Принцип саморегулювання дугового зварювання

ПРИНЦИП САМОРЕГУЛЮВАННЯ ДУГОВОГО ЗВАРЮВАННЯ

При зварюванні дуга горить між плавкими електродами. При цьому

один з них – основний метал – можна вважати, що є постійний і в процесі

горіння дуги не витрачається, другий – електрод (якщо він плавкий) – при

горінні дуги постійно витрачається При витраті електроду довжина дуги збільшується і вона через деякий час припиняє своє існування –само обривається.Для підтримання дуги, а, значить, і для зварювання необхідно подавати електрод в зону дуги з швидкістю, з якою він витрачається (розплавляється), тобто – швидкість подачі електрода в дугу повинна дорівнювати швидкості його плавлення в дузі:

Для забезпечення заданих умов застосовують систему автоматичного регулювання і саморегулювання. Зварювальні апарати, що застосовують автоматичну регуляцію побудовані так, щоб під час горіння дуги постійно вимірювалось діюче значення падіння напруги в дузі. Коливання напруги в дузі свідчать про змінні довжини дуги, що в системі з автоматичним регулюванням супроводжуються примусовою зміною Vпод в механізмі подачі дуги.Недоліки: чутливість до коливань напруги зовнішньої мережі, погана ефективність для зварювання з високою густиною струмів і швидкістю плавлення.

У 1942р. В.І.Дятловим було відкрито принцип саморегулювання зварювальної дуги. При постійних (заданих) вольт-амперних (ВАХ) характеристиках

Зварювальної дуги і джерела живлення, процеси в зварювальній зоні

Протікають в такому напрямку, щоб відновлювати усталений режим

Перенесення струму в стовпі зварювальної дуги

Ефективність іонізації, а, отже, і стабільність горіння дуги визначаєть-

ся компонентом з найнижчим потенціалом іонізації. Саме цей компонент,

за рахунок більшого ступеню іонізації, постачає в дугу головні носії електрики – електрони.Теоретичні положення дають змогу вважати стовп дуги слабоіонізованим газом (ступінь іонізації x» 3…5%), нагрітим до високої температури (5000…6000 К), з однаковою кількістю негативних та позитивних часток, тобто, електрично нейтральним Особливий стан розпеченого газу, який містить в собі зарядженічастки різних знаків у рівній кількості і, в зв’язку з цим не має електричного заряду називається термічна квазінейтральна плазма. Причиною направленого руху заряджених частокє електричне поле, яке створюється падінням напруги в стовпі дуги. Це електричне поле характеризує спеціальний показник –

напруженість поля стовпа дуги:

Про дрейф заряджених часток в дузі

Висока температура плазми дуги спричиняє швидкий хаотичний рух часток в ній (атомів, іонів та електронів). Ті з них, які мають електричний заряд, поступово зміщуються в напрямку дії електричного поля: негативні до позитивного електрода, а позитивні до негативного. Поступове пересування заряджених часток в напрямку вектора

Напруженості електричного поля називається дрейфом.

Рухливість зарядженої частки залежить від величини її заряду, вели-

чини вільного пробігу, маси і швидкості хаотичного теплового руху час-

ток.Показник рухливості часток визначається в класичній кінетичній тео-

рії газів за формулою П. Ланжевена:

де: z 0 – заряд частки;l – довжина вільного пробігу;

V – швидкість теплового руху часток (середня квадратична);

m – маса частки.

Середня квадратична швидкість визначається із середньої кінетичної

енергії теплового руху часток:

В стовпі дуги в рівній мірі наявні носії електрики двох типів: електро-

ни та іони (стовп - електронейтральний). І хоча вони рухаються (дрейфують) в протилежні сторони, перенесення струму відбувається в один бік,завдячуючи різнойменності зарядів.

Звідси витікає важливий висновок: головними носіями електричного

струму в стовпі дуги є електрони. Вільний пробіг електрона кінетична теорія газів визначає залежнимвід величини вільного пробігу атома наступним співвідношенням:

Катод, який забезпечує дугу електронами переважно за рахунок

Іонізацієюназиваєтьсяпроцесвідривувід нейтрального атома

Перенос металу парою

Високітемператури, якііснують в зварювальнійдузі

(5000К…25000 К) сприяютьзначномувипаровуваннюелектродногометалу. Частинавипаруваногометалудосягаєзварювальноїванни і, у випадкуменшихзначеньтемператури, конденсується там.

Струменевий перенос

Перенос електродногометалу, якийназиваютьструменевимспостерігається у випадкузварюваннястисненою дугою плавким електродомприпорівняно великихзначенняхгустини струму.

На краплюдіють таки сили:

1. Сила ваги (P).

2. Сила поверхневого натягу (Pпн).

3. Електромагнітна сила (пінч-ефект) (Pем).

4. Реактивна сила випаровування(Pре).

5. Аеродинамічна сила.

6. Електростатична сила.

7. Сила внутрішньоготискугазоутворення.

Для усталеного, стійкого дугового процесу, при необмеженому живленні його електричною енергією, для дуги, яка не обмежена діаметром в жодному своєму перетині (вільна, або така, що вільно розширяється) фізичні процеси спрямовуються таким чином, щоб напруженість електричного поля стовпа дуги була мінімально можливою для

даних умов:

Eст → min

Це твердження може проілюструвати такий хід суджень:

1. При спонтанному збільшенні температури стовпа від TE збільшується ступінь іонізації, рухливість електронів, густина струму, напруженість електричного поля, одночасно збільшиться і перетин дуги, наслідком чого буде збільшення витрат енергії на випромінювання, яке приведе до зменшення температури в точку TE.

2. При спонтанному зменшенні температури стовпа від TE зменшується ступінь іонізації, густина струму, погіршується електрична провідність (збільшується опір) газів дугового проміжку, що збільшує напруженість електричного поля, одночасно зменшиться діаметр дуги, наслідком чого буде зменшення витрат енергії на випромінювання, яке приведе до збільшення температури в точку TE.

Аналогічним чином і спонтанні зміни напруженості електричного поля, при інших постійних параметрах, компенсуються фізичними процесами в дузі таким чином, що для заданих умов зберігається мінімально можлива напруженість електричного поля та притаманна їй температура стовпа дуги. Таким чином, при умові відсутності обмежень на діаметр і при необмеженому живленні електрикою, дуга в широких межах є саморегульована система. В дузі автоматично підтримується мінімально можлива напруженість електричного поля. Тобто, при постійних значеннях фізичних параметрів середовища, в якому горить дуга і струму в дузі (Iд), в стовпі дуги встановлюються такі значення температури (T) і радіусу (r ст), при яких напруженість поля в стовпі буде мінімальною.

Про температуру стовпа дуги

Знаючи рівняння вольт-амперної характеристики дуги і користуючись принципом Штейнбека температуру стовпа дуги, яка вільно розширяється, (T) можна вирахувати аналітично, як мінімум (точка екстремуму) функції залежності напруженості електричного поля від температури: Eст=f (T). Такою функцією − яка пов’язує напруженість електричного поля і температуру стовпа − може послужити вольт-амперна характеристика дуги (ВАХ). Як відомо з математичного аналізу − для того, щоб знайти екстремум функції потрібно виконати такі дії:

1. Взяти похідну функції.

2. Прирівняти її до нуля.

3. Знайти дійсні корені рівняння.

Для спрощення спочатку логарифмуємо рівняння вольт-амперної характеристики дуги, згруповуючи його члени так, як це вигідно для подальших перетворень:

Отримане рівняння диференціюємо ) згідно з таблицею похідних, приймаючи постійними величини, по яких не буде проводитись диференціювання, отримаємо:

звідси, після перетворень, буде:

Рівність похідної нулю, означає й рівність нулю правої частини отриманого рівняння:

А це можливо в трьох випадках:

1. Ест=0 – рівність нулю напруженості електричного поля означає, що відсутність самого поля, отже, дуга не горить (не існує), нічого не відбувається.

2. T → ∞ – це відповідає 100% іонізованій плазмі, чого в даному випадку не спостерігається.

3. − ймовірний і можливий випадок, заперечень не викликає. Очевидно, що саме він і відповідає звичайній електричній зварювальній дузі.

Температура дуги:

Очевидно, що знайдена з останньої залежності температура дуги якраз і відповідає мінімальній напруженості електричного поля в дузі, яка підтримується дугою, як саморегульованою системою (згідно принципу мінімуму Штейнбека). Отже, буде підтримуватись постійною і температура дуги.

Звідси можна зробити важливий висновок: Температура стовпа вільної дуги є величина постійна для даних умов і залежить тільки від потенціалу іонізації газу стовпа дуги Ui(для суміші газів −−− від ефективного потенціалу іонізації Uеф).

Стиснена дуга.

ПРИНЦИП САМОРЕГУЛЮВАННЯ ДУГОВОГО ЗВАРЮВАННЯ

При зварюванні дуга горить між плавкими електродами. При цьому

один з них – основний метал – можна вважати, що є постійний і в процесі

горіння дуги не витрачається, другий – електрод (якщо він плавкий) – при

горінні дуги постійно витрачається При витраті електроду довжина дуги збільшується і вона через деякий час припиняє своє існування –само обривається.Для підтримання дуги, а, значить, і для зварювання необхідно подавати електрод в зону дуги з швидкістю, з якою він витрачається (розплавляється), тобто – швидкість подачі електрода в дугу повинна дорівнювати швидкості його плавлення в дузі:

Для забезпечення заданих умов застосовують систему автоматичного регулювання і саморегулювання. Зварювальні апарати, що застосовують автоматичну регуляцію побудовані так, щоб під час горіння дуги постійно вимірювалось діюче значення падіння напруги в дузі. Коливання напруги в дузі свідчать про змінні довжини дуги, що в системі з автоматичним регулюванням супроводжуються примусовою зміною Vпод в механізмі подачі дуги.Недоліки: чутливість до коливань напруги зовнішньої мережі, погана ефективність для зварювання з високою густиною струмів і швидкістю плавлення.

У 1942р. В.І.Дятловим було відкрито принцип саморегулювання зварювальної дуги. При постійних (заданих) вольт-амперних (ВАХ) характеристиках