МИКРО ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА

ОПТИМАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

За рубежом для микроплазменной сварки применяют два типа источников питания: с пологопадающей и вертикальнопадающей характеристиками. Одни исследователи утверждают, что коле*»

бания длины дуги при питании ее от источника первого типа практически не сказываются на параметрах шва. Вопрос о тех­нологических особенностях источников питания второго типа в зарубежной литературе не освещался. Наши исследования показали, что вертикальнопадающая характеристика источника для микроплазменной сварки мало приемлема.

Из семейства кривых на рис. 24 легко определить оптималь­ную характеристику источника питания, при которой длина дуги не будет влиять на тепловую мощность, а следовательно, и на качество сварки. Для этого в работе [26] проводится прямая Ра—сonst, параллельная оси абсцисс (на рис. 24, например, Ра=Ю0 Вт). По точкам пересечения этой прямой с прямыми / = /(/д) Для /д = 1-5-6 мм находятся соответствующие вели­чины токов, при которых тепловая мощность на изделии посто­янна и не зависит от длины дуги. Каждому найденному при Ра=const значению тока и длины дуги соответствует свое напряжение на дуге, которое легко определить из семейства вольт-амперных характеристик (см. рис. 16). Нанеся на семей­ство вольт-амперных характеристик соответствующие точки и соединив их плавной кривой, получают требуемую характерис­тику источника питания (рис. 27) < при которой тепловая мощ­ность на изделии будет заданной (100 Вт) и не зависящей от колебаний длины дуги. Аналогично можно построить характе­ристику источника питания для любой мощности. Семейство характеристик для мощностей 40, 60, 80, 100, 120 и 150 Вт пред­ставлено на рис. 27 (сплошные криьые). Интересно отметить, что вычисленный КПД дуги г), определяемый как отношение тепловой мощности Рп на изделии к общей мощности /дС/л, в пределах ошибки измерения является постоянной величиной. Значения г), вычисленные для некоторых значений длины дуги в аргоно-водородной смеси при Ра=100 Вт, приведены в табл. 3.

Среднее значение ^ = 62,7%. Величина г) зависит от состава защитного газа. Например, т]=78% для смеси 93% Не + + 7% Н*.

Таким образом, для мощности, выделяемой на изделии, по­лучается простое уравнение

из которого легко записать аналитическую формулу характе-» ристики источника питания для микроплазменной сварки:

Ря

/дг/д = — = const. (II. 5)

Эта зависимость имеет вид равнобочной гиперболы.

Семейство расчетных характеристик источника питания для мощности Pai равной 40, 80, 120 Вт, построенных по уравнению (II.5) при т)==63%, приведено на рис. 28 (соответственно кри­вые 7, 2У 3).

Для надежной защиты расплавленного металла сварка осу­ществляется, как правило, при малой длине дуги (/д == 1 ~ 3 мм). Для короткой дуги гиперболическую ветвь характеристики ис­точника питания с достаточной точностью можно аппроксими­ровать прямой (см. рис. 28)

£/д= t/x. x —/д(Яб + Гв), (II.6)

где /?б — регулируемое балластное сопротивление; гв — внут­реннее сопротивление источника питания.

В этом случае мощность на изделии определяется по урав­нению

Pa = ^TD(^.x-t/fl). (II.7)

Рис. 28.

Семейство оптимальных внешних характеристик источника питания для сжатой дуги атмосферного давления (защитный газ —

93% Аг 7% Нг).

Рис. 29.

Изменение тепловой мощности на изделии ъ зависимости от падения напряжения на сжатой дуге для различных характеристик источника:

I — г ииерболическая; 2 — лиией поп а дающая;

3 — вертикальная.

а изменение тепловой мощности, связанное с колебаниями дли­ны дуги,— по уравнению

d[T ~ + г 2t/д). (II.8)

д о * в

1

Отсюда следует, что при ил-+ UAmX производная ~ 0, т. е.

в окрестности точки і/л = y (/х. х тепловая мощность слабо зави­сит от напряжения на дуге. Это условие позволяет определить напряжение холостого хода источника с балластным сопротив­лением: £/x. x~2t/A.

Из вольт-амперных характеристик (см. рис. 16) видно, для рабочих значений тока и длины дуги падение напряжения нахо­дится в интервале 20—30 В. Поэтому холостой ход источника питания следует выбирать равным 50 ІЗ.

Зависимость мощности от напряжения на дуге при tj = 0,63, (R6 + гв) -=4,8 Ом, £/* х = 50 В, вычисленная по уравнению (II 6), представлена кривой 2 на рис* 29. Как видно, при UA =

= - g - ^х. х = 25 В на аноде выделяется максимум мощности и произ­водная меняет знак, т. е., начиная с этой точки, повышение напря­жения, обусловленное увеличением длины дуги, приводит к сни­жению мощности на изделии.

На рис. 29 нанесена кривая 1 для Рлф f (f/д) = 80 Вт, кото­рая соответствует гиперболической характеристике источника питания. Из сравнения кривых 1 и 2 следует, что аппроксима­ция гиперболической характеристики источника питания линейной

ДРа 2

приводит к нестабильности мощности на изделии ~р - = ± gg =

&

= 2,5% при увеличении падения напряжения на дуге от 20 до

30 В, что соответствует изменению длины дуги в пределах 1,5— 3,5 мм. Колебания длины дуги в интервалах 2,5±1 мм при использовании источника питания с вертикальной характерис­тикой (кривая 3) приводят к изменению мощности на изделии в пределах 80 ± 15 Вт, т. е. на 19%*

Таким образом, оптимальной характеристикой источника питания для ручной микроплазменной сварки является гипер­болическая, а ее приближением — линейнопадающая.

Если в сжатой дуге нормального давления наиболее сильное влияние оказывает длина дуги, то в дуге низкого давления таким параметром является расход газа. С уменьшением расхо­да газа возрастает падение напряжения на дуге. Нестабиль­ность расхода газа вызывает колебания тепловой мощности на

Глава вторая* Способы мтроплазменной сварки

изделии. Естественно, что при сварке тонких металлов эти колебания весьма нежелательны.

Обработка экспериментальных данных для различных рас* ходов газа по изложенной выше методике позволяет опреде­лить оптимальную внешнюю характеристику источника питания импульсной дуги низкого давления, при которой незначитель­ные колебания расхода газа не влияют на тепловую мощьость и качество сварного соединения.

На графике Pb~f(/n) для различных расходов Qp (см. рис. 25) проводим прямую Ра — const. По точкам пересечения этой прямой с семейством характеристик Ра—f(/w) находим значения токов и расходов газа, при которых выполняется усло­вие Ра = const. Каждой найденной паре значений Уд и Qp соот­ветствует вполне определенное значение падения напряжения на разряде. Нанося на вольт-амперную характеристику эти зна* чения тока и расхода газа и соединяя полученные точки плав­ной кривой, находим требуемую характеристику источника пи­тания (рис. 30). Оказывается, что источник питания для дуги низкого давления, как и для микроплазмы атмосферного дав­ления, должен иметь гиперболическую или линейнопадающую характеристику. Что же касается условий контрагирования, то источник должен генерировать прямоугольные импульсы тока в диапазоне 80—200 А длительностью примерно 0,005—0,05 с и паузой между импульсами приблизительно 0,02—0,25 с. При таких параметрах дуга низкого давления в течение всей дли­тельности импульса тока хорошо контрагирует и имеет высокую плотность тока, необходимую для качественной сварки металлов малых толщин.