Импульсное управление переносом металла в дуге

 

Чтобы сделать перенос металла мелкокапельным или струй­ным, обычно требуются большие токи, особенно при сварке на токе прямой полярности. Электромагнитные силы пропорцио­нальны квадрату тока, поэтому, подавая периодически кратковре­менные импульсы увеличенного тока I _п» I _б(рис. 2.45), можно обеспечить мелкокапельный перенос металла порциями с частотой воздействия импульсов.

 

 

При этом в несколько раз уменьшается нижний допустимый предел I _б сварочного тока. Основными пара­метрами импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом по­мимо ранее упомянутых параметров сварки являются: амплитуда импульса I _п; длительности импульса (t _и), паузы (t _п) и цикла (t _ц = t _и + t _п); частота импульсов f = 1 / t _ц; ток в промежутках между импульсами - базовый ток I _б.

В свою очередь, импульсные параметры могут быть подобра­ны для каждой скорости подачи проволоки так, что с каждым им­пульсом будет переноситься только одна капля присадочного ме­талла. В результате можно получить хорошо управляемую дугу без брызг во всех диапазонах тока, обеспечивающую процесс формирования высококачественных швов в разных пространст­венных положениях. Такое управление сварочным процессом на­зывается синергетическим.

Синергетическая импульсная сварка плавящимся электродом достаточно полно реализуется при использовании инверторных источников питания, обеспечивающих управление длительностя­ми импульса и паузы в интервале от 1 мс до 5 с при частоте пуль­саций до 300 Гц и выше. Импульсное управление переносом ме­талла позволяет влиять также и на металлургию процесса, регули­руя выгорание (окисление) отдельных элементов.

 

Сварочные дуги переменного тока

Особенности дуги переменного тока

По сравнению с дугой постоянного тока дуга переменного тока имеет следующие главные особенности.

В конце каждого полупериода (т. е. через 0,01 с при частоте колебаний переменного тока f = 50 Гц) электрический ток в дуге меняет свое направление, а напряжение - полярность. Катод и анод «меняются местами», и дуга возбуждается вновь. Кривые то­ка и напряжения для дуги переменного тока не являются сину­соидальными.

Повторное возбуждение дуги облегчается остаточной термо­электронной эмиссией электродов или остаточной ионизацией ду­гового промежутка. В каждом полупериоде существует пик зажи­гания U ₃ > U _д. Дуга повторно возбуждается, если соблюдается со­отношение U _msinψ ≥ U ₃. Угол у сдвига фаз между напряжением U и током I источника питания зависит от сопротивления дуги, а также от индуктивного и активного сопротивлений цепи дуги.

Фазу у, при которой возбуждается дуга, можно найти из соот­ношения

 

 

Поскольку амплитуда напряжения источников питания U _m ог­раничена (по соображениям безопасности), уменьшать ψ можно только путем снижения пика зажигания U ₃.

Дуга переменного тока может гореть не весь полупериод, а только часть его. Время перерыва в горении дуги обычно тем больше, чем меньше время существования остаточной термо­эмиссии электронов, чем быстрее происходит распад плазмы стол­ба дуги, чем длиннее дуга и чем хуже динамические свойства ис­точника питания.

 

Вентильный эффект

 

В связи с изменяющимися условиями существования дуги пе­ременного тока на электродах (различие в работе выхода электро­нов φ₁ и φ₂, разные температуры T _пл и T _кип, разные формы элек­тродов и разный теплоотвод от них) возможна асимметрия токов и напряжений в разные полупериоды горения дуги - так называе­мый вентильный эффект (рис. 2.46). Например, при аргонодуговой сварке алюминия вольфрамовым электродом относительная асим­метрия токов Δ I = I _w – I _A1 может достигать 50 % и более.

 

 

В этом случае стационарная термоэлектронная эмиссия с W-катода и его остаточная эмиссия значительно больше, чем с «холод­ного» А1-катода по следующим основным причинам:

1)температура плавления вольфрама (T ^w_пл ≈ 4000 К) значи­тельно превышает температуру плавления алюминия (Т ^Al  _пл ≈ 950 К);

2)катодное падение потенциала алюминия U ^Al _k значительно

больше, чем катодное падение потенциала вольфрама U ^w _k;

3) теплоотвод в массивное алюминиевое изделие больше, чем в
W-стержень.

Вентильный эффект обычно ухудшает стабильность сварочно­го процесса, формирование шва, чистоту поверхности, прочност­ные свойства соединения. Кроме того, постоянная составляющая Δ I вредно сказывается на работе сварочных преобразователей энергии (трансформаторов) и уменьшает катодное распыление на алюминиевом изделии. Для уменьшения постоянной составляю­щей включают конденсаторы, аккумуляторы или другие устройст­ва, компенсирующие вентильный эффект.