МИКРО ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА

ДИНАМИЧЕСКИЕ ВОЛЬТ АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДУГИ ОБРАТНОЙ ПОЛЯРНОСТИ

Для изучения переходных процессов при возбуждении дуги обратной полярности с помощью факела плазмы дежурной дуги были проведены измерения преддуговых токов и падений напря­жений на разряде с холодными катодами из различных метал­лов [33].

При измерении преддуговых токов, напряжений зажигания дуги и динамической вольт-амперной характеристики микро­плазмы обратной полярности использовалась обычная одно - полупериодная схема питания плазмотрона импульсами сину­соидальной формы промышленной частоты с амплитудным зна­чением напряжения 315 В. Отличительной особенностью изме­рительной схемы являлось то, что она обеспечивала достаточно точное измерение как малых (преддуговых), так и больших (дуговых) значений тока. Это достигалось с помощью токового шунта — специального делителя напряжения [33], разработан­ного на стабилитроне Л (Д808) (рис. 35). Падение напряже-

Рис. 35.

Схема нелинейного токового шунта.

ния на резисторе /?, пропорциональное току разряда, подава­лось на вход осциллографа — ьпачале непосредственно (при Ur < U ст—напряжения стабилизации диода Д808), т. е. ^осд =Ur=IR, а затем (при Ur>Uc1 = 7,5 В) — через дели­тель напряжения, т. е.

П [] ^ Г RR2 г / т т QY

°с^~ Ucr R1 + R2 ~T~R1 + R2 (11У/

Легко понять, что кривая £/осц ==/(/) имеет два угла на­клона:

= R = 7 Ом для / < ~ = 1,07 А;

^осц RR2 ^ гл г ^ *

““57 д/ + /?2 ~ П! для ^

Динамическая вольт-амперная характеристика £/осц = /(/) токо­вого шунта представлена на рис. 36 (масштаб: 1 клетка по вер­тикали— 2,3 В, по горизонтали — 5 В). Отчетливо видно, что она состоит из двух прямолинейных участков. Точка перегиба кри­вой соответствует условию Uocix^ Ur = Ucт, которое выполняется при / = 1,07 А. По измеренному значению £/осц (в вольтах) ток

разряда (в амперах) вычисляется до точки перегиба по выраже-

и

нию / = , а после нее — как I — 1,07 + - у (U,^a — 7,5). Дина­

мическая вольт-амперная характеристика разряда записыва­лась на экране осциллографа С1-18, на входы у их которого

Рис. 36.

Динамическая вольт-амперная характеристика нелинейного токового шунта.

Рис. 37.

Динамическая вольт-амперная характеристика разряда обратной полярности.

подавались соответственно падение напряжения на разрядном промежутке и ток разряда (напряжение, снимаемое с нелиней­ного токового шунта). В качестве катода использовался ряд металлов от легкоплавких (сплав Вуда) до тугоплавких (вольф­рам). Опыты проводились при одинаковых для всех материалов катода длине разрядного промежутка /д=1 мм, расходе плаз­мообразующего аргона 0,3 л/мин, токе дежурной дуги 4 А. Вольфрамовый электрод диаметром 1,5 мм затачивался на коиус с углом при вершине 30°, Диаметр сопла равен 1 мм, глубина погружения электрода в канале сопла I мм, защитный газ *— аргон.

Типичная динамическая вольт-амперная характеристика U=f(I) разряда на обратной полярности, возбуждаемого с помощью факела плазмы на холодном медном катоде, очищен­ном дугой обратной полярности, показана на рис. 37 (здесь и далее в аналогичных рисунках масштаб: 1 клетка по вертикали Ь0 В, по горизонтали — 2,5 В). Ошибка измерения падения на­пряжения на разряде не превышала ±5 В, а для преддуговых токов она составляла величину А/= ±0,143 АК#СЦ ^0,036 А (At/ocu =0,25 В). Однако путем изменения чувствительности усилителя осциллографа по оси х точность измерения началь­ных значений токов можно было повысить в 10 или 100 раз.

Для токов разряда больше 1,07 А, т. е. на втором участке динамической вольт-амперной характеристики токового шунта (см. рис. 36), погрешность измерения тока не превышала А1= = 1,57 AV осц —0,4 А.

Из вольт-амперной характеристики (см. рис. 37) видно, что при нарастании напряжения до 175 В ток разряда практически равен нулю, т. е. меньше ошибки измерения. Дальнейшее уве­личение напряжения на разряде вызывает рост тока* Падению напряжения 250 В соответствует ток разряда 1,07 А, и эта точка является переходной от одною масштаба измерения тока к другому. При дальнейшем росте напряжения на разряде ско­рость увеличения тока (UR>UQT) замедляется и на кривой появляется изгиб. При достижении определенного значения па­дения напряжения формируется дуговой разряд. Значение тока (1,8 А) и падение напряжения (275 В), определяемые в момент, предшествующий формированию дуги, рассматриваются как преддуговые, а участок динамической вольт-амперной харак­теристики с высоким падением напряжения — как типичная ха­рактеристика тлеющего разряда. Таким образом, из осцилло­граммы видно, что дуга обратной полярности на холодном мед­ном катоде, формируемая с помощью факела плазмы, возбуж­дается через тлеющий разряд. При уменьшении амплитудного значения напряжения источника питания дуговой разряд на медном катоде не возникает (рис. 38)*

Измеренные с помощью осциллографа значения прел дуго­вых токов и напряжений при возбуждении дуги обратной по­лярности на холодных катодах из различных материалов, очи­щенных механическим способом [33], представлены в табл. 5. Из данных таблицы видно, что для большинства материалов катода дуговой разряд обратной полярности формируется через тлеющий. Преддуговые іоки тлеющего разряда находятся в ос­новном в интервале 0,5—2,5 А, а падения напряжения изменя­ются от 160 до 270 В. Для таких металлов, как Al, Zn и сплав Вуда, дуговой разряд возбуждается, как правило, без заметных начальных токов (начальные токи меньше ошибки измерения, т. е. меньше 30 мА).

Напряжение возбуждения зависит от многих параметров. Оно возрастает с увеличением разрядного промежутка. Для всех исследованных защитных газов при длине /д=4-~-5 мм и напряжении 300 В дуговой разряд возбуждался нестабильно. Интересно, что в атмосфере воздуха дуга перестает возбуж­даться уже при длине разрядного промежутка 1,5—2 мм.

Увеличение расхода плазмообразующего газа в интервале 0,1—0,5 л/мин понижает напряжение зажигания в рабочем диапазоне длин дуг (1—3 мм). Дальнейшее повышение расхода аргона мало изменяет напряжение зажигания дуги, а при рас­ходе 4—5 л/мин оно даже возрастает. Такая зависимость, оче­видно, объясняется тем, что при малых расходах аргона напря­жение зажигания дуги в значительной мере определяется родом защитного газа. По мере увеличения расхода аргона защитный газ все в большей мере оттесняется к периферии, и разряд воз­буждается преимущественно в аргоновой среде. Это предполо­жение подтверждается тем, что при использовании аргона в качестве защитного газа расход плазмообразующего газа прак­тически не влияет на напряжение возбуждения дуги.

Для всех исследованных газов, кроме аргона, существует оптимальный расход защитного газа, при котором напряжение

Рис. 38.

Динамическая вольт-ампер пая характеристика тлеющего разряда обратной полярности.

зажигания минимально. Оптималышй расход различен для раз­личных газов. Например, при расходе плазмообразующего газа 0,3 п/мин для гелия он равен 3,5 л/мин, для азота— 1,5 л/мин. В аргоновой защитной среде напряжение зажигания достигает минимальной величины при расходе аргона 2,5 л/мин и в даль­нейшем практически не изменяется. При оптимальных расходах защитного газа наименьшее напряжение зажигания наблюдает­ся в аргоне. По порлдку увеличения напряжения зажигания защитные газы располагаются следующим образом: аргоно-во - дородная смесь, гелий, азот и углекислый газ.

Опыты показали, что напряжение зажигании существенно зависит от длины факела плазмы, изменяющейся в зависимости от тока дежурной дуги, диаметра сопла и глубины погружения электрода в канале сопла. Последний параметр очень влияет на напряжение возбуждения дуги, и поэтому перед сваркой необходимо специально подготавливать плазмотрон (отцентро­вать электрод и выставить его в канале на глубину, приблизи­тельно равную диаметру сопла).

Кратковременное увеличение тока дежурной дуги значитель­но снижает напряжение зажигания на больших разрядных про­межутках. Так, кратковременное увеличение тока дежурной дуги от 5 до 60 А при разрядном промежутке 3 мм снижает напряжение зажигания дуги на алюминиевом катоде от 185 до 95 В. Эо объясняется удлинением факела и увеличением кон­центрации заряженных частиц плазмы у холодного катода. При

коротком (/д < 1 мм) разрядном промежутке электропровод­ность плазмы достаточно высокая даже при малом токе дежур­ной дуги, поэтому его увеличение существенно не изменяет напряжение зажигания дуги обратной полярности.

Выполненные исследования зажигания дуги обратной поляр­ности относятся к холодным катодам, температура котимых мало отличается от комнатной. Для понимания переходных процессов в дуге представляет интерес изучение развития дуго­вого разряда для случая, когда один из электродов накален. Поэтому исследования, аналогичные описанным, проводились нами на плазмотроне с прямонакальным вольфрамовым элек­тродом при атмосферном давлении в инертных газах. В каче­стве второго электрода использовался брусок из меди или алю­миния. Прямонакальный катод имел существенное преимуще­ство с точки зрения изучения влияния теплового режима катода на процесс возбуждения дуги. Путем изменения тока накала /н можно было в широком диапазоне регулировать температуру катода, а следовательно, и ток термоэлектронной эмиссии. К сожалению, у нас отсутствовала возможность непосредствен­но определять температуру катода, и процесс возбуждения раз­ряда изучался в зависимости от величины тока накала, который не всегда однозначно определяет' температуру катода. При одном и том же токе накала замена одного плазмообразующего газа другим существенно меняла температурный режим катода. Например, если при токе накала 60 А вольфрамовый электрод диаметром 1 мм в аргоне нагревался до «белого каления», т. е. до температуры, соизмеримой с температурой нити осветитель­ной лампы, то в гелии он нагревался до температуры, соответ­ствующей красному свечению. На температурный режим катода влияет также расход плазмообразующего газа.

Большему расходу соответствует меньшая температура ка­тода. Несмотря на отмеченное несовершенстьо методики измере­ния, полученные данные, по нашему мнению, представляют опре­деленный интерес и позволяют сделать некоторые новые выво­ды, касающиеся механизма возбуждения дуги при сварке на переменном токе.

Для исключения влияния последуговых процессов питание плазмотрона осуществлялось одиночными импульсами синусо­идальной формы, генерируемыми с помощью специально раз­работанной схемы.

Рассматриваемая схема разряда с накаленным и холодным электродами в принципе напоминает схему обычного газотрона, который обладает сильным вентильным эффектом, т. е. при подаче на накаленный электрод отрицательного относительно холодного электрода напряжения разряд легко возбуждается и газотрон проводит ток, а при обратной полярности он не 3*

возбуждается, т. е. термоэмиссия при низком давлении явля­ется определяющим фактором в прохождении тока.

В этой связи естественно было ожидать, что. схема, содер­жащая накаленный и холодный электроды при атмосферном давлении, также должна обладать вентильным эффектом. По этому нами были проведены опыты с использованием накали­ваемого электрода как в качестве катода (прямая полярность), так и в качестве анода (обратная полярность).

Опыты с накаливаемым катодом на первый взгляд кажутся тривиальными. Из литературы (например, работы [8]) изве­стно, что чем больше термоэмиссионный ток, тем при меньшем напряжении возбуждается дуга низкого давления. Действитель­но, результаты наших экспериментов также показали, чго ток накала оказывает существенное влияние на напряжение зажи­гания. Так, например, при токе накала 50 А напряжение, при котором зажигалась дуга длиной 0,4 мм, составляло 223 В, а лрн /н=65 А оно снижалось до 195 В. Однако возникает вопрос, является ли снижение напряжения зажигания в наших условиях результатом увеличения термоэмиссионного тока или следстви­ем других факторов. Для выяснения этого вопроса проводилась серия опытов для случая, когда накаленный вольфрамовый электрод являлся анодом, а в качестве катода применялся хо­лодный медный брусок. Результаты опытов по определению преддугового падения напряжения на разрядном промежутке длиной 0,4 мм для прямой и обратной полярности в аргоне приведены в табл. 6.

Как видно из таблицы, полярность накаленного электрода не оказывает существенного влияния на преддуговое падение напряжения. Следовательно, термоэлектронная эмиссия нака­ленного вольфрамового катода в данном случае не является первопричиной возбуждения разряда в аргоне при атмосферном давлении. Определяющим, по-видимому, здесь является темпе­ратура струи газа, нагреваемого накаленным І^-злектродом. Возникающая при этом ничтожно малая термическая иониза­ция газа может играть роль, подобную той, которую играет факел плазмы, создаваемый дежурной дугой.