Саморегулирование дуги с плавящимся электродом

Особенностью электрических дуг при сварке плавящимся электродом

является присущее им свойство самовыравнивания энергетического состояния в условиях возмущающих воздействий. Это явление называется саморегулированием дуги (АРДС). Его использование позволило создать автоматы для дуговой сварки с постоянной скоростью подачи электродной проволоки без применения специальных регуляторов.

На рис.2.2 приведены ВАХ источника питания 1 и статическая характеристика дуги 2, равенство токов и напряжений имеет место в двух точках—А₁ и А₂.

Рис.2.2. Внешняя характеристика источника питания (1) и вольтамперная характеристика дуги (2).

 

Проанализируем поведение системы при малых отклонениях от состояния равновесия. Введем обозначения:

R_u = (¶U_u/¶I_d)_Id0 –динамическое сопротивление источника питания;

R_d = (¶U_d/¶I_d)_Id0—динамическое сопротивление дуги,

E = ¶U_d/¶L_d –градиент напряженности электрического поля в столбе дуги.

Увеличение длины дуги L_d на малую величину l_d сопровождается нарушением режима сварки и появлением отклонений сварочного тока i_d и напряжений источника питания:

u_u = R_u i_d

и дуги

u_d = R_d i_d + E l_d.

В переходном процессе разность напряжений U_u - U_d равна падению напряжения на индуктивности L источника питания и сварочной цепи:

 

(R_u – R_d) i_d – E l_d = L (di_d/dt)

или

L(di_d/dt) + (R_d – R_u) i_d + El_d = 0.

Для устойчивости системы, описываемой данным дифференциальным уравнением, необходимо и достаточно, чтобы коэффициенты характеристического уравнения были положительными. Индуктивность L и напряженность Е всегда положительны, отсюда:

(R_d - R_u) > 0

или

R_d > R_u.

В точке 1 R_d < R_u и поэтому К_у < 0 (коэффициент устойчивости) и система неустойчива. В точке 2 динамическое сопротивление дуги больше динамического сопротивления источника питания и система источник – дуга устойчива. Таким образом, для устойчивого горения дуги вольтамперная характеристика источника питания должна быть более крутопадающей, чем вольтамперная характеристика дуги.

Данное условие является необходимым, но не достаточным условием устойчивости сварочной дуги.

В процессе сварки заданная скорость подачи электрода V_П сравнивается со скоростью его плавления V_Э. При достижении равенства V_П = V_Э в сварочном контуре устанавливается определенная сила тока I_Д, которая с определенной точностью поддерживается системой саморегулирования.

Точность работы такой системы зависит от коэффициентов саморегулирования по току к_СТ и по напряжению к_СН. Эти коэффициенты характеризуются отношением приращения скорости подачи ΔV_П к приращению соответственно по току дуги ΔI_Д и по напряжению на дуге ΔU_Д:

Статические характеристики системы АРДС (автоматическое регулирование дуги самовыравниванием) можно рассмотреть, если в координатах напряжение – ток совместить вольтамперную характеристику источника питания 1 со статической характеристикой устойчивого горения дуги 2 (рис. 2.3).

Уравнение статической характеристики устойчивого горения дуги как регулируемого объекта может быть получено совместным решением уравнений

V_П = V_Э = const;

V_Э = k_СТI – k_СНU_Д.

Решив систему относительно I_Д, получим

Рис. 2.3. Совмещенные характеристики вольтамперной питающей системы 1 и устойчивого горения дуги 2 в системе АРДС.

 

На рис. 2.3 I_З = V_П/к_СТ – приведенный задающий параметр. Параметр

называют статической ошибкой в системе АРДС. Эта ошибка получается из-за влияния на процесс плавления электрода напряжения дуги. Влияние возмущений по напряжению сети и скорости подачи электрода на статические ошибки по току и напряжению дуги в системе АРДС показано на рис. 2.3,б. С уменьшением напряжения в сети на ΔU_C в системе АРДС по окончании переходного процесса установятся статические ошибки по напряжению дуги ΔU_Д и по току ΔI_Д (рабочая точка В).

Наиболее полное описание процесса саморегулирования можно получить из структурной схемы (рис.2.4).

Структурную схему начинают рассматривать с узла 0, т.е. с точки приложения задающей величины V_П и затем перемещаются в направлении распространения сигнала. К точке 0 приложены возможные возмущения (колебания скорости подачи вследствие нестабильной работы привода подачи электрода) и (изменение скорости плавления электрода из-за изменений технологических условий), а также (изменение скорости электрода вследствие неровности свариваемой поверхности), в результате воздействия которых происходит изменение длины дуги по формуле:

(R_u – R_d) i_d – E l_d = L (di_d/dt).

Поэтому преобразование изменения скорости перемещения конца электрода в изменение длины дуги отображено в схеме интегрирующим звеном Ī. Всякое изменение длины дуги сопровождается изменением ее напряжения. Связь между изменением длины дуги и ее напряжением – пропорциональна, что отражено на схеме безинерционным звеном ІІ ( -- изменение длины дуги, вызванные неровностью профиля изделия, капельным переносом металла электрода и др.). Изменение тока, следующее за изменением напряжения, зависит от сопротивления источника питания и будет происходить с запаздыванием, зависящим от постоянной времени источника питания τ_И. Поэтому источник питания на схеме изображен апериодическим звеном ІІІ.

Рис. 2.4. Структурная схема процесса регулирования.

 

Знак «-«означает, что при падающей внешней характеристике источника питания увеличению напряжения соответствует уменьшение тока и наоборот.

Отклонения тока и напряжения дуги сопровождаются изменениями скоростей плавления электрода

V_Э = k_СТI – k_СНU_Д.

Изменения этих скоростей плавления происходят инерционно с постоянной времени τ_Э (см. звенья ІV, V). Выходные сигналы контуров саморегулирования по току и напряжению, суммируясь в точке 11, поступают на вход системы – узел 0, в котором происходит сравнение скорости плавления электрода со скоростью его подачи.

Изменения тока сопровождается изменением глубины проплавления, а изменения напряжения приводит к изменению ширины шва. Эти процессы отражены апериодическими звеньями VI, VII, передаточные функции которых содержат коэффициенты пропорциональности К_Г = ΔH/Δi_Д и К_Ш = ΔB/ΔU_Д и постоянные времени плавления основного металла по глубине и ширине τ_Г и τ_Ш. Отклонение глубины провара приводит к изменению скрытой составляющей длины дуги l_ДГ, что отражено в схеме безинерционным звеном VII.

Таким образом, структурная схема описывает динамику саморегулирования, в процессе которого непрерывно сравнивается заданная скорость подачи электрода со скоростью его плавления, определяемой текущими значениями тока и напряжения дуги. Результат саморегулирования дуги – сохранение равенства V_Э = V_П в условиях отклонений режима сварки под действием возмущений.