Лаб раб 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ДУГОВОГО РАЗРЯДА НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ(1) (Лабораторная 3 (Неровный))

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

Кафедра – Технологии сварки и диагностики

Название дисциплины

«Физические основы источников энергии при сварке»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Исследование сварочного дугового разряда

на переменном токе

Москва

ИССЛЕДОВАНИЕ СВАРОЧНОГО ДУГОВОГО РАЗРЯДА

НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

Цель работы: ознакомление с особенностями дугового разряда на переменной токе.

Содержание работы:

Переменный ток для питания сварочной дуги начал использоваться позднее, чем постоянный, что связано с меньшей устойчивостью дуги переменного тока и стало возможным только после ряда исследований, проведённых в 1920-1930 годы. Необходимость использования переменного тока для дуговой сварки объясняется экономической целесообразностью, в частности применением более простого и дешёвого сварочного оборудования (трансформатор вместо сварочного генератора или выпрямителя). Переменный ток чаще всего применяется при сварке штучными электродами с обмазкой, при сварке плавящимся электродом под флюсом и при сварке неплавящимся электродом в аргоне алюминия и его сплавов.

Кратко отметим физические особенности сварочной дуги.

Дуговой разряд может возбуждаться и существовать при определён­ном минимальном значении напряжения;

U_д = U_кат + U_анод + b∙l_д = а + b∙l_д (1)

где U_кат - падение потенциала в катодной области, В;

U_анод - падение потенциала в анодной области, В ;

а - сумма катодного и анодного падений напряжения, В ;

b - падение потенциала на 1мм длины дугового промежутка, В/мм ;

l_д - длина дугового промежутка, мм .

Дуга переменного тока - это дуга, в которой изменяется направление тока и, следовательно, один и тот же элек­трод которой переменно бывает то катодом, то анодом. В сварочной технике чаще всего используются дуги промышленной частоты. Иногда используются также токи повышенной частоты (400—500 Гц).

Дуговой разряд на переменном токе отличается от разряда на постоянном токе тем, что перемена знака напряжения на электроде каждый раз приводит к обрыву дуги и возбуждению его вновь, но уже в обратном направлении. Это явление происходит с удвоенной частотой переменного тока и для обеспечения стабильности сварочного процесса необходимо стимулировать повторное возбуждение при переходе тока через нулевое значение. Зажигание дуги происходит в каждом новом полупериоде после перехода значений тока через нуль, когда напряжение на элект­родах достигает некоторого критического значения — напряжения зажигания U₃ (рис. 1).

Рис. 1. Изменение параметров дуги переменного тока:

а – без индуктивности в цепи; б – с индуктивностью.

Ток в межэлектродном проме­жутке в момент зажигания I₃ резко воз­растает до величины тока дуги I_д, а напряжение падает до U_д. На протяже­нии остальной части полупериода напря­жение дуги остается почти постоянным, а ток непрерывно растет, что влечет за собой изменение поперечных размеров столба дуги и его температуры, интенсивности газовых потоков в дуге, размера активных пятен и их температуры. К концу полу­периода напряжение и ток, приближаясь к нулевому значению, снижаются на­столько, что дуга гаснет. Остаточная плазма в межэлектродном промежутке начинает интенсивно «остывать», что сопро­вождается снижением ее проводимости, которое наблюдается некоторое время и после перехода тока через нуль.

Характер изменения электрических параметров межэлектродного промежут­ка от момента перехода тока через нуль до момента зажигания, их величина и воспроизводимость в каждом последую­щем полупериоде определяют стабиль­ность горения дуги в целом. Для повышения стабильности сварочных дуг переменного тока обычно используются как физико-химические способы (введение через обмазку или флюс в зону дуги элементов с малым потенциалом ионизации), так и чисто электрические способы (введение в сварочную цепь индуктивности или подачу на дуговой промежуток «стабилизирующих» импульсов при переходе тока через нулевое значение).

Нa рис.2 показаны характерные кривые тока и напряжения, которые мож­но записать с помощью осциллографа. Резкое возрастание напряжения (а) или пик на кривой свидетельствует о начале возникновения дугового разряда, который существует до определённой величины напряжения (б).

Рис. 2. Схематизированная осциллограмма тока и напряжения дуги,

существующей между электродами из различных материалов.

Таким образом, время горения дуги меньше чем полупериод и сос­тавляет приблизительно 60-75 % от общего времени прохождения тока. Как видно из осциллограммы тока на рис.2 значения тока во время смены полярности весьма малы и определяются лишь остаточной прово­димостью дугового промежутка.

Кривые тока и напряжения практически симметричны относительно оси времени t в том случае, если материалы свариваемого изделия и электрода одинаковы, так как условия эмиссии электронов с торца элект­рода и поверхности сварочной ванна можно считать одинаковыми.

Заметным становится смещение кривых тока и напряжения при горении дуги между электродами из разных материалов, так как анодное и ка­тодное падения напряжения, определяемые рядом физических свойств (работа выхода электронов φ, температура катода Т, теплопровод­ность материала катода, наличие на нем тугоплавких окислов (например Al₂O₃).

Если взять два материала электродов графит + сталь и осущест­вить сварку на сварочном токе I = 250-300 A при условии, что в од­ном случае катодом является графит, а в другом сталь, то с помощью уравнения (1) можно определить падение напряжения при сварке.

Графит (катод) - сталь (анод): U_д = 13,4 + 2,2 х 5 = 24,4 В. (l_д = 5 мм.)

Сталь (катод) - графит (анод): U_д = 18,3 + 2,4 х 5 = 30,3 В.

Следовательно, напряжение при дуговом разряде графит- сталь на переменном токе при длине дугового промежутка 5 мм будет колебаться между полупериодами в пределах 24,4 - 30,3 В, что и создаёт ассиметричное расположение кривых напряжений и тока относительно нулевой линии осциллограммы, то есть наблюдается появление в переменном токе сварочной дуги «постоянной составляющей». Такое явление называется вентильным эффектом.

Наличие асимметрии тока и напряжения снижает устойчивость сварочной дуги на переменном токе, особенно при сварке алюминиевых сплавов, на поверхности которых могут образовываться прочные окисные пленки Al₂O₃, затрудняющие эмиссию электронов и уменьшающие ве­личину электронного тока, а значит и сварочного тока. В результате такого явления могут возникать перерывы в горении сварочной дуги, что отрицательно скажется на качестве формирования сварных швов. Поэтому все современные промышленные установки для сварки неплавящимся вольфрамовым электродом имеют системы компенсации постоянной составляющей, то есть устраняющие вентильные эффект.

Оборудование и материалы

1. Сварочный пост переменного тока с амперметром и вольтметром.

2. Осциллограф электронно-лучевой или другого типа.

3. Электроды: угольные (2 шт.), алюминиевый, медный, стальной (Ø 16-20 мм), штучный покрытый электрод АНО4 или другой марки Ø 4 мм).

4. Подставка для закрепления электродов .

5. Калька размером 100х100 мм в количестве 10 шт.

Порядок выполнения работы

1. Под руководством учебного мастера подготовить осциллограф к работе: прогреть прибор, включив его за 13-20 мин. до начала опы­тов, проверить установки "нулей"- светящихся горизонтальных линий на экране (U_д = 0, I_д = 0). Эти линии должны быть совмещены друг с другой и занимать центральное положение относительно сетки на экране. Проверить по величине отклонения луча на экране вверх-вниз в про­цессе сварки на кривых напряжения и тока и если надо, то отрегулировать масштаб изображения, которое должно быть удобно для наблюдения за изменением параметров процесса и зарисовывания кривых U_д и I_д.

2. Заточить угольный электрод, который закреплен в электродо-держателе. Притупление конца электрода - около 5-8 мм. Проверить состояние поверхности алюминиевого, медного и угольного электродов, находящихся в подставке на сварочном столе.

З. Приступить к проведению опытов; возбуждение дугового разряда на различных материалах электродов при I_д = 180-200 А, l_д = З-7 мм на переменном токе; наблюдению характерных особенностей кривых напряжения и тока и их зарисовыванию с целью обнаружения вентиль­ного эффекта.

Опыт 1. Материалы электродов: уголь - уголь.

Возбудить дуговой разряд между электродами, по возможности под­держивая постоянной длину дуги. Отметить характерные особенности кривых тока и напряжения, зарисовать их на кальку. На полученной осциллограмме обязательно надо зарисовать исходное положение осциллографических линий при U_д = 0, I_д= 0. Без этого невозможно выявить произошло ли смещение кривых тока и напряжения.

Опыт 2. Материалы электродов: уголь - алюминий.

Возбудить дуговой разряд и после наблюдения кривых тока и напря­жения зарисовать их на кальку.

Опыт 3. Материалы электродов; уголь - сталь.

Проделать опыт аналогично тому, как это выполнялось выше.

Опыт 4. Материалы электродов: покрытый электрод - стальная плас­тина. Данный опыт отличается от остальных тем, что в процессе горе­ния дугового разряда происходит плавление верхнего и нижнего элек­тродов, в результате чего возникают короткие замыкания межэлектродного пространства. Поэтому будут наблюдаться изменения тока и нап­ряжения на дуге. В первом случае ток короткого замыкания будет дости­гать своего максимального значения, (I_{кор.зам.}) напряжение – минимального значения (U_д = 0).

Содержание отчёта

1. Принципиальную электрическую схему соединения между собой электродов, осциллографа и сварочного трансформатора, амперметра и вольтметра для контроля силы сварочного тока и напряжения на дуге.

2. Осциллограммы тока и напряжения для всех материалов электро­дов, а также осциллограмму напряжения для режима холостого хода U_хх, зарисованные на кальках. Отметить на осциллограммах характерные осо­бенности: пики зажигания и момент прекращения горения дуги, ампли­тудные значения U_д , I_д для обеих полуволн на осциллограммах, нанес­ти пунктиром условное положение нулевой линии как если бы не было выпрямляющего действия дуги, горящей на различных материалах элек­тродов.

Контрольные вопросы.

1. Укажите место на осциллограмме значения напряжения, которое соответствует возникновению дугового разряда и место практически прекращения горения дуги?

2. За счёт каких процессов происходит повторное возбуждение ду­гового разряда при смене полярности, когда катод и анод меняются местами на верхнем и нижнем электродах?

3. Можно ли по величине пика зажигания судить о том насколько легко или с трудом зажигается дуговой разряд?

4. Какова физическая сущность пика зажигания и может ли напряжение, соответствующее ему, быть меньше, больше или равно напряжению U_д, при котором развивается устойчивое горение дуги на каждой полуволне?

5. Какие физические факторы влияют на возникновение постоянной составляющей при сварке на переменном токе? К чему приводит это яв­ление на практике?

6. Каким образом можно устранить это явление в производственных условиях?

8