3.4. Саморегулювання системи джерело - дуга

Процес саморегулювання присутній для зварювання плавким електродом з умови рівномірного подавання електродного дроту та постійній зміні довжини дуги у часі крапле перенесення.

В основі процесу саморегулювання дуги лежить зміна швидкості плавлення, яка становить

, (52)

де - довжина дуги, - коефіцієнт пропорційності, - швидкість подавання електродного дроту у зону зварювання.

З іншого боку, швидкість плавлення залежить від енергетичних параметрів дугового розряду, зокрема сили струму та електричного поля стовпа дуги певної довжини (оцінка за спадом напруги на дузі). відповідна функціональна залежність зміни швидкості плавлення при їх коливанні на величину ΔІ_д, ΔU_д становить

, (53)

де ,- коефіцієнти пропорційності; ,- відхилення швидкості плавлення електродного дроту обумовлені коливанням напруги та струму.

Знак при коефіцієнті залежить від виду ВАХ –джерела (він від’ємний для спадної характеристики) і тоді при відхиленні системи джерело–дуга від точки енергетичного балансу за струмом і напругою швидкість плавлення дроту (53) становить

(54)

Таким чином, найкраще проявлення ефекту саморегулювання слід очікувати при використанні джерел з положисто спадними, жорсткими або зростальними зовнішніми характеристиками, які типові для механізованих видів зварювання. Цьому також сприяє підвищена густина струму в електродному дроті, яка ініціює його інтенсивне розплавлення.

Тоді при постійній швидкості подавання електродного дроту графічне рішення енергетичного балансу системи джерело – дуга набуває вигляд (рис.24)

Рис.24. Графічне рішення енергетичного балансу системи джерело – дуга при різних швидкостях подавання електродного дроту.

Для оцінки впливу коливання швидкості подавання дроту Δv достатньо розглянути стійкість системи «джерело-дуга» за двома показниками: а) стадія горіння дуги при значних коливаннях її довжини; б) стадія короткого замикання (збудження дуги та її відновлення після замикання краплі на ванну).

Використовуючи базові рівняння для стаціонарної точки характеристик джерела та дуги, та прийняв до уваги наступне: коефіцієнт стійкості системи к_с = ()= ≥0; для джерел механізованого зварювання R_дж = -0,01… -0,1В/А; швидкість наростання струму короткого замикання становить ; ΔU_д –коливання напруги на дузі та при зміні довжини дуги становить ; швидкість подавання дроту v_П відповідає швидкості його плавлення v_е для стаціонарної точки при даній густині струму; Λ- довжина дроту від точки комутації струму на дріт до поверхні металу (Λ= l_{в +}l_д), де l_в- виліт дроту, l_д- довжина дуги, можна відмітити:

а) стадія горіння дуги , (55)

де L- індуктивність дроселю;

б) стадія короткого замикання , (56)

де ρ- опір одиниці довжини дроту на вильоті; U₂₀ – напруга неробочого ходу джерела.

З наведеного витікає, що, з рештою рівних умов, компенсація коливання швидкості подавання дроту подовжує час відновлення стаціонарної точки. Оскільки індуктивність дроселю L обирається такою, щоби зменшити розбризкування металу на рівні 10%, то при значних коливаннях v_П на стадії горіння дуги перехідна складова струму дуги ΔІ_д при типових термінах перехідного процесу при механізованому зварюванні в СО₂ не спадає до нуля, а це відбивається на якості зварного шва навіть у присутності ефекту саморегулювання. на стадії короткого замикання зростає розбризкування металу або час відновлення дуги (приварювання дроту).

Стала часу перехідного процесу становить

, (57)

де - діаметр електродного дроту; - питома вага матеріалу дроту; - напруженість електричного поля стовпа дуги; - коефіцієнт пропорційності;- коефіцієнт плавлення.

Якщо умова (52) не виконується, то дуговий струм (54) містить збурюючи компоненту, яка пов’язана із зміною швидкості подавання дроту

(58)

(59)

Таким чином, для ефективного прояву ефекту саморегулювання крім умов енергетичної стабільності системи джерело – дуга повинна бути строго забезпечена умова постійності швидкості подавання дроту.

Схема з плавно регульованою швидкістю подавання дроту (рис.25) дозволяє у варіанті з зворотними зв’язками та системою порівняння сигналу і компенсацією збурень (на рисунку не наведені) забезпечити: а) підтримувати швидкість подавання дроту за сигналами, відповідними електричним параметрам зони зварювання; б) підтримувати задану швидкість подавання дроту за дійсними кінематичними параметрами роботи механізму подавання.

Структура схеми керування (рис. 25): А1- блок живлення, що виробляє три рівні напруг необхідних для забезпечення роботи таймерів та виконавчих релє - (9…12В- вихідна точка «в»); напруги спрацьовування котушки електромагнітного газового клапану (24В, вихідна точка «а»); напруги живлення двигуна М та базового виконавчого релє KR1(12…24В- вихідна точка «g»). А2- блок індикації стану схеми. А3- блок модуляції струму двигуна М. А4- блок дискретного режиму роботи двигуна М. А5- блок захисту. А6- силовий блок механізму подавання дроту.

Живлення модулятора (ДА₁), генератора (ДА₂) та компаратора (ДА₃) забезпечується колекторним стабілізатором з захистом схеми від кдроткого замикання. Опорна напруга задається стабілітроном VD₁₅ через резистор R₂. Напруга подається на базу транзистора VТ₂, через який протікає струм зумовлений резистором R₃. Колекторний струм транзистора VТ₂ є базовим для транзистора VТ₁; на виході (точка «в») встановлюється напруга еквівалентна напрузі емітера VТ₂.

Коротке замикання в мережі споживачів викликає зростання колекторного струму VТ₁; максимально можливий струм навантаження визначається коефіцієнтом підсилення h_21e транзистора VТ₁ та максимальним струмом транзистора VТ₂, залежним від опору резистора R₃. Решта джерел живлення блоку А1 виконані на стандартних діодних зборках типу КЦ.

Блок індикації А2 виконаний на світлодіодах типу АЛ з струмовим обмежуючим резистором R₄, які, в залежності від логіки спрацьовування релє KR1… KRІІІ відбивають стан роботи схеми керування.

Блок модуляції А3 виконаний за схемою асинхронно увімкненого автогенератора на базі таймера КР1006ВИ1 з плавно регульованим ланцюгом (R₅ R₆) релаксації напруги на задаючому конденсаторі С₆. Режим автоколивань забезпечується зворотнім зв’язком за виходами 3,7 мікросхеми. Щільність імпульсів D=0…0,99. Схема навантажена на силовий транзистор VТ₆ блоку А6. Транзистор працює в режимі ключа і захищений стабілітроном VD₁₆. Вихідні параметри модулятора дозволяють використовувати у якості ключа біполярні (тип КТ 827А) та польові (тип IRF 640) транзистори без зміни елементів обв’язки таймера.

Величина струму навантаження двигуна М оцінюється спадом напруги на шунті R₁₈.

Блок (А4) дискретного режиму роботи двигуна побудований на базовій схемі мультивібратора на таймері КР1006ВИ1. Надавач часу - ємність С₇ заряджається через резистивне плече R₈ R₉, а розряджається через резистор R₉. Робочі цикли мультивібратора обираються співвідношенням між даними опорами. Час заряду (робочий такт) ємності С₇ становить

, (60)

де U_ж- напруга живлення.

Час розряду (двигун у стані спокою) становить , а повний такт схеми ; частота генерованих сигналів становить

(61)

З технологічних міркувань режиму зварювання переривчастим швом (режим роботи двигуна «Дискретно») робота мультивібратора характеризується наступними параметрами: технологічний час виходу на режим генерації сек, сек, сек; щільність вихідних імпульсів .

Блок захисту розбудований на таймері КР1006ВИ1, що працює за схемою компаратора з регульованим гістерезисом передавальної характеристики

, (62)

де U₀ – опорна напруга.

Величину гістерезису, а відповідно нижню межу спрацьовування компаратора встановлюють резистором R₁₄. Опорна напруга U₀ задається резистором R₁₂ та порівнюється із спадом напруги U_g на шунті R₁₈ в часі роботи двигуна М. Компаратор калібрований на діапазон напруг відповідний перевантаженню двигуна за струмом на 15…20% і достатній для компенсації інерції спрацьовування блокуючого реле KRІІІ.

Робота схеми (рис.26): при натисканні фіксуючого тумблера SF₁ від мережі заживлюється трансформатор ТР₁, вторинні обмотки якого навантажені на діодні зборки VD₂…VD₄ і схему стабілізації напруги живлення (VT₁,VT₂) мікросхем. Одночасно з’являється світлова індикація (Н₁) робочого стану схеми. Напруга стабілізатора подається на вхід 8 мікросхем ДА1…ДА3. Оскільки напруга порівняння U₀=0 на виході компаратора (ДА3) існує лог.1, транзистор VT₄ відкритий; на виході інверсійного ключа VT₄, VT₅ існує лог.0 і блокуюче реле KRІІІ вимкнене, а його нормально замкнений контакт 1 KRІІІ дозволяє комутацію лог.1 на входи 4 решти мікросхем. Модулятор ДА1 входить у режим автоколивань,; його керуючі імпульси через струмовий обмежуючий резистор R₇ подаються на базу (затвор) транзистора VT₆. Оскільки колекторна напруга відсутня, а якір двигуна М короткозамкнений контактом 3KRІ, двигун продовжує знаходитися в режимі «стоп»; зварювальний дріт не подається.

Генератор (ДА2) режиму переривчастого зварювання (режим двигуна «дискретно») знаходиться у загальмованому стані (на виході лог.1, реле KRІІ увімкнене, його контакт 2 KRІІ підтримує комутацію лог.1 з ДА3 на вхід 4ДА1; нормально замкнений контакт 1KRІІ через світлодіод VD₈ підтверджує загальмований стан генератора). Гальмування забезпечене положенням1 тумблеру SF₂ (шунтування ємності С₇).

Режим роботи безперервне зварювання ( режим двигуна «безперервно»): При натисканні кнопки SV₁ на пальнику спрацьовує реле KRІ, яке своїми контактами комутує напругу на силовий контактор VF₁ (1KRІ) увімкнення зварювального трансформатора, котушки електромагнітного газового клапану VF₂ (2KRІ), світлової індикації VD₇ (4KRІ). Одночасно вихід «g» через перемикач SF₃ навантажується на двигун, контакт 3KRІ знімає блокування якоря двигуна М; починається режим безперервного подавання дроту в зону зварювання. При відпусканні кнопки SV₁ схема керування та силовий блок повертається у вихідний стан.

Рис.25. схема електрична принципова блоку керування механізмом подавання дроту.

Режим роботи переривчастого зварювання (режим двигуна «дискретно»): При переведенні тумблера SF₂ у положення 2 починається зарядження ємності С₇ через ланцюг R₈ R₉. Напруга на ємності зростає від 0 до 2/3U_ж за час . Напруга на виході таймеру у цей час лишається на рівні лог.1 (U_ж). У момент, коли напруга на С₇ сягає величини 2/3 U_ж потенціал на виводах 3,7 ДА2 спадає до нуля (лог.0) і конденсатор С₇ починає розряджатися від 2/3 U_ж до 1/3 U_ж. Час t₀ таким чином визначає тривалість виходу генератора на періодичний режим роботи. Робочий цикл таймеру у режимі генератора-мультивібратору складається з часу заряду С₇ від 1/3 U_ж до 2/3 U_ж та часу розряду від 2/3 U_ж до 1/3 U_ж. Час t₀ є технологічним часом підготування робочого поста зварника до роботи у переривчастому режимі зварювання. При завершенні інтервалу t₀ релє KRІІ вимикається на час паузи t₂, а далі починає періодично працювати з тактом Т= t₁+ t₂ , що фіксується світловим індикатором 1 KRІІ. Завдяки контакту 2 KRІІ мультивібратор ДА1 через вхід 4 синхронізується з генератором ДА2 і починає видавати керуючі імпульси у моменти часу t₁. Двигун М через ключовий елемент VТ₆ працює у режимі переривчастого подавання дроту у зону зварювання.

Режим роботи аварійно (режим двигуна «перевантаження»): при неприпустимому зростанні струму двигуна спад напруги U_п на шунті R₁₈ сягає величини U_оп; на виході таймеру ДА3 з’являється лог.1, інверсний ключ VT₄, VT₅ дозволяє роботу блокуючого реле KRІІІ, яке своїми контактами: 1KRІІІ знеструмлює входи 4 ДА1,ДА2; 2KRІІІ- знеструмлює котушку реле KRІ та подає напругу на світлодіод VD9 (3 KRІІІ «перевантаження»). Схема та зварювальне джерело блокуються навіть при натиснутій кнопці SV1.

Режим роботи «реверс двигуна»: при настроюванні зварювальної установки додаткових пояснень не вимагає.

Рис.26. Циклограми роботи елементів схеми керування механізму подавання дроту.

4 система джерело - дуга в умовах формування та припинення дугового розряду Джерело повинне забезпечити стабільний режим зварювання на всіх етапах технологічного циклу виконання шва: запалювання дуги та її розвиток, існування в умовах періодичної зміни фізико – хімічних та геометричних показників дугового проміжку (крапле перенесення, коротке замикання тощо), а також завершення процесу зварювання (заводнення кратеру).

Ці етапи зварювального процесу, в залежності від способу зварювання, реалізується або за рахунок можливостей самого джерела, або за допомогою спеціальних пристроїв, які конструктивно входять до складу джерела. Останні дозволяють впевнене збудження та розвиток дугового розряду незалежно від полярності та роду струму, гнучке узгодження ВАХ –джерела та ВАХ – дуги для даних умов існування дугового розряду, кероване крапле перенесення, компенсацію асиметрії дугового розряду між електродами із різних матеріалів тощо.

4.1. запалювання та підтримування дугового розряду

У зварювальних технологіях використовуються два способи збудження дугового розряду: контактний (електрод або плазмовий газ чергової дуги приводяться до прямого контакту з виробом) та безконтактний за рахунок пробою високовольтним високочастотним розрядом газового проміжку між електродом і виробом (наприклад, зварювання неплавким електродом у інертному захисному газовому середовищі).

4.1.1. збудження дуги контактним способом

Тут використовується принцип примусового розриву наперед сформованого ланцюга короткого замикання джерела з вихідною напругою неробочого ходу, яким є електрод закоротко механічно замкнений на виріб (рис. 27).

У такому електро – механічному контакті під дією е.р.с. джерела (вихідна напруга неробочого ходу) протікає струм короткого замикання пікового значення І_пк . Оскільки е.р.с. е_дж джерела із спадною ВАХ не в стані забезпечити довготривале підтримування такого струму, та напруга на такому контакті спадає, що призводить до зменшення пікового струму до квазістабільного струму короткого замикання І_кз. Робота струму через велику його густину на локальних струмопровідних контактах, обумовлених шаруватістю торця електрода, призводить до часткового розплавлення та випаровування металу у контакті електрод – деталь, що означає появу вільних носіїв електрики (електронів і йонів). При механічному розриванні ланцюга короткого замикання (підйом) електроду над поверхнею виробу завдяки вільним носіям заряду починає формуватися дуговий розряд.

а) б) в)

Рис. 27. Запалювання дуги контактним способом: а) рухомий електро – механічний контакт; б) зміна вихідної напруги та в) струму джерела при формуванні дугового розряду.

Напруга на джерелі, завдяки такій початковій провідності зростаючого між електродного газового проміжку сягає значення , що є мінімально припустимою умовою існування дугового розряду. При подальшому подовженні дугового проміжку джерело збільшенням вихідної напруги забезпечує існування дуги певної довжини та напруженості електричного поля, встановлюється режим енергетичної рівноваги, який характеризується заданим значенням дугового струму І_д та напруги .

Таким чином, з рештою рівних умов, провідним чинником формування енергетично збалансованого дугового розряду є кінцева довжина дуги.

Для механізованих способів зварювання характерна наявність другого чинника – швидкість подавання електродного дроту v_пд . Так із зростанням швидкості подавання на відносно малих значеннях струму запалювання дуги погіршується. Виконати стабільне запалювання дозволяють джерела з жорсткою ВАХ, які обмежені за величиною та часом існування струму короткого замикання опором частини електродного дроту між струмовідводом та виробом, що працює як електрична запобіжна плавка вставка.

Проте для джерел з будь – якою ВАХ базовим показником надійності запалювання дуги способом короткого замикання є умови швидкості наростання та критичної величини струму короткого замикання (49,50).

У сучасних джерелах для надійного запалювання дуги широко використовуються такі підходи: а) «гарячий старт», при якому штучно короткочасно (300мс) підвищується вихідна напруга джерела в режимі короткого замикання за рахунок повно фазного увімкнення електронних (тиристори, транзистори) або магнітних (керовані дроселі та підсилювачі) ключових елементів; б) використання реактивних накопичувачів енергії з метою її керованого імпульсного використання в момент запалювання дуги або її підтримування при переході дугового струму через фазовий нуль, у тому числі модульованого, відмінного від sin – подібного.