Рнс. 1.2. Кривые иапряжениП на вторичной обмотке трансформатора и разрядного

тока

Скорость нарастания напряжения, измеренная непосредственно на дуговом промежутке во время сварки, не может характеризовать динамические свойства сварочных трансформаторов, так как на нее существенно влияет остаточная проводимость дугового промежутка. Поэтому сравнение динамических свойств предложено [19] проводить на физической модели. Первичная обмотка исследуемого сварочного трансформатора замыкается накоротко, а вторичная обмотка через переключатель полярности и тиристор подключается к предварительно заряженному конденсатору. Кривая разрядного тока /р представляет собой полуволну синусоиды (рис. 1.2, б). Под действием разрядного тока создается поле рассеяния, которое наводит вихревые токи в элементах конструкции трансформатора. В конце полупериода разряда вследствие односторонней проводимости тиристора происходит обрыв тока и создаются условия, свойственные сварочной цепи в начале каждого полупериода сварю!. Спад напряжения «2 на вторичной обмотке происходит сначала скачком, а потом по закону экспоненты.

Соотношение At/ и время характеризуют динамические свойства сварочных трансформаторов; очевидно, чем больше эти величины, тем хуже дина\шческие свойства.

На рис. 1.2, й, г приведены типичные осциллограммы рассматриваемого процесса, снятые на двухлучевом импульсном осциллографе с калиброванной длительностью развертки. Ввиду того что для оценки динамических свойств источников необходим только конечный участок кривой u2 с момента обрьта разрядного тока, этот участок осциллогра-фировался при больших скоростях развертки (рис. 1.2, г).

Средние показатели динамических свойств для современных сварочных источников: AUjU = 0,2 . . . 0,3; Г3 = 100 . . . 140 мкс.

Устойчивость процесса сварки на переменном токе существенно зависит от формы кривой сварочного тока. При искажении формы

Рис. 1.3. Осциллограммы мощности и напря- . жения дуги. Режим сварки 180 А, 16 В Д

кривой тока относительно синусоидальной, с замедлением его прохождения через нулевые значения, наблюдается снижение стабильности горения ) дуги. При улучшении формы тока до синусоидальной и далее до трапецеидальной и прямоугольной устойчивость горения дуги возрастает.

Это явление полностью согласуется с современными представлениями о физических процессах, происходящих при повторном возбуждении открытых дуг переменного тока. Как известно, основным механизмом развития открытой дуги в начале каждого полупериода переменного тока является разогрев дугового газа после некоторого его охлаждения при смене полярности. Все меры, способствующие ускорению нагрева газа после перехода тока через нуль, направлены на повьпдение стабильности дуг.

На рис. 1.3 представлены осциллограммы мощности Рд и напряжения дуги Мд при аргонодуговой сварке от источника с прямоугольной (а) и синусоидальной (б) формой тока. Более равномерное распределение мощности дуги в источнике с прямоугольной формой тока сопровождается снижением пика напряжения повторного зажигания. Надежное повторное зажигание дуги в источниках с прерьтистым ти-ристорным регулированием практически невозможно без использования импульсных стабилизаторов горения дуги.

1.2. ПОСТОЯННАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ СВАРОЧНОГО ТОКА ПРИ АРГОНОДУГОВОЙ СВАРКЕ

Различие теплофизических свойств и условий охлаждения электрода и изделия, особенно сильное при сварке вольфрамовым электродом алюминиевых сплавов, приводит к тому, что напряжение на дуге в одном полупериоде резко отличается от напряжения в другом полупериоде. Имеет место так назьшаемое вьшрямляющее действие дуги. Если не принять специальных ограничительных мер, в сварочной цепи возникает большая по значению постоянная составляющая тока - до 70-80% от действующего значения рабочего сварочного тока.

Известно [22], что значение постоянной составляющей главным образом зависит от соотношения напряжений дуги обратной и прямой полярности 6j 2 = UjiJUfy-x и растет с увеличением этого соотношения.

Напряжение холостого хода источника U20 оказьтает незначительное влияние на значение постоянной составляющей тока, причем увеличение соотношения UpjUo сопровождается снижением постоянной составляющей.

Постоянная составляющая сварочного тсжа создает в трансформаторе постоянную составляющую магнитного поля, вызьшающую рост намагничивающего тока, снижение отдаваемой трансформатором мощности и коэффициента мощности. Значительная постоянная составляющая тока отрицательно сказывается на технологии сварки. Поэтому в источниках питания аргонодуговой сварки принимаются меры по устранению постоянной составляющей тока или ее ограничению до требуемого по технологическим соображениям значения.

До недавнего времени среди многих известных способов устранения или ограничения постоянной составляющей тока практическое применение имел только один - включение в сварочную цепь громоздкой и дорогостоящей конденсаторной батареи, препятствующей протеканию в цепи постоянного тока.

В последние годы во ВНИИЭСО разработано новое, компактное и экономичное диодно-тиристорное устройство ограничения постоянной составляющей тока [5], которое будет рассмотрено в четвертой главе.

Для пояснения сущности и принципа работы устройства в традиционных источниках с амплитудным регулированием тока рассмотрим динамику роста постоянной составляющей тока при симметричном фазовом регулировании тока.

Упрощенная схема замещения источника тока с фазорегулятором в сварочной цепи представлена на рис. 1.4, д, где (/ sin(cof + ip) - мгновенное значение вторичного напряжения холостого хода идеального сварочного трансформатора; \р - угол включения тиристоров; L - эквивалентная индуктивность сварочного контура.

Анализ схемы проведен в предположении отсутствия активного сопротивления; напряжение на дуге принято не зависящим от тока:

о 20" to" бо" so" 100° 120°ту

Рис. 1.4. Упрощенная схема замещения источника тока с фазорегулятором в сварочной цепи (а) и зависимости 7о = /(Р) (б) 1 - при е, = 0,25; = -0,1; 2 - при е, = 0,15; = -0,1; 3 - при 6; = 0,3;

ej = -0,2

"Д1 = Д1>0; "д2 = д2<0; 1Ц;11>1/д21.

где Мд,, - мгновенное и среднее (в зоне существования тока) значения напряжения обратной полярности ("плюс" на электроде); Мд2, {/д2 - мгновенное и среднее значения напряжения прямой полярности. Основное уравнение цепи

t/sin (cof+) -L -С/д = 0, at

где ii - ток дуги.

Найдем в общем виде решение этого уравнения для тока дуги в относительных единицах.

За базовые величины примем напряжение и амплитуду тока короткого замыкания цепи = к.з = UjuiL.

Уравнение тока дуги в относительных единицах

= cos(5+v5)-ед9+С, (1.1)

где у = /з/т ; £д = UJU ; в = соГ; С - Постоянная интегрирования.

Анализ уравнения (1.1) при несимметричной нагрузке [16] (11/д11 > > £/д2 1) показан наличие трех режимов работы схемы: полностью управляемого режима (режима прерывистых токов), полууправляемого режима, неуправляемого (полнофазного) режима.

sin (в + у)

Рис. 1.5. Диаграммы напряжения и тока при несимметричной нагрузке

Временные диаграммы напряжения и тока для режима прерывистых токов представлены на рис. 1.5, а.

Постоянную интегрирования для полупериодов прямой и обратной полярности найдем из условия 7 = 0 при 5 = О и 5 = я.

Уравнения тока полупериодов обратной Ti и прямой 72 полярности (в зоне существования токов от О до 51 и от я до 2):

71 = -cos(9 + i) +cosip-e,5; (1.2)

72 =-cos (б + ip) - cos - 62 (в - я) . (1.3)

Среднее значение токов полупериодов и значение постоянной составляющей (7о):

- 1 г 1

2" о 2п

sin V! - sin (91 + v?) + 91 cos \p

7Г+ fij

T2CP = - / У2<№= -

02005 if-€2

-sin 1/+ sin(02 + 45) -

-sin(9, +V) + sin(02 +v) +

(1.4)

7o Ticp 2cp -

+ (di - 2)003- (616]+ €281)

Решение уравнений (1.2) -(1.4) на ЭВМ позволяет проследить динамику роста постоянной составляющей тока для режима прерьшис-тых токов в зависимости от угла вк;лючения тиристоров i/j при различных значениях и соотношениях ei и 62 (рис. 1.4, б).

В первом режиме работы схемы по мере уменьшения угла включения \р увеличивается как амплитуда, так и длительность полуволн тока прямой и обратной полярности, причем 9, <в2.

При некотором критическом угле включения ip длительность полуволны тока прямой полярности становится равной полупериоду 02 = я. При этом момент окончания тока прямой полярности совпадает с моментом включения тиристора обратной полуволны тока, режим прерьшистых токов заканчивается (рис. 1.5, б).

Из уравнения (1.3), положив 7 = 0 при в = 2я, найдем значение критического угла включения:

tos Vkp =- 22,

(1.5)

из чего следует, что ip зависит от соотношения напряжения дуги прямой полярности и напряжения холостого хода.

Определим среднее значение напряжения дуги при критическом угле включения.

Положив в уравнении (1.2) 7 = 0 при в = di, с учетом уравнения (1.5) и того, что в этом режиме 62 =", получим

eidi + €22 = -COS (9, +1 ) - COS >Рр= - ! sin (в+>pp)de

(1.6)

Таким образом, среднее значение напряжения дуги равно среднему за период напряжению на тиристорах (без учета падений напряжений на открытых тиристорах); fpp ~ VScp-

Вольт-секундная площадка, соответствующая Uy, на рис. 1.5,6 заштрихована.

Значение паузы т может быть приближенно вьиислено из уравнения (1.6), если учесть, что 5, я, а значение sin {в + ip) при п - т <в <п принять постоянным и равным - 1. Тогда

ej5i + 622 ~ - з1п(я + рр) J de=T;

т = я(е1 + 62).

(1.7)

При дальнейшем уменьшении угла включения (рис. 1.5, в) тиристор обратной полуволны тока теряет управление, так как он может проводить ток только после закрытия тиристора прямой полуволны (полууправляемый режим).

Фаза включения полуволны прямой полярности уменьшается, длительность ее растет; фаза включения полуволны обратной полярности возрастает, длительность ее сокращается, увеличивается значение постоянной составляющей сварочного тока (см. рис. 1.4, в).

Уравнение тока полупериода прямой полярности (1.3) остается без изменений. Ток обратной полярности найдем из уравнения (1.1). Поскольку в полууправляемом режиме в качестве угла включения тиристора обратной полярности выступает момент окончания тока прямой полярности, в уравнение (1.2) вместо tp подставим ifi = ip + 02 - я:

У1 =С05{в + <f+ 82) - COS{ip + 82) - £101. (1.8)

Резкое нарастание постоянной составляющей тока (см. рис. 1.4,6) продолжается до тех пор, пока не исчезнет бестоковая пауза г и не установится неуправляемый (полнофазный) режим (рис. 1.5,г).

Фазовые сдвиги токов прямой и обратной полярности i/zj = ip и 1/2 = = 1 + я в полнофазном режиме определим из уравнения (1.8), считая 7 = Опри5 =1 = 2я- 2:

cos V3 - cos (ip - 51) = е, 51;