МИКРО ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА

ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАЛОАМПЕРНОЙ СЖАТОЙ ДУГИ

Для выяснения технологических и энергетических особенностей микроплазмы, связанных с конусоподобной формой столба, и выработки требований к аппаратуре изучены вольт-амперные характеристики в различных защитных средах в зависимости от длины дуги и расходов газов, а также выяснено влияние тока дежурной дуги и некоторых размеров плазмотрона на стабиль­ность процесса горения при малых токах.

Эксперименты проводились с использованием ручной горел­ки ОБ-1115 и электромашинного усилителя ЭМУ-12А с напря­жением холостого хода ПО В в качестве источника питания (рис. 15, а). Благодаря отрицательной обратной связи по току, осуществляемой полупроводниковым усилителем, электрома - шинный усилитель (ЭМУ) обладал практически вертикальной внешней характеристикой. В исходном состоянии триод Т за­перт по базе положительным смещением £б. При горении основ­ной дуги на резисторе R1 падает напряжение, равное I^Rl. До

Е6

тех пор, пока /д составной триод Т заперт, ток обратной

связи Ї06.СВ равен нулю и выходное напряжение ЭМУ равно холостому ходу.

Еб

Когда ток дуги /д достигает величины /д ~ триод Т откры­вается, в цепи обратной связи возникает ток, в результате чего выходное напряжение ЭМУ падает до напряжения на дуге. Легко показать, что крутизна внешней вольт-аьшерной характеристики такого источника определяется уравнением

dU rjRl /тт i

<і/д~п^б’ ^ 1 ^

где п — коэффициент обратной связи ЭМУ, который зависит от количества управляющих обмоток, включенных в цепь обратной связи; р—коэффициент усиления составного триода Т по току; Гб — полное входное сопротивление полупроводникового усили­теля.

Вольт-амперная характеристика -источника питания изобра­жена на рис. 15,6. Величину тока дуги можно регулировать как смещением £б» так и резистором RL В последнем случае изме­няется крутизна характеристики.

Дежурная дуга зажигалась между вольфрамовым электро­дом (катодом) и соплом горелки (анодом) и горела в струе плазмообразующего газа (аргона), формируемой каналом соп­ла. Ток дежурной дуги (1—2 А) ограничивался резистором R2 (см. рис. 15, а) и исключался из цепи обратной связи по току. Поэтому выходное напряжение ЭМУ практически от него не зависело. К разрядному промежутку электрод горелки — изде­лие («плюс» источника питания на изделии) прикладывалась разность потенциалов, равная 110 В. При приближении горелки к изделию на расстояние 4—5 мм, когда факел плазмы дежур­ной дуги достигал изделия, между изделием и электродом воз­никала основная дуга. Емкость С, диод Д и резистор R3 обеспе­чивали надежное возбуждение основной дуги. Дежурная дуга погасала во время горения основной дуги и восстанавливалась при выключении последней. Стабильное восстановление дежур­ной дуги обеспечивалось подбором соответствующих номиналов резисторов R2, R3 и емкости С.

Чтобы исключить подсос воздуха в зону горения дуги, на защитное сопло горелки надевалась кварцевая трубка, которая своим свободным торцом касалась анода (изделия), образуя разрядную камеру. Плазмообразующий и защитный газы выхо­дили в зазор между кварцевой трубкой и изделием. Длина дуги регулировалась с помощью микрометрического винта.

Вольт-амперные характеристики дуги в диапазоне токов от 1 до 10 А для различных длин дуг записывались двухкоорди­натным самописцем Н-359.

Семейство вольт-амперных характеристик ^д = /(/д) для раз­личных длин дуг и защитных газов (Аг, Аг + Н2, Не, Не + Н2, СО2 и др.) изображено на рис. 16 и 17. Характеристики І/д —

/dU„

= f ('д) Для всех исследованных нами газов — падающие <

< О). С увеличением тока дуги наклон кривых ^д~ /(/д) умень-

dUa

шается и в диапазоне токов ь—10 А тр-^0. В углекислом газе,

д

начиная с тока приблизительно 10 А, наблюдается незначитель­ный подъем характеристики.

Падение напряжения на дуге существенно зависит от рода защитного газа. При одинаковой длине падение напряжения наименьшее при использовании аргона. В гелии и углекислом газе наблюдается более высокое падение напряжения, а наи­большее — в случае применения СО2* Добавление водорода в защитный газ (как к аргону, так и к гелию) увеличивает паде­ние напряжения на дуге. На рис. 17 приведены вольт-амперные характеристики для указанных газов при расстоянии от среза сопла до изделия /д = 2,5 мм.

Очевидно, что изменение величины падения напряжения при замене защитного газа обусловлено изменением геплофизиче-

Рис. 16.

Семейство вольта ампер ных характеристик сжатой дуги (защитный газ —

93% Аг + 7% Н2).

ских свойств среды в районе столба дуги и в анодной ее облает, поскольку прикатодная область во всех случаях существует в среде аргона. Это предположение подтверждается тем, что рост падения напряжения на дуге (при использовании, на­пример, в качестве защитного газа аргоно-водородной смеси взамен чистого аргона) сопровождается увеличением интенсив­ности плавления металла. Это означает, что возрастает пере­даваемая дугой изделию плотность энергии, которая, как изве­стно, пропорциональна плотности тока и анодному падению потенциала. Поэтому можно считать, что повышение падения напряжения при использовании в качестве защиты углекислого газа и смеси инертных газов с водородом обусловлено увеличе - нием коэффициента теплопроводности защитной среды.

Из семейства вольт-амперных характеристик можно оценить среднюю по длине столба дуги величину напряженности элек­трического поля в столбе дуги, горящей в различных защитных газах. Из кривых рис. 18 легко видеть, что род защитного газа существенным образом влияет на напряженность электриче­ского поля в микроплазме. Самая большая напряженность по­ля в углекислом газе (около 75 В/см), а самая малая — в ар­гоне (20 В/см)*

В ходе опытов было замечено, что присутствие дежурной дуги влияет на падение напряжения на основной дуге. Наклон вольт-амперной характеристики t/д = /(/д) в интервале малых 7 оков при наличии дежурной дуги меньше. Это обусловлено тем, что катодное падение потенциала зависит от тока дуги, а именно: чем больше ток, тем меньше катодное падение [41. Уве­личение тока в цепи катода за счет дежурно'й дуги приводит к уменьшению катодного падения, а следовательно, и падению напряжения на дуге. Этот эффект наблюдается только тогда, когда ток основной дуги соизмерим с током дежурной дуги. При токах основной дуги больше 5 А дежурная дуга (/^ д—1,8 А) не оказывает заметного влияния на падение напряжения на основной дуге.

Нами изучено также влияние расхода плаз-мообразующего и защитного газов на вольт-амнерные характеристики. При уве­личении расхода плазмообразующего газа падение напряжения на дуге растет, причем тем значительнее, чем меньше ток. Уве­личение расхода газа от 0,1 до 0,3 л/мин приводит к возраста­нию напряжения в среднем в 1,1—1,2 раза. Расход защитного газа слабо влияет на падение напряжения на дуге. Оио заметно повышается только в случае прекращения подачи защитного газа, т. е. когда защитная среда заменяется воздушной (квар­цевая трубка при этом снималась).

Характеристики (7Д) дуги были измерены также при

различной глубине погружения электрода внутрь сопла горелки. Расстояние между анодом (изделием) и срезом сопла плазмо­трона поддерживалось постоянным (7д = 2,5мм). При увеличе­нии глубины погружения электрода наііряжение увеличивалось. Особенностью этих характеристик является то, чгіо вычисленная по ним напряженность электрического поля для закрытой части дуги меньше, чем для открытой. С увеличением тока дуги на­пряженность поля для внутренней части столба резко падает и стремится практически к постоянному значению Е ^ 11 В/см, которое приблизительно в 2 раза меньше напряженности поля во внешней части столба.

При /д=2,5 мм; /Л=5А; расходе плазмообразующего газа 0,1—0,2 л/мин и защитного газа (93% Аг + 7% Ня) 5 л/мин напряжение на дуге в зависимости от диаметра канала сопла имеет следующие значения:

Видно, что с уменьшением диаметра канала сопла падение напряжения возрастает.

Таким образом, использование сопел с малым диаметром канала и применение различных газов, выполняющих кроме функции защиты металла шва также функцию фокусировки дуги (посредством более интенсивного охлаждения плазмы и затруднения развития ионизации в радиальном направлении), позволяет в їушкроплазме существенно повысить плотность тока (до 50 А/мм2 и более).

Вольт-амперные характеристики микроплазмы в импульсном режиме горения при нормальном давлении практически ничем (за исключением гистерезиса) не отличаются от характеристик постоянного тока. Значительный интерес представляет импульс­ная плазма низкого давления. В отличие от режима постоян­ного тока вольт-амперная характеристика дуги растущая. Ее крутизна зависит от длительности импульса, частоты следова­ния и тока накала катода. Регулируя ток накала, можно изме­нять угол наклона характеристики на 90°. Это объясняется инерционностью катодных процессов, которые на очищенном массивном вольфрамовом катоде за сравнительно короткий (0,01—0,05 с) промежуток времени протекания импульса тока не успевают достаточно развиться. На рис. 19 отчетливо видно, что с увеличением длительности импульса и уменьшением пау­зы падение напряжения на импульсной дуге стремится к паде­нию напряжения на дуге постоянного тока.

В течение длительности импульса тока прямоугольной фор­мы падение напряжения на дуге меняется. В начале импульса оно большое, а затем быстро уменьшается и стремится к зна­чению, равному падению напряжения на дуге постоянного тока. Отличие между падением напряжения в начале и в конце им­пульса тем меньше, чем больше ток накала. На больших то­ках накала падение напряжения на дуге в течение всего импуль­са сохраняет постоянное значение. Для обеспечения стабильного горения импульсной дуги низкого давления кроме знания вольт - амперных характеристик необходимо изучить время запаздыва­ния разряда, которое, как мы обнаружили, имеет место при возбуждении сжатой дуги низкого давления с использованием термокатода и составляет значительную величину.