве­щества анода и вызывают увеличение температуры анода. Кроме того, часть элек­тронов задерживается в пространственном заряде. Так как максимальная темпера-

тура анода не может превышать температуру кипения материала анода, которая меньше температуры столба дуги, то из столба происходит интенсивный теплоот-вод в сторону анода. Энергия, отдаваемая аноду, состоит из энергии возврата электронов в металл, равной энергии работы выхода электронов из вещества катода и кинетической энергии, которую приобрели электроны, двигаясь к аноду в ионизированном газе столба дуги. В анодной области ионизация практически не происходит. Как показывают экспериментальные данные, анодное падение на­пряжения зависит от физических условий в анодной области и от степени влия­ния пространственного отрицательного заряда. Величина анодного падения на­пряжения практически не зависит от сварочного тока. Для дуг с плавящимся

электродом, горящих в атмосфере воздуха, анодное падение напряжения равно 2,5—1 В. Мощность, выделяемая в анодной области при прямой полярности, расходуется на пла­вление металла анода.

График распределения потенциалов по длине дуги. На рис. 1 приведено распределе­ние потенциалов по длине дуги, горящей в ат­мосфере воздуха при ручной дуговой сварке. Каждой дуге, горящей при определенных фи­зических условиях, соответствует определен­ный график, строящийся по данным опыта. В приэлектродных областях наблюдаются резкие изменения потенциалов. Напряжение на дуге есть сумма падений напряжений ч в анодной и_а, катодной и_л областях, а также ^р столбе дуги а_ст. Для дуг с плавящимся электродом при нормальных режимах и_к"^>и_а,

«aVf- U_K > U_CT.

" Статические вольт-амперные характе­ристики (ВАХ) дуги. Проводимость раз-

ряднЬго промежутка зависит от длины дуги и от физических условий, в ко­торых существует дуга. Ввиду малости длин приэлектродных областей обычно за длину дуги принимают длину столба дуги. ВАХ дуги строится по данным, полученным из опыта. Статическая вольт-амперная характеристика дуги есть за­висимость напряжения Ј/д на дуге от сварочного тока / при постоянной длине /_д дуги и при постоянстве всех прочих физических факторов, влияющих на условия горения дуги. В сварочной технике известны три формы статических ВАХ дуг, снятых на постоянном токе: падающая ВАХ—с ростом тока напряжение умень­шается (рис. 2, а; дифференциальное сопротивление /?_ДИф <3 0, угол Р_д > 90^е); жесткая ВАХ — рост тока не вызывает изменения напряжения (рис. 2, б; диффе­ренциальное сопротивление /?диф = 0, угол (5_Д = 180°) и возрастающая ВАХ — рост тока вызывает увеличение напряжения (рис. 2, в; дифференциальное сопро­тивление /?д_Иф > 0, угол Рд < 90°). Вольт-амперные характеристики падающей формы имеют малоамперные свободногорящие в воздухе дуги при токе от несколь­ких ампер до токов порядка 70 А. Причиной снижения напряжения на дуге яв­ляется уменьшение напряжения на столбе дуги. С ростом тока более интенсивно _дЛ>отекает ионизация, проводимость столба дуги увеличивается и возрастает пло­щадь поперечного сечения. Падающую по форме ВАХ имеет также свободногоря-щая малоамперная дуга в среде аргона. В этом случае увеличение тока не сопро­вождается ростом сечения столба дуги из-за защитного газа, оказывающего дей­ствие в радиальном направлении на пространственное положение дуги. Рост про­водимости объясняется интенсивно протекающей ионизацией газа столба дуги вследствие повышения температуры газа.

ВАХ жесткой формы имеют сварочные дуги при токах от 70—80 А и более при ручной дуговой и механизированной сварке под флюсом (рис. 2, б). С ростом тока увеличивается поперечное сечение столба дуги_л а проводимость столба дуги

в этих условиях остается практически без изменения. При сварке под флюсом при небольших диаметрах электродной проволоки и больших значениях тока на­блюдается некоторое возрастание напряжения на дуге. На практике пользуются эмпирической формулой для вычисления напряжения на дуге, связывающей его с величиной тока. Так, для токов 300—500 А напряжение на дуге (Уд = 20 + + 0,04/.

При сварке плавящимся электродом в среде углекислого газа и сварке сжа­той дугой ВАХ дуги имеет возрастающую форму. С ростом тока напряжение на дуге увеличивается (рис. 2, в). При этом катодное пятно занимает всю площадь торца электродной проволоки и высокая напряженность электрического поля в катодной области обеспечивает условия для автоэлектронной эмиссий, С ростом тока площадь катодного пятна остается неизменной.



Особенности горения дуги переменного тока. При питании дуги от источника переменного тока, например от трансформатора с синусоидальным напряжением (частоты 50 Гц), активное пятно на катоде 100 раз в секунду изменяет свое распо­ложение. К концу каждого полупериода синусоидальное напряжение умень­шается до нуля; при этом уменьшается напряженность электрического поля в пространстве между изделием и торцом электродной проволоки. Это влечет за собой уменьшение степени ионизации плазмы столба дуги, рассасывание простран-сьенпого заряда в катодной области, что ухудшает условия существования дуго­вого разряда. Последние зависят как от физико-химических свойств пространства . и:ежду катодом и анодом, которые определяют величину (У_пв повторного возбуж­дения дуги, так и от статических и динамических свойств источника питания. Если источник питания не обладает значительной индуктивностью, величина ко­торой зависит от конкретных физических условий, то устойчивое горение дуги невозможно.

На рис. 3 приведены осциллограммы вторичного синусоидального напряже­ния «₂ трансформатора, сварочного тока и и напряжения на дуге м_д в функции времени. При проведении опыта для получения падающей внешней характери­стики источника в сварочный контур был включен резистор. Осциллограммы за­писаны электронным осциллографом в отрицательный и положительный полу­периоды Т. Ток i_t и напряжение ы_д несинусоидальны, так как нагрузкой для источ­ника является нелинейная проводящая среда между изделием и электродом. Мак­симумы и нулевые значения а₂ и »₂ во времени совпадают при отсутствии в свароч­ном контуре индуктивности. В отрицательный полупериод синусоидального на­пряжения, когда н₂ уменьшается по абсолютной величине и достигает значения U_y, дуговой разряд практически угасает. Напряжение и._г становится недостаточным для создания между изделием и электродом напряженности электрического поля, необходимой для существования дугового разряда Дуга угасает на время t_n.

В течение времени t_n осциллограмма фиксирует наличие тока, что указывает, что проводимость участка между изделием и электродом не равна нулю. В течение времени от t_y до t_B электрический разряд носит недуговой характер. В следующий полупериод и₂, когда синусоидальное напряжение возрастает и достигает значе­ния ' U_m (при'/_в), вновь создаются условия для существования дугового разряда и дуга повторно возбуждается.

Напряжение U_nB повторного возбуждения дуги зависит от многих факторов и прежде всего от физико-химических свойств среды между изделием и электродом.

При и.л = L'lm в дуговом промежутке обеспечивается напряженность элек­трического поля такой величины, при которой возможно интенсивное зарожде-



ние свободных электронов и восстановление условий для существования элек­трического дугового разряда. В течение времени t_n сварочный контур прак­тически разомкнут. На рис. 3 для большей наглядности величины /_а в районе t = 0 сильно преувеличены. Ток г₂ при t = (_ъ составляет около 2% от действую­щего значения <₂. После повторного возбуждения дуги, начиная с t = t_B, ток /₂ и скорость его изменения резко возрастают. Время t_u перерыва в горении дуги уменьшают двумя способами: либо снижают напряжение и_т повторного возбу­ждения дуги, либо изменяют свойства источника питания. Величину и_пв можно снизить, вводя в парогазовую среду между изделием и электродом химические элементы с низкими потенциалами ионизации, уменьшая величину давления ниже атмосферного, увеличивая амплитудное значение и, и увеличивая частоту / на­пряжения щ. Повторное возбуждение дуги облегчается применением специальны» устройств — возбудителя дуги (осцилляторов) и импульсных стабилизаторов го­рения дуги переменного тока.