Статична вольт-амперна характеристика зварювальної дуги

Напруга на дузi, яка дорiвнює сумi падiнь напруги в стовпi, а також в
приелектродних областях, є функцiєю струму i має вигляд, показаний на рис.1.1

б.

U_Д=U_К+U_А+U_СТ=U_К+U_А+E_СТl_Д =f(I_Д). (1.1)

Кривi, якi визначаються залежностями U_Д=f(I_Д) в статичному режимi, називаються статичними вольт-амперними характеристиками зварювальної дуги.
Характеристика зварювальної дуги визначається експериментально при
плавній змiнi струму навантаження зі збереженням довжини дуги, дiаметра i матерiалу електрода.

Дуга має криволiнiйну характеристику i її слiд розглядати як нелiнiйний елемент електричного кола. Форма статичної характеристики показана на рис.1.2 i змiнюється по мiрi збiльшення струму, переходячи зі спадної (дiл. I) в жорстку (дiл. II), а потiм в наростальну (дiл. III). Нахил характеристики прийнято визначати величиною диференцiйного опору дуги r_Д =dU_Д /dІ_Д, тому на I дiлянцi r_Д<0, на II - r_Д=0 i на III - r_Д>0.

При незмiнних фiзичних умовах горiння зварювальноi дуги U_К+U_А є величиною
постiйною, незначною за величиною i U_Д витрачається в основному на подолання
опору стовпа дуги. Тому рiвняння (1.1) можна виразити в наступному виглядi:

U_Д=а+U_СТ, (1.2)

де а - сума напруг катодної i анодної зон.

З виразу (1.2) видно, що напруга на дузi визначається в основному залежнiстю U_СТ вiд струму навантаження, тобто:

U_СТ=f(I_Д).

Виведемо рiвняння, якi пов’язують напругу стовпа дуги з iншими параметрами
дуги.

E_СТ=j_СТ/g_СТ =I_Д/S_СТ×g_СТ,

де E_СТ - градiєнт потенцiалу в стовпi дуги, В/см;

jСТ^{, g}СТ ^{- вiдповiдно, густина струму i питома провiднiсть стовпа дуги, А/мм}2^{, 1/Ом}×мм;

SСТ ^{- площа поперечного перерiзу стовпа дуги, мм}2 ^{.
Тодi рiвняння (1.2) можна подати в наступнiй формi:}

U_Д=а+E_СТ×l_СТ=а+I_Д×l_СТ/S_СТ×g_СТ=а+I_Д×l_Д/S_СТ×g_СТ. (1.3)

З рiвняння (1.3) випливає, що в дугах невеликої потужностi iз збiльшенням навантаження I_Д напруга на дузi U_Д знижується за рахунок збiльшення площі перерiзу катодної плями і вiдповiдного зростання поперечного перерiзу S_СТ. стовпа, що вiдповiдає дiлянцi I. При цьому густина струму j_СТ зменшується, провiднiсть g_СТ зростає, величини катодного i анодного падiнь напруги не змiнюються. Такий вигляд характеристики знаходить обмежене застосування при ручному дуговому зварюваннi неплавким електродом через малу її стiйкiсть.

На дiлянцi II створюється жорстка характеристика дуги. Це пов’язане з тим, що із подальшим зростанням I_Д пропорцiйно збiльшується i S_СТ, отже, густина струму j_СТ залишається приблизно постiйною, а питома провiднiсть g_СТ змiнюється дуже незначно. Величини анодного i катодного падiнь напруги залишаються незмiнними. Такий вигляд характеристики знаходить широке застосування при зварюваннi покритими електродами i механiзованому зварюваннi пiд флюсом апаратами із залежною швидкiстю подачi електродного дроту.

Дiлянка III починається з такого моменту, коли катодна пляма зайняла всю площу торця електрода i подальше збiльшення S_СТ не вiдбувається. У цьому випадку густина струму зростає пропорцiйно навантаженню, провiднiсть стовпа зменшується, величина U_СТ, а, отже, i U_Д, збiльшується.

Наростальна характеристика дуги спостерiгається при механiзованому зварюваннi в захисних газах.

Оскільки змiна довжини дуги l_Д впливає на величину U_СТ i, отже, на напругу дуги U_Д (1.3), то в залежностi вiд значення l_Д характеристика може зсуватись вгору, або вниз (рис. 1.3).

U_Д=U_К+U_А+E_СТ×l_Д. (1.4)

При зменшеннi довжини дуги її вольт-амперна характеристика (ВАХ) зсувається
вниз. Дiаметр електрода впливає на положення наростальної дiлянки ВАХ. Чим
бiльший дiаметр, тим при бiльшому струмi вiдбудеться перехiд до дiлянки III.

3 Вимоги до зовнішніх характеристик джерел живлення, які

продиктовані вимогами стійкості

Забезпечення виконання умови К_c>0 залежить вiд вiдповiдностi виду зовнiшнiх характеристик джерела живлення трьом видам статичних характеристик зварювальної дуги.

Для спадної характеристики дуги (ділянка I), де її диференціальний опiр вiд’ємний
(r_Д<0), з метою дотримання К_c>0 необхiдно застосовувати джерело з бiльш
крутоспадною характеристикою-1, тобто r_ДЖР>r_Д (рис.2.2). На дiлянцi ВАХ дуги,
коли r_Дª0 (ділянка II), для стiйкої роботи системи необхiдно щоб характеристика
джерела була положистоспадна-3 або крутоспадна-2, але обов’язково r_ДЖР<0.

Якщо статична характеристика дуги має наростальну форму (r_Д>0, ділянка
III), то коефiцiєнт стiйкостi К_c може бути додатнiм при спаднiй зовнiшнiй
характеристицi джерела-4 (r_ДЖР<0), при жорсткiй ВАХ-5 (r_ДЖР=0) i навiть при

наростальній-6 (r_ДЖР>0). При наростальній ВАХ джерела живлення її крутизна
повинна бути меншою за крутизну характеристики дуги, тобто r_ДЖР<r_Д. Цей
випадок вiдповiдає зварюванню в захисних газах тонким дротом при великiй густинi
струму.

Вимоги, якi висуваються до джерел живлення зварювальної дуги.
Вимоги до джерел для ручного дугового зварювання покритими

електродами

Ручне дугове зварювання виконується електродами дiаметром вiд 2 до 6 мм на
струмах вiд 50 до 350 А. Вольт-амперна характеристика дуги при ручному
зварюваннi має спадну i жорстку дiлянки (рис. 1.2). Основною вимогою до джерела
є вибiр типу його зовнiшньої характеристики. Для стiйкої роботи системи
«джерело живлення-зварювальна дуга» за умови К_с>0 необхiдно використовувати
крутоспадну зовнiшню характеристику джерела з диференціальним опором r_ДЖР в
діапазоні -1...0,1 В/A. Така характеристика має менший нахил на ділянці малих

струмiв (точка А, рис. 2.1) i вiдповiдає умовам стiйкостi при значних коливаннях
довжини дуги. На ділянці робочих струмiв (точка В), завдяки бiльшiй крутизнi
характеристики, досягається висока стабiльнiсть струму при коливаннях довжини
дуги. Так, у джерела з номiнальним струмом 300 А i диференціальним опором

rДЖР^{= -0,2 В/A при змiнi напруги вiд 25 до 40 В сила струму пiдтримується з
точнiстю до ±35 А. При такiй характеристицi значення струму короткого замикання}

IК ^{повинне складати не бiльше 1,5I}Д^{, що вiдповiдає умовi надiйного запалювання
дуги. Напруга неробочого ходу джерела} U₂₀ для забезпечення надiйного

запалювання повинна бути не нижчою за 40-45 В i не вищою за 90-100 В за вимогами
охорони праці. Налагодження режиму проводиться джерелом тiльки за струмом,
оскільки довжина дуги i, вiдповiдно, напруга пiдтримуються зварювальником
вручну.