Особенности бесконтактных возбуждений дуги переменного тока
Рассмотрены некоторые важные особенности процессов бесконтактных первоначального и повторных возбуждений дуги переменного тока при дуговой и плазменной сварке, а также электронных вольтодобавочных устройств, генерирующих импульсы высокого и повышенного напряжения, инжектируемые в межэлектродный пром...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2015
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/113251 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Особенности бесконтактных возбуждений дуги переменного тока / Н.М. Махлин // Автоматическая сварка. — 2015. — № 10 (746). — С. 30-37. — Бібліогр.: 32 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859810884455497728 |
|---|---|
| author | Махлин, Н.М. |
| author_facet | Махлин, Н.М. |
| citation_txt | Особенности бесконтактных возбуждений дуги переменного тока / Н.М. Махлин // Автоматическая сварка. — 2015. — № 10 (746). — С. 30-37. — Бібліогр.: 32 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Рассмотрены некоторые важные особенности процессов бесконтактных первоначального и повторных возбуждений дуги переменного тока при дуговой и плазменной сварке, а также электронных вольтодобавочных устройств, генерирующих импульсы высокого и повышенного напряжения, инжектируемые в межэлектродный промежуток для реализации этих процессов. Показано, что наиболее рациональным путем совершенствования возбудителей и стабилизаторов дуги является создание вольтодобавочных устройств, называемых возбудителями-стабилизаторами и отличающихся возможностью функционировать в режиме как первоначального так и повторных возбуждений дуги, т.е. в режиме стабилизации процесса горения дуги переменного тока. Приведены выработанные на основе многочисленных исследований, опыта разработки и применения вольтодобавочных устройств оптимизированные требования к параметрам генерируемых этими устройствами импульсов. Рассмотрены некоторые особенности построения комбинированных возбудителей-стабилизаторов дуги.
Considered are some important peculiarities of processes of contactless initial and repeated ignitions of alternating current arc in arc and plasma welding as well as electron voltage boosters. The latter generate the pulses of high and increased voltage being injected in inter-electrode gap for process realizing. It is shown that the most reasonable way for improvement of arc exciters and stabilizers is development of voltage boosters so called exciter-stabilizers. They differ by possibility to function in initial and repeated arc ignition modes, i.e. in the mode of stabilizing of alternating current arc burning. Optimized requirements on parameters of pulses generated by these devices are given based on multiple investigations, experience of development and application of voltage boosters. Some peculiarities of designing of combined arc exciter-stabilizers are considered.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:19:21Z |
| format | Article |
| fulltext |
30 10/2015
УДК 621.791
особенности бесКонтаКтных возбУжДений
ДУги пеРеменного тоКа
Н.М. МАХЛИН
гп «ниЦ сКаЭ иЭс им. е.о. патона нан Украины». 03680, г. Киев, ул. боженко, 11. E-mail: electro@paton.kiev.ua
Рассмотрены некоторые важные особенности процессов бесконтактных первоначального и повторных возбуждений
дуги переменного тока при дуговой и плазменной сварке, а также электронных вольтодобавочных устройств, генериру-
ющих импульсы высокого и повышенного напряжения, инжектируемые в межэлектродный промежуток для реализации
этих процессов. показано, что наиболее рациональным путем совершенствования возбудителей и стабилизаторов дуги
является создание вольтодобавочных устройств, называемых возбудителями-стабилизаторами и отличающихся возмож-
ностью функционировать в режиме как первоначального так и повторных возбуждений дуги, т.е. в режиме стабилизации
процесса горения дуги переменного тока. приведены выработанные на основе многочисленных исследований, опыта
разработки и применения вольтодобавочных устройств оптимизированные требования к параметрам генерируемых
этими устройствами импульсов. Рассмотрены некоторые особенности построения комбинированных возбудителей-ста-
билизаторов дуги. библиогр. 32, табл. 2.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая и плазменная сварка, переменный ток, устойчивость дуги, тлеющий и дуговой раз-
ряды, напряжение зажигания, электронные возбудители – стабилизаторы дуги, энергия, амплитуда и длительность
импульсов
Введение. такие преимущества сварки перемен-
ным током, как отсутствие магнитного дутья,
возможность получения более мелкозернистой
структуры металла шва и зоны термического вли-
яния, простота, надежность и сравнительно низ-
кая стоимость сварочных источников питания,
обусловили широкое использование переменного
тока при ручной дуговой сварке покрытыми элек-
тродами (мма), в инертных газах (TIG) и других
способах дуговой и плазменной сварки. вместе с
тем сварке переменным током присущи и опреде-
ленные недостатки, основным из которых являет-
ся низкая устойчивость процесса горения дуги.
особенно это характерно для синусоидальных
сварочных токов промышленных частот, что свя-
зано с периодическими погасаниями дуги вслед-
ствие деионизации межэлектродного промежутка,
возникающей при каждом изменении полярности
тока дуги. поэтому на протяжении многих деся-
тилетий ведется поиск способов и средств повы-
шения устойчивости сварочных дуг переменного
тока [1–9].
способы повышения устойчивости процессов
горения сварочных дуг переменного тока мож-
но условно разделить на металлургические и
электрические.
металлургические способы базируются либо
на введении в дуговой промежуток через покры-
тие электрода, сварочную проволоку, защитную
среду или иным образом элементов с низким по-
тенциалом ионизации, либо на увеличении тер-
моэлектронного тока за счет легирования стерж-
ня покрытого электрода или сварочной проволоки
элементами с низкой работой выхода электронов
[8, 10–13]. однако в результате исследований и
практикой установлено, что возможность повы-
шения устойчивости процессов горения метал-
лургическими способами ограничена довольно
узкими областями режимов сварки.
по сравнению с металлургическими электри-
ческие способы повышения устойчивости дуг пе-
ременного тока более доступны, разнообразны и
обеспечивают более широкие технологические
возможности. в результате проведенных исследо-
ваний [5, 6, 8–10, 14, 15] определено, что повы-
шение устойчивости дуг переменного тока может
быть достигнуто следующим образом :
• обеспечением высокой скорости изменения
напряжения и тока дуги при смене полярности
этого тока;
• повышением до 90…130 в значения напряже-
ния холостого хода Uх.х;
• использованием при TIG- или плазменной
сварке непрерывно горящей вспомогательной
(«дежурной») дуги;
• применением импульсных сварочных осцил-
ляторов или генераторов высоковольтных импуль-
сов, амплитудное значение выходного напряжения
которых составляет от 3,0 до 10,0 кв, или генера-
торов импульсов повышенного напряжения ам-
плитудой 400…1000 в, подаваемых в межэлект-
родный промежуток в моменты, соответствующие
началу формирования катода на изделии или при
каждой смене полярности сварочного тока.
© н.м. махлин, 2015
3110/2015
среди электрических способов повышения
устойчивости дуг переменного тока наименее за-
тратным и материалоемким и, в силу этого, наи-
более распространенным является применение
импульсных вольтодобавочных устройств [5, 6,
8–10, 14–19]. существует множество разработок
и технических решений. тем не менее задача соз-
дания универсальных устройств, функционирую-
щих в режиме как первоначального возбуждения
дуги, так и повторных возбуждений для стабили-
зации процесса горения дуги, продолжает оста-
ваться актуальной.
Цель настоящей работы — рассмотрение и
обобщение особенностей бесконтактных пер-
воначального и повторных возбуждений сва-
рочной дуги на основе использования литера-
турных данных и собственного опыта автора,
определение с учетом этих особенностей тре-
бований к параметрам высоковольтных импуль-
сов и импульсов повышенного напряжения, кото-
рые должны генерироваться комбинированными
возбудителями-стабилизаторами.
Основные особенности первоначально-
го возбуждения дуги. наиболее распространен-
ным методом бесконтактного первоначального
возбуждения сварочной дуги постоянного тока в
межэлектродном промежутке является его удар-
ная ионизация путем электрического пробоя этого
промежутка высоковольтными импульсами.
Различают таунсендовский и стримерный ме-
ханизмы пробоя [3, 6, 8, 15, 20]. в диапазоне
свойственных дуговой и плазменной сварке зна-
чений произведения pd, где p — давление газа в
межэлектродном промежутке, а d — длина это-
го промежутка, имеет место стримерный харак-
тер пробоя, при котором от анода к катоду про-
растает тонкий плазменный канал — стример.
головка стримера имеет положительный заряд и
при приближении к катоду во много раз усилива-
ет напряженность поля вблизи этого электрода,
что вызывает вторичную электронную эмиссию.
вследствие этого между электродами промежут-
ка образуется «проводящий мостик», по которо-
му электроны проводимости движутся от катода
к аноду, и создаются предпосылки для возникно-
вения и развития искрового разряда, представля-
ющего собой самостоятельный неустановивший-
ся разряд в газе, для которого характерны высокая
температура электронов плазмы в канале разряда
и высокая степень ионизации газа [6, 15, 20]. об-
разование искрового канала обеспечивает скач-
кообразное увеличение проводимости межэлек-
тродного промежутка и, если подсоединенный к
этому промежутку сварочный источник питания
обладает достаточной мощностью, электрическая
искра может превратиться в стационарный дуго-
вой разряд с присущими ему катодным и анодным
пятнами.
очевидно, что при построении устройств для
первоначального возбуждения дуги при дуговой
и плазменной сварке нужно исходить из мини-
мально необходимых значений напряжения про-
боя межэлектродных промежутков (напряжения
возбуждения искрового разряда). следует отме-
тить, что строгой теории искрового разряда, объ-
ясняющей всю совокупность известных фактов,
пока не существует [6, 8, 15, 20, 21]. в некоторых
важных случаях для описания преимущественно
начальной стадии искрового разряда могут быть
использованы приближенные теории [6, 15], одна
из которых базируется на гипотезе теплера о том,
что проводимость канала пропорциональна про-
шедшему через промежуток заряду, а вторая — на
гипотезе вайцеля и Ромпе, согласно которой вся
выделяемая в канале энергия затрачивается на
увеличение внутренней энергии плазмы и пропор-
циональной ей проводимости канала.
аналитический расчет значения напряжения
пробоя сильно затруднен, так как в каждом кон-
кретном случае требует экспериментального опре-
деления значений нескольких специфических ко-
эффициентов. Для частных случаев при TIG- или
плазменной сварке довольно удачной попыткой
аналитического определения напряжения пробоя
в межэлектродных промежутках являются резуль-
таты работы [15], однако приведенные в ней вы-
ражения мало пригодны для инженерных расче-
тов. на практике при определении необходимых
значений напряжения пробоя исходят из данных
экспериментальных работ, среди которых можно
выделить работу [21]. в ней г.и. лесков и в.п.
лугин пришли к выводам о том, что при прочих
равных условиях материал сварочных электродов,
состав их покрытия и обычные для сварки ско-
рости истечения газов не влияют на значения на-
пряжения пробоя. Этими же исследователями не
обнаружено и сколь-либо заметного влияния ча-
стоты следования (в диапазоне от 100 до 3000 гц)
и формы подаваемых в межэлектродный проме-
жуток высоковольтных импульсов. Установлено,
что основными факторами, определяющими зна-
чение напряжения пробоя, являются состав газа в
межэлектродном промежутке, его длина и степень
неоднородности электрического поля в приэлек-
тродных областях. при этом главной молекуляр-
но-кинетической характеристикой газа, от которой
зависит напряжение пробоя, является сечение рас-
сеяния электронов на атомах или молекулах газа.
на основе результатов работ [21, 22] и соб-
ственных экспериментов автора получены при-
веденные в табл. 1 эмпирические выражения для
определения приближенных усредненных значе-
32 10/2015
ний минимально необходимого напряжения про-
боя Uпр в некоторых газовых средах для техно-
логически обоснованных промежутков между
сварочными электродами и типовых длительно-
стях высоковольтных импульсов.
при воздействии на межэлектродный проме-
жуток импульсного напряжения пробоя имеет ме-
сто запаздывание возникновения разряда [6, 15,
20], которое, главным образом, зависит от концен-
трации частиц газа в объеме промежутка и от пре-
вышения приложенного импульсного напряжения
над напряжением пробоя в статическом поле. Это
предопределяет при фиксированной вероятно-
сти пробоя наличие зависимости (вольт-секунд-
ной характеристики) напряжения пробоя от дли-
тельности импульса напряжения, приложенного
к межэлектродному промежутку. при вероятно-
сти пробоя 50 % для условий, существующих при
дуговой и плазменной сварке, вольт-секундная
характеристика может быть представлена как [6,
15]:
31 ,
ïð ïð.ñò
è
aU Ut pd
= +
где a — константа, зависящая от рода газа в межэ-
лектродном промежутке; tи — длительность импуль-
са напряжения, приложенного к межэлектродному
промежутку; Uпр.ст — напряжение пробоя в одно-
родном статическом поле. в реальных сварочных
установках tи обычно не превышает нескольких ми-
кросекунд, а значение Uпр.ст может быть определено
по данным Купера или Ритца [20, 22].
если энергия Wи импульса напряжения, прило-
женного к межэлектродному промежутку, доста-
точна, то непосредственно после пробоя проме-
жутка в нем происходит искровой разряд, что, как
установлено б.я. темкиным [6, 15], сопровожда-
ется в его начальной стадии существенным воз-
растанием проводимости межэлектродного про-
межутка, а в завершающей стадии — ее падением.
в зависимости от условий в межэлектродном
промежутке и характеристик подсоединенного к
нему сварочного источника питания по заверше-
нии искрового разряда возможно полное его зату-
хание или же возникновение тлеющего или дуго-
вого разряда. исследования показали, что дуга в
межэлектродном промежутке возникает только в
том случае, когда сопротивление Rк токопроводя-
щего канала, образованного искровым разрядом,
меньше некоторого порогового значения Rпор, за-
висящего от скорости ввода в канал мощности от
сварочного источника питания, напряжения на
промежутке u(t) и других факторов.
Рекомендуемые для различных газовых сред и
технологически обоснованных межэлектродных
промежутков значения энергии импульса Wи (Дж),
обеспечивающие возбуждение дуги искровым раз-
рядом, полученные нами экспериментально и под-
твержденные опытом применения электронных
вольтодобавочных устройств, составляют: ар-
гон — (0,01…0,15) Дж, гелий — (0,10…0,25) Дж,
азот — (0,15…0,40) Дж, двуокись углерода —
(0,30…0,50) Дж, воздух — (0,30…0,50) Дж.
теория возбуждения дуги переменного тока
разработана слабо. однако, поскольку для дуго-
вой и плазменной сварки используется перемен-
ный ток преимущественно промышленной и близ-
ких к ней частот (от 50 до 200 гц), имеются все
основания полагать, что условие Rк < Rпор спра-
ведливо и в случае переменного тока. так как воз-
буждение дугового разряда во многом зависит от
приложенного к межэлектродному промежутку
напряжения, то возбуждающий дугу импульс дол-
жен начинать инжектироваться в межэлектродный
промежуток вблизи амплитуды Uxx источника пи-
тания дуги. многочисленными исследованиями
установлено, что при синусоидальной форме тока
дуги фаза начала генерации возбуждающего дугу
импульса должна составлять 75…80 электр. град.
относительно момента, соответствующего нуле-
вому значению Uх.х источника питания дуги, при
этом должно выполняться условие достаточно вы-
сокой скорости нарастания тока дугового разряда.
Кроме того, для осуществления первоначально-
го возбуждения дуги важное значение имеют ус-
ловия эмиссии из электродов, которые для дуги
переменного тока могут быть весьма различны
в зависимости от материала электрода и от того,
является ли электрод в момент возбуждения дуги
анодом или катодом. особенно это характерно для
TIG-сварки алюминия и его сплавов, при которой
возбуждение дуги практически всегда происходит
в интервалы времени, когда катодом является сва-
риваемое изделие.
Некоторые особенности повторных возбуж-
дений дуги переменного тока. в результате мно-
голетних обширных теоретических и эксперимен-
тальных исследований, обобщенных, например,
в [5, 6, 8–10, 23, 24, 26], накоплен значительный
Т а б л и ц а 1 . Приближенные значения напряжения
пробоя Uпр в зависимости от состава газа
состав
газа
напряжение
пробоя Uпр
Длина промежутка между
сварочными электродами
d, мм
аргон 2400+150d 0,5…8,0
гелий 3250+390d 0,5…8,0
азот
2940+920d 0,5…5,5
520+1360d > 5,5
Двуокись
углерода
3200+1200d 0,5…4,0
2400+1400d > 4,0
воздух
3050+1100d 0,5…4,5
1835+1370d > 4,5
3310/2015
опыт, позволяющий объяснить ряд явлений и осо-
бенностей дуги переменного тока, а также сфор-
мулировать основные условия устойчивости дуго-
вого разряда.
наличие пауз в существовании дугового разря-
да в межэлектродном промежутке вблизи перехо-
да тока через нулевое значение является характер-
ной особенностью сварочной дуги переменного
тока. в конце каждого полупериода тока перед
угасанием дугового разряда и после него темпе-
ратура газа в дуге существенно уменьшается, а
степень его ионизации, и, следовательно, прово-
димость межэлектродного промежутка значитель-
но снижаются, при этом снижается и температура
анодного и катодного пятен [6, 8, 25]. вследствие
этого после погасания дуги в конце предыдуще-
го полупериода ее повторное возбуждение в на-
чале следующего полупериода может произойти
при напряжении (пике) зажигания Uз, значение
которого превышает значение напряжения горе-
ния дуги Uд. аналитическое определение значе-
ния Uз до сих пор не представляется возможным.
Экспериментально установлено, что значение Uз
определяется, в основном, электрофизически-
ми свойствами электродов и условиями в межэ-
лектродном промежутке, причем характеристики
процессов в этом промежутке, а, следовательно,
значения Uз различны в зависимости от типа элек-
трода. также установлено, что в полупериоды,
когда анодом является сварочный электрод, значе-
ние Uз в большинстве случаев превышает значе-
ние этого напряжения для полупериодов, в тече-
ние которых электрод является катодом. основной
фактор, определяющий значение Uз — время суще-
ствования в межэлектродном промежутке остаточ-
ной плазмы (время деионизации плазмы дуги) tднц
после погасания дугового разряда вблизи перехода
тока через ноль. Экспериментально доказано, что
чем ниже потенциал ионизации межэлектродного
газа и чем выше diд/dt, тем продолжительней tднц и,
соответственно, ниже значение Uз. такой же эффект
достигается в случае введения в состав электродов
элементов с низкой работой выхода. по данным
г.и. лескова [10], при длительностях перерывов в
горении дуги, не превышающих 2·10–2 с, для элек-
тродов типа Уони-13/45 значение Uз составля-
ет 120…165 в, для содержащих в своем покрытии
легко ионизирующиеся элементы (калий и натрий)
электродов типа омм-5 и Цм-7 Uз = 40…80 в, а
для электродов без покрытия при длительностях пе-
рерывов в горении дуги, не превышающих 1·10–2 с,
Uз > 200…250 в.
особенности процессов, происходящих в меж-
электродном промежутке вблизи перехода тока
через нулевое значение при сварке неплавящимся
электродом, наиболее проявляются при TIG-свар-
ке изделий из алюминия и его сплавов. Для этого
случая характерны высокое значение Uз при пере-
ходе с прямой полярности, при которой катодом
является неплавящийся (вольфрамовый) элект-
род, на обратную, при которой катод — изделие
из алюминия или его сплава, и низкое значение
Uз при переходе с обратной полярности на пря-
мую. Качественно этот феномен можно объяснить
тем, что при переходе с обратной полярности на
прямую температура разогретого в предыдущем
полупериоде неплавящегося электрода в силу
его низкой температуропроводности не успевает
сколь-либо ощутимо измениться и поэтому ток
дуги возникает даже при очень малых значениях
напряжения на межэлектродном промежутке. при
переходе с прямой полярности на обратную про-
цессы в межэлектродном промежутке носят иной
характер. ввиду того, что наружная поверхность
изделия из алюминия и его сплавов практиче-
ски всегда покрыта окисной пленкой Al2O3, рабо-
та выхода из алюминия резко понижается и уже
при напряжении на межэлектродном промежутке
60…80 в в нем возникает диффузионный тлею-
щий разряд, который с дальнейшим восстановле-
нием напряжения на межэлектродном промежут-
ке и возрастанием тока через него переходит в
субнормальную стадию, а затем в нормальную,
причем в нормальной стадии тлеющего разря-
да возрастание тока происходит при неизменном
напряжении. Эта же стадия сопровождается про-
цессом катодного распыления, вследствие чего
осуществляются локальное разрушение окисной
пленки и очистка от нее сварочной ванны. после-
дующее нарастание тока через межэлектродный
промежуток вызывает переход тлеющего разря-
да в его аномальную стадию, которой свойственны
быстрое нарастание напряжения на межэлектрод-
ном промежутке, достигающее при токе 1 а значе-
ния 220…240 в, а затем, при дальнейшем возраста-
нии тока, переход в дуговой разряд с характерным
для него низким напряжением горения, на 10…12 в
большим по сравнению со значениями напряжения
горения дуги в полупериоды прямой полярности [6,
15, 20].
Рассмотрение особенностей процессов, проис-
ходящих в межэлектродном промежутке вблизи
перехода тока через ноль при TIG-сварке, показы-
вает, что значение Uз при смене полярности с пря-
мой на обратную определяется пиком напряжения
на межэлектродном промежутке в аномальной ста-
дии тлеющего разряда, предшествующего дуговому.
с учетом этого в случае использования в качестве
защитного газа аргона при TIG-сварке изделий из
алюминия и его сплавов Uз = 240…250 в, а случае
использования других газов в соответствии с данны-
34 10/2015
ми, приведенными, например, в [8, 20], значение Uз
может составлять 300…350 в.
поскольку Uхх источника переменного тока
согласно требованиям безопасности при дуговой
сварке не должно превышать 80 в эффективно-
го значения (113 в амплитудного значения), то на
практике надежные повторные возбуждения дуги
можно обеспечить лишь при наличии в покрытии
или в материале электрода легко ионизирующих-
ся элементов. во всех остальных случаях стабиль-
ное горение дуги без принятия специальных мер
невозможно.
наиболее универсальным и эффективным ме-
тодом обеспечения устойчивости дуг переменно-
го тока является кратковременное (импульсное)
повышение напряжения на межэлектродном проме-
жутке при каждой смене полярности протекающего
через этот промежуток тока с помощью специаль-
ных устройств, получивших название стабилизато-
ры горения дуги и представляющих собой генерато-
ры импульсов повышенного напряжения, амплитуда
которых равна или превышает значение Uз [1, 3, 5,
6, 8, 10, 15–19, 27]. Экспериментально установлено,
что длительность таких импульсов в зависимости
от свойств сварочного источника питания и усло-
вий в межэлектродном промежутке должна состав-
лять (0,05…0,10)×10–3 с, а в отдельных случаях,
например, при сварке плавящимся электродом в
среде CO2, (0,20…1,00)×10–3 с. Энергия Wи.ст этих
импульсов должна во всех случаях обеспечивать
переход от аномального тлеющего разряда в ду-
говой. в табл. 2 приведены полученные нами и
другими исследователями экспериментально [5, 6,
8, 10] значения энергии Wи.ст генерируемых стаби-
лизаторами горения дуги импульсов, рекомендуе-
мые для различных защитных сред и технологиче-
ски обоснованных межэлектродных промежутков
при сварке некоторых металлов и сплавов.
Особенности построения и пути совершен-
ствования комбинированных возбудителей–
стабилизаторов. структуры построения специ-
ализированных возбудителей и стабилизаторов
горения дуги сходны между собой, но эти устрой-
ства отличаются друг от друга как амплитудными
параметрами выходных импульсов, так и алгорит-
мами и режимами работы их узлов управления.
опыт применения возбудителей дуги убежда-
ет, что принципиально эти устройства способны
обеспечить эффективную стабилизацию процес-
са горения подавляющего большинства свароч-
ных дуг переменного тока [4, 8, 16, 17, 27], однако
при этом возникает необходимость значительного
усиления изоляции сварочного инструмента (на-
пример, электрододержателей для мма) и про-
водов сварочной цепи. еще более серьезные кон-
структивные затруднения появляются в случаях
использования возбудителей дуги для стабилиза-
ции процесса ее горения при сварке переменным
током способом MIG/MAG. помимо этого, как по-
казано выше, для стабилизации процесса горения
дуги необходимая энергия инжектируемых в меж-
электродный промежуток импульсов превышает
энергию, необходимую для обеспечения перво-
начального возбуждения дуги. в силу этого при
использовании возбудителей дуги для стабили-
зации процесса ее горения необходимо завышать
уровень энергии, запасаемой в емкостных нако-
пителях генератора импульсов повышенного на-
пряжения (гин) возбудителей дуги, что вызывает
необходимость увеличения массогабаритных по-
казателей этих устройств и их стоимости. Кроме
того, при использовании для стабилизации про-
цесса горения дуги переменного тока возбудите-
лей дуги схема управления последних требует не-
которых усложнений ввиду различий в моментах
начала генерации выходных импульсов возбудите-
лей и стабилизаторов. например, эксперименталь-
но установлено, что при синусоидальной форме
сварочного тока вырабатываемый возбудителем
дуги и инжектируемый в межэлектродный проме-
жуток импульс должен начинать генерироваться в
моменты, соответствующие фазе 75…80 электр.
Т а б л и ц а 2 . Значения энергии импульсов Wи.ст, обеспечивающие повторные возбуждения дуги
материал свариваемого изделия способ сварки состав газа или тип покрытия Энергия импульса Wи.ст, Дж
низкоуглеродистые и
легированные стали
TIG
аргон 0,05…0,35
гелий 0,20…0,40
мма
Фтористо-кальциевое покрытие 0,40…0,90
органическое покрытие
без железного порошка 0,20…0,35
MAG Двуокись углерода 0,60…1,20
медь и медесодержащие сплавы
TIG
аргон 0,35…0,70
азот 0,5…1,00
Цветные металлы и сплавы
(кроме Cu и Al)
аргон 0,25….0,50
гелий 0,35…0,65
алюминий и его сплавы
аргон 0,45…0,90
гелий 0,50…1,00
3510/2015
град. относительно момента нулевой фазы напря-
жения холостого хода источника питания дуги, в
то время, как стабилизирующие горение дуги им-
пульсы целесообразно инжектировать в момен-
ты, соответствующие фазе 68…72 электр. град. [4,
6, 8, 10, 15, 27]. необходимо отметить и то, что
использование возбудителей дуги для стабили-
зации процесса ее горения при TIG может вызы-
вать ускоренную эрозию неплавящегося электро-
да, обуславливая этим возрастание вероятности
образования в процессе сварки дефектов сварного
соединения.
Для осуществления повторных возбуждений
дуги специализированные стабилизаторы ее го-
рения должны обеспечивать при каждой смене
полярности напряжения на межэлектродном про-
межутке переход из тлеющего разряда в дуговой
через аномальную стадию тлеющего разряда. Для
этого инжектируемые в межэлектродный проме-
жуток импульсы стабилизатора должны иметь со-
ответствующие особенностям повторных возбуж-
дений дуги достаточную энергию и длительность,
а также амплитуду Uс.и.m, удовлетворяющую усло-
вию Uс.и.m ≥ KсUз, где Kс = 1,10…1,25. Как пра-
вило, Uс.и.m = 400…600 в, в отдельных специа-
лизированных моделях стабилизаторов горения
дуги Uс.и.m = 700…950 в. необходимым условием
для обеспечения повторных возбуждений свароч-
ной дуги является правильность выбора момен-
та начала инжекции стабилизирующего импуль-
са в межэлектродный промежуток. например, при
преждевременной инжекции этого импульса его
энергия будет рассеяна еще до того, как возник-
нет тлеющий разряд, вследствие чего переход на-
пряжения на межэлектродном промежутке через
пик зажигания станет практически невыполним.
анализ имеющихся в литературе данных свиде-
тельствует о том, что в вопросе выбора момента
начала инжекции стабилизирующего импульса
единое мнение у исследователей отсутствует. по
утверждению авторов работы [1] наиболее целе-
сообразными моментами начала инжекции стаби-
лизирующих импульсов являются моменты, когда
после перехода сварочного тока через ноль напря-
жение на межэлектродном промежутке достигает
значений 15…20 в, а по мнению автора работы
[28] — значения 20…50 в. исследования, резуль-
таты которых приведены в работе [6], показали,
что стабилизирующий импульс должен быть ин-
жектирован не ранее, чем когда тлеющий разряд
в межэлектродном промежутке уже сформирован,
т.е. с некоторой задержкой относительно момента
смены полярности на межэлектродном промежут-
ке. Длительность этой задержки определяется вре-
менем развития тлеющего разряда, зависит от тока
и скорости его изменения вблизи нулевых значений
и от скорости восстановления напряжения на межэ-
лектродном промежутке и составляет от нескольких
микросекунд до 200×10–6 с.
обычно в стабилизаторах дуги с помощью их
схем управления достигается задержка длитель-
ностью (60…100)×10–6 с, что с учетом времени
включения коммутирующего ключа гин стаби-
лизатора обеспечивает необходимое запаздывание
начала инжекции стабилизирующего импульса в
межэлектродный промежуток [4, 6, 10, 15]. часто-
та следования инжектируемых в межэлектродный
промежуток стабилизирующих импульсов может
быть равна частоте напряжения питающей сети
или удвоенному ее значению, что характерно для
большинства стабилизаторов горения дуги при
мма и TIG [4, 6, 8, 10].
одна из отличительных особенностей суще-
ствующих специализированных стабилизаторов
горения дуги заключается в том, что выход их си-
ловой части, как правило, подключен непосред-
ственно к межэлектродному промежутку, т.е. па-
раллельно выходу сварочного источника питания.
силовая часть такого стабилизатора включает в
себя зарядное устройство (зУ), накопитель энер-
гии (преимущественно емкостной), токоограничи-
вающий резистивный или индуктивный элемент
и разрядный ключ (преимущественно тиристор-
ный), при этом емкостной накопитель может быть
подсоединен к зУ параллельно или последова-
тельно с ним [4, 6, 8]. подобное подключение вы-
хода силовой части стабилизатора хотя и являет-
ся наиболее простым и дешевым, однако обладает
и существенными недостатками. в зависимости
от того, какой преобладающий характер — рези-
стивный или индуктивный — имеет токоограни-
чивающий элемент, разряд емкостного накопи-
теля стабилизатора может быть апериодическим
или колебательным соответственно. Электромаг-
нитные процессы, происходящие в контуре раз-
ряда емкостного накопителя стабилизатора, хо-
рошо изучены и проанализированы в ряде работ
с помощью линейных дифференциальных урав-
нений второго порядка с ненулевыми начальны-
ми условиями [5, 8, 29–31]. при этом приняты до-
пущения о полном разряде (в каждом его цикле)
предварительно заряженного емкостного накопи-
теля гин стабилизатора и о неизменности прово-
димости межэлектродного промежутка в течение
всей длительности разряда. из анализа решений
известных уравнений следует, что, во-первых,
добротность разрядного контура и ток i(t) в этом
контуре пропорциональны проводимости межэ-
лектродного промежутка, а, во-вторых, для обе-
спечения необходимых значений длительности
стабилизирующего импульса и амплитуды i(t), со-
ставляющей 60…100 а при напряжении заряда
36 10/2015
емкостного накопителя Uс0 = 400…600 в, требу-
емая емкость конденсаторов емкостного накопи-
теля стабилизатора должна быть не меньше, чем
несколько десятков микрофарад. подключение
выхода стабилизатора параллельно межэлектрод-
ному промежутку требует наличия входного или
выходного трансформатора для гальванической
развязки с цепями питающей сети [5, 8]. Кроме
того, при параллельном включении стабилиза-
тора существенно снижается его эффективность
из-за шунтирующего действия выходного импен-
данса сварочного источника питания или потерь в
защитном фильтре верхних частот (вч-фильтре),
предохраняющем компоненты выходных цепей
сварочного источника питания от воздействия вы-
рабатываемых стабилизатором импульсов повы-
шенного напряжения. обычно вч-фильтр пред-
ставляет собой г-образное индуктивно-емкостное
звено, состоящее из подключенного последова-
тельно с дугой высокочастотного дросселя с об-
моткой, рассчитанной на протекание через нее
полного тока дуги, и частотного конденсатора,
подсоединяемого параллельно выходу сварочного
источника питания [6]. существенным недостат-
ком стабилизаторов параллельного включения с
непосредственным подключением к межэлект-
родному промежутку является принципиальное
исключение возможности их использования для
осуществления безконтактного первонаначально-
го возбуждения сварочной дуги.
более эффективны возбудители и стабилиза-
торы дуги последовательного включения, обе-
спечивающие выделение в межэлектродном про-
межутке почти всей энергии, накопленной в
формирующих контурах их гин (пренебрежи-
тельно малая часть этой энергии рассеивается в
защитном конденсаторе, шунтирующем выход
сварочного источника питания, и на проводах сва-
рочной цепи). при последовательном включении
импульсных вольтодобавочных устройств в цепь
сварочной или вспомогательной дуги отпадает не-
обходимость в вч-фильтре, а для предотвращения
от воздействия на сварочный или дополнитель-
ный источники питатания импульсов высоко-
го или повышенного напряжения достаточно ис-
пользования защитного конденсатора [6, 15–17].
важным достоинством импульсных вольтодоба-
вочных устройств последовательного включения
является их предпочтительность с точки зрения
электромагнитной совместимости [16, 32].
таким образом, из рассмотрения и анализа от-
меченных особенностей первоначального и по-
вторных возбуждений и специализированных
вольтодобавочных устройств для реализации
этих процессов вытекает, что создание комбини-
рованных возбудителей-стабилизаторов возмож-
но при условии последовательного включения
этих устройств в цепь дуги и совершенствования
схемотехнических и конструктивных решений
функциональных узлов их силовой части, осо-
бенно гин, а также алгоритмов работы их схем
управления.
Выводы
1. Для более полного объяснения всей совокуп-
ности процессов, связанных с первоначальным
и повторными возбуждениями сварочной дуги,
в том числе дуги переменного тока, требуются
дальнейшие теоретические и экспериментальные
исследования, особенно в направлении изучения
приэлектродных явлений.
2. в результате рассмотрения и обобщения
особенностей бесконтактных первоначального
и повторных возбуждений сварочной дуги, вы-
полненных на основе использования известных
литературных данных, теоретических и экспе-
риментальных работ разных авторов и нашего
опыта разработки и применения средств реализа-
ции этих процессов, определены требования к па-
раметрам высоковольтных импульсов и импуль-
сов повышенного напряжения, которые должны
генерироваться комбинированными возбудителя-
ми-стабилизаторами, а также к моментам нача-
ла инжекции этих импульсов в межэлектродный
промежуток.
3. в режиме первоначального возбуждения (за-
жигания) дуги в зависимости от условий в межэлек-
тродном промежутке (его длины, рода и давления
газа, формы и чистоты обработки рабочего тор-
ца сварочного электрода и свариваемого изделия)
основные параметры генерируемых возбудителя-
ми-стабилизаторами выходных высоковольтных им-
пульсов должны иметь следующие значения: энер-
гия импульса — от 0,01 до 0,50 Дж, амплитуда — от
3,0 до 10,0 кв, длительность (на уровне 0,05 ампли-
тудного значения) — от 3 до 20 мкс.
в режиме стабилизации дуги переменного тока
(при повторных ее возбуждениях) в зависимости
от степени деионизации и связанного с ней сни-
жения проводимости межэлектродного проме-
жутка при каждой смене полярности тока дуги
значения основных параметров вырабатываемых
возбудителями-стабилизаторами импульсов повы-
шенного напряжения должны составлять: энергия
импульса — от 0,2 до 1,0 Дж, амплитуда — от 400
до 950 в, длительность (на уровне 0,05 амплитуд-
ного значения) — от 50 до 100 мкс, а в отдельных
случаях (например, при сварке плавящимся элект-
родом в CO2) — 0,2 до 1,0 мс.
4. создание комбинированных возбудите-
лей-стабилизаторов возможно при условии, что
их построение предусматривает последовательное
3710/2015
включение выходных цепей этих устройств в цепь
сварочной или вспомогательной дуги.
Автор выражает свою признательность ин-
женерам А.Г. Скирте и В.Ю. Буряку за ценную по-
мощь при подготовке данной работы.
1. Патон Б.Е., Завадский В.А. импульсное зажигание дуги
при газоэлектрической и ручной дуговой сварке // авто-
мат. сварка. – 1956. – № 3. – с. 26–35.
2. Лаужадис А.И. влияние частоты тока на стабильность
дуги и процесса ручной дуговой сварки // там же. – 1967.
– № 9. – с. 29–32.
3. Лесков Г.И., Лугин В.П. переменному току – дорогу в
сварку. – тула: приок. книж. изд-во, 1969. – 59 с.
4. Троицкий В.А. способ плавного регулирования источни-
ков питания, содержащих продольно-емкостную компен-
сацию // автомат. сварка. – 1981. – № 5. – с. 8–12.
5. Дыменко В.В. повышение стабильности процесса и рас-
ширение технологических возможностей сварки пере-
менным током плавящимся электродом. – Дис. … канд.
техн.наук. – Киев, 1985. – 277 с.
6. Оборудование для дуговой сварки: справ. пособие / под
ред. в.в. смирнова. – л.: Энергоатомиздат, 1986. – 656 с.
7. Пентегов И.В., Дыменко В.В., Рымар С.В. выбор напря-
жения холостого хода в источниках для ручной дуговой
сварки переменным током // автомат. сварка. – 1995. –
№ 5. – с. 35–40.
8. Сварочные источники питания с импульсной стабилизаци-
ей горения дуги. / б.е. патон, и.и. заруба, в.в. Дыменко,
а.Ф. Шатан. – Київ: екотехнологія, 2007. – 218 с.
9. Коротинський О.Є. високоефективні джерела живлення
для дугового зварювання на основі індуктивно-ємнісних
перетворювачів. Дис. …докт. техн. наук. – Киев, 2007. –
392 с.
10. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга. – м.: маши-
ностроение, 1970. – 335 с.
11. Морозкин И.С. Управление зажиганием сварочной дуги
при механизированных видах наплавки. – Ростов-на-До-
ну: Рост. гос. ун-т путей сообщения, 2003. – 174 с.
12. Arc initiation in gas metal arc welding / D. Farson,
C. Courardy, J. Talkington et al. // Ibid. – 1998. – № 8. –
P. 315–321.
13. Weinshehk H.E., Schellhase M. Wiederzundugscharacteris-
tiken von Schwießlichtbogen mit abschmelzen der Elektrode.
– ZIS-Mitt., 1971. – 13, № 12. – P. 1706–1720.
14. Технология электрической сварки металлов и сплавов
плавлением / под ред. б.е. патона. – м.: машиностро-
ение, 1974. – 768 с.
15. Темкин Б.Я. теория и расчет возбудителей сварочной
дуги. автореф. дис. … канд. техн. наук. – л., 1981. – 16 с.
16. Дудко Д.А., Федотенков В.Г., Махлин Н.М. тиристорные
генераторы импульсов типа УпД-1 // автомат. сварка. –
1980. – № 6. – с. 61–63.
17. Махлин Н.М., Коротынский А.Е. анализ и методика рас-
чета электронных устройств последовательного вклю-
чения для бесконтактного возбуждения дуги // автомат.
сварка. – 2014. – № 1. – с. 34–44.
18. Махлин Н.М., Коротынский А.Е. асинхронные возбуди-
тели и стабилизаторы дуги: анализ и методика расчета.
часть 1 // там же. – 2015. – № 3–4. – с. 25–36.
19. Махлин Н.М., Коротынский А.Е. асинхронные возбуди-
тели и стабилизаторы дуги: анализ и методика расчета.
часть 2 // там же. – 2015. – № 7. – с. 28–40.
20. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. – м.: наука, 1987.
– 632 с.
21. Лесков Г.И., Лугин В.П. исследование электрического
пробоя промежутков между сварочными электродами //
свароч. пр-во. – 1971. – № 2. – с. 10–11.
22. Мик Дж., Крэгс Дж. Электрический пробой в газах. пер.
с англ. – м.: изд-во иностр. лит., 1960. – 606 с.
23. Патон Б.Е., Лебедев В.К. Электрооборудование для ду-
говой и шлаковой сварки. – м.: машиностроение, 1966.
– 359 с.
24. Новиков О.Я. Устойчивость электрической дуги. – л.:
Энергия, 1978. – 160 с.
25. Кирдо И.В. о механизме повторного зажигания сварочной
дуги тока // автомат. сварка. – 1956. – № 6. – с. 39–54.
26. Походня И.К. плавление электрода и взаимодействие ме-
талла с газами при дуговой сварке. – Дис. … докт. техн.
наук. – К., 1967. – 434 с.
27. Применение переменного тока для сварки низкоуглеро-
дистых и легированных сталей, алюминия и его сплавов
/ Э.и. Шмаков, н.м. махлин, в.г. Федотенков и др. //
монтажные и специальные работы в строительстве. –
1978. – № 4. – с. 20–22.
28. Пат. № 3328637 А1, США, МПК В23К 9/06. Alternating
current arc power source / B.J. Aldenhoff. – опубл.
27.06.1967. – 6 с.
29. Теоретические основы электротехники. справочник по
теории электрических цепей. / под ред. Ю.а. бычко-
ва, в.н. золотницкого, Э.п. чернышова. – спб.: питер,
2008. – 349 с.
30. Андрианов А.А., Сидорец В.Н. оптимизация режимов
стабилизации сварочной дуги переменного тока // елек-
тротехніка і електромеханіка. – 2009. – № 2. – с. 5–8.
31. Щерба А.А., Супруновская И.Н. закономерности повы-
шения скорости нарастания разрядных токов в нагрузке
при ограничении их максимальных значений // технічна
електродинаміка. – 2012. – № 5. – с. 3–9.
32. Подавление радиопомех, создаваемых возбудителем дуги
типа УпД-1 / н.м. махлин, в.г. Федотенков, Д.м. лив-
шиц и др. // автомат. сварка. – 1979. – № 12. – с. 55–57.
поступила в редакцию 13.05.2015
ЗАКАЖИТЕ ИНФОРМАЦИОННЫЙ БЮЛЛЕТЕНЬ!
Уважаемые коллеги!
Приглашаем Вас подписаться на бесплатное получение
информационного бюллетеня журнала «Автоматическая сварка».
Для подписки необходимо выслать по электронной почте письмо с темой
«Информационный бюллетень/АС» на адрес редакции журнала: journal@paton.kiev.ua.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-113251 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:19:21Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Махлин, Н.М. 2017-02-04T20:15:13Z 2017-02-04T20:15:13Z 2015 Особенности бесконтактных возбуждений дуги переменного тока / Н.М. Махлин // Автоматическая сварка. — 2015. — № 10 (746). — С. 30-37. — Бібліогр.: 32 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/113251 621.791 Рассмотрены некоторые важные особенности процессов бесконтактных первоначального и повторных возбуждений дуги переменного тока при дуговой и плазменной сварке, а также электронных вольтодобавочных устройств, генерирующих импульсы высокого и повышенного напряжения, инжектируемые в межэлектродный промежуток для реализации этих процессов. Показано, что наиболее рациональным путем совершенствования возбудителей и стабилизаторов дуги является создание вольтодобавочных устройств, называемых возбудителями-стабилизаторами и отличающихся возможностью функционировать в режиме как первоначального так и повторных возбуждений дуги, т.е. в режиме стабилизации процесса горения дуги переменного тока. Приведены выработанные на основе многочисленных исследований, опыта разработки и применения вольтодобавочных устройств оптимизированные требования к параметрам генерируемых этими устройствами импульсов. Рассмотрены некоторые особенности построения комбинированных возбудителей-стабилизаторов дуги. Considered are some important peculiarities of processes of contactless initial and repeated ignitions of alternating current arc in arc and plasma welding as well as electron voltage boosters. The latter generate the pulses of high and increased voltage being injected in inter-electrode gap for process realizing. It is shown that the most reasonable way for improvement of arc exciters and stabilizers is development of voltage boosters so called exciter-stabilizers. They differ by possibility to function in initial and repeated arc ignition modes, i.e. in the mode of stabilizing of alternating current arc burning. Optimized requirements on parameters of pulses generated by these devices are given based on multiple investigations, experience of development and application of voltage boosters. Some peculiarities of designing of combined arc exciter-stabilizers are considered. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Производственный раздел Особенности бесконтактных возбуждений дуги переменного тока Peculiarities of contactless ignitions of alternating current arc Article published earlier |
| spellingShingle | Особенности бесконтактных возбуждений дуги переменного тока Махлин, Н.М. Производственный раздел |
| title | Особенности бесконтактных возбуждений дуги переменного тока |
| title_alt | Peculiarities of contactless ignitions of alternating current arc |
| title_full | Особенности бесконтактных возбуждений дуги переменного тока |
| title_fullStr | Особенности бесконтактных возбуждений дуги переменного тока |
| title_full_unstemmed | Особенности бесконтактных возбуждений дуги переменного тока |
| title_short | Особенности бесконтактных возбуждений дуги переменного тока |
| title_sort | особенности бесконтактных возбуждений дуги переменного тока |
| topic | Производственный раздел |
| topic_facet | Производственный раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/113251 |
| work_keys_str_mv | AT mahlinnm osobennostibeskontaktnyhvozbuždeniidugiperemennogotoka AT mahlinnm peculiaritiesofcontactlessignitionsofalternatingcurrentarc |