Меню:

Если Вы не нашли нужного товара или информации, обращайтесь по номерам телефонов:

8 (495) 633-26-04

или закажите обратный звонок:

Цены на сырье
Нефть 28/03
Алюминий 28/03
Никель 28/03
Цены на драгметаллы
Золото 28/03 +0.16% 6489.04
Серебро 28/03 +0.67% 73.9
Платина 28/03 -0.53% 2697.07
Палладий 28/03 -1.36% 2991.78
Курсы России Сегодня +/- Завтра
USD 92.5919 -0.3291 92.2628
EUR 100.2704 -0.5647 99.7057
1181.2 1181.5
16.24 16.27
1002.0 1012.0
683.3 686.3
1477.0
10442.0
5190.0 5195.0
47.39
43.79 43.82
Данные на 16:56 мск

О влиянии электрической емкости в сварочной цепи на устойчивость режима дуговой сварки

Печатная версия сайтаРаспечатать
Array
(
    [TAGS] => 
    [~TAGS] => 
    [ID] => 46246
    [~ID] => 46246
    [NAME] => О влиянии электрической емкости в сварочной цепи на устойчивость режима дуговой сварки
    [~NAME] => О влиянии электрической емкости в сварочной цепи на устойчивость режима дуговой сварки
    [IBLOCK_ID] => 1
    [~IBLOCK_ID] => 1
    [IBLOCK_SECTION_ID] => 115
    [~IBLOCK_SECTION_ID] => 115
    [DETAIL_TEXT] => 

В недавно опубликованной статье рассмотрено влияние емкости на процессы, протекающие в электрической дуге, питаемой от источника постоянного тока. Для изучения этих процессов авторами использовалась схема замещения электрической дуги двухполюсником, включающим в себя дифференциальное сопротивление дуги и последовательно с ним включенной малой паразитной индуктивностью, зашунтированной активным сопротивлением, а параллельно двухполюснику подключена емкость. 


В несколько ином аспекте рассматривалась подобная задача в фундаментальном труде А.А. Андронова, А.А. Витта и С.Э. Хайкина «Теория колебаний». Там в качестве примера исследовалась устойчивость установившихся режимов в электрической цепи с дугой, включенной последовательно с индуктивностью и зашунтированной емкостью (см. рис. 1). Сама же дуга рассматривалась как некоторый элемент электрической цепи, статическая вольтамперная характеристика (ВАХ) которой отображает основные свойства дуги и имеет, как известно, решающее значение для выбора способа ее питания и стабилизации. 

Получены условия асимптотической устойчивости установившихся режимов в виде следующих неравенств: 

ф1.jpg

где Sа = duа/di — тангенс угла наклона ВАХ электрической дуги (дифференциальное сопротивление дуги) в окрестности точки, соответствующей установившемуся режиму, а смысл остальных обозначений ясен из рисунка. Из выражений (1) непосредственно видно, что если Sа ≥ 0, то оба неравенства будут выполнены и, следовательно, установившийся режим асимптотически устойчив при любых значениях емкости С. Если же Sа < 0 (падающий участок ВАХ дуги), то установившийся режим будет асимптотически устойчивым только для тех значений параметров цепи, которые удовлетворяют условиям

ф2.jpg

Первое неравенство в (2) называют критерием Кауфмана; записывают его чаще в виде 1.jpg, где UR — падение потенциала на сопротивлении R. 

р1.jpg

Результаты, полученные в, относятся к случаю, когда длина электрической дуги в процессе ее горения остается неизменной (вольтова дуга). Возникает естественный вопрос: каково влияние емкости C на устойчивость процессов, протекающих в реальной сварочной цепи при дуговой сварке плавящимся электродом в среде защитного газа, когда длина дуги в принципе является переменной величиной? Судя по известным публикациям этот вопрос до сих пор оставался недостаточно изученным. В силу того, что дуговая сварка плавящимся электродом в среде защитного газа является одной из доминирующих сварочных технологий, поставленный вопрос представляет практический интерес и заслуживает, на наш взгляд, детального изучения. 

р2.jpg

Рассмотрим схему сварочной цепи, изображенной на рис. 2. Она отличается от схемы на рис. 1 тем, что в ней используется плавящийся электрод, который подается в зону сварки с определенной скоростью νе . Скорость подачи электрода νе = const и скорость его плавления νm= νm(t) в произвольный момент времени t связаны с текущим значением вылета электрода h = h(t) соотношением

a3.jpg

где h0 — начальное значение вылета электрода. Скорость плавления электрода mv в свою очередь зависит от сварочного тока i = i(t) и от теплофизических и геометрических свойств электрода. Эту зависимость часто аппроксимируют линейной функцией 

2.jpg

где M — параметр, характеризующий указанные свойства. 

Расстояние H между торцом токоподводящего мундштука и свободной поверхностью сварочной ванны при роботизированной дуговой сварке поддерживается постоянным. Это расстояние, как видно из схемы, равно сумме текущих значений длины дуги l = l(t) и вылета электрода h = h(t), т. е. 

a5.jpg

Соотношения (3)–(5) дополним зависимостью

a6.jpg

и дифференциальными уравнениями

a7.jpg

составленными на основании рассматриваемой схемы и законов Кирхгофа. 

В уравнениях (6) и (7) ua — напряжение на дуге; u0 — сумма приэлектродных падений напряжений; E = dua/dl — напряженность электрического поля в столбе дуги; R* — суммарное сопротивление подводящих проводов, вылета электрода и скользящего контакта в мундштуке сварочной горелки. 

Исключив переменные i, h, vm, u, ua из системы уравнений (3)–(7), получим одно дифференциальное уравнение относительно переменной 

a8.jpg

Все размерные параметры, фигурирующие в этом уравнении, положительны. Безразмерный параметр μ, равный

a9.jpg

может принимать как положительное, так и отрицательное значение в зависимости от знака Sa и от соотношения между |Sa| и R* в окрестности рабочей точки. В дальнейшем будем полагать, что |μ| < 1. Установившееся значение длины дуги 3.jpg т. е. ее значение при 4.jpgопределяется согласно (8) выражением: 

a10.jpg

в которое, как мы видим, не входит емкость C. 

Рассмотрим теперь, каково влияние оказывает эта емкость на устойчивость режима дуговой сварки. Введем переменную λ = l – l . С учетом этой переменной и выражений (8) и (10) получим уравнение

a11.jpg

описывающее переходный процесс в сварочной цепи. Из этого уравнения непосредственно видно, что если будут выполняться условия

a12.jpg

то согласно критерию Гурвица установившийся режим в рассматриваемой схеме будет асимптотически устойчив.

Рассмотрим отдельно три частных случая. 

1) Sa ≤ 0, т. е. ВАХ дуги в окрестности рабочей точки возрастает или остается неизменной (дуговая сварка на больших и средних токах). В этом случае согласно (9) μ > 0. Легко убедится, что при этом все три условия устойчивости (12) выполняются при любых значениях емкости C. 

2) Sa < 0 и, кроме того, |Sa| ≤ R*. Это соответствует падающему участку ВАХ дуги (сварка на малых токах) и тому случаю, когда дифференциальное сопротивление дуги Sa по абсолютной величине меньше или равно суммарному сопротивлению подводящих проводов, вылета электрода и скользящего контакта в мундштуке сварочной горелки. В этом случае μ ≥ 0 . Следовательно, и теперь при любых значениях емкости C выполняются все три условия устойчивости (12). 

3) Sa < 0, но в то же время |Sa| > R*. В этом случае согласно (9) μ < 0, а это означает, что установившийся режим (10) будет устойчивым только тогда, когда будут, согласно (12), выполняться следующие условия: 

a13.jpg

Рассматривая эти условия легко заметить, что при |μ| < 1 второе условие выполняется всегда. Если при этом выполняется третье условие, то непременно будет выполняться и первое условие. Само же третье условие представляет собой алгебраическое неравенство второй степени относительно C. Его решение имеет вид 

a14.jpg

Неравенство (14) дает нам область возможных значений емкости C, при которых гарантируется устойчивость режима дуговой сварки, описываемого уравнением (8) при μ < 0. В некоторых случаях, например, при экспресс-анализе устойчивости, вместо (14) удобнее использовать более простое соотношение

a16.jpg

которое при b > 4a также удовлетворяет третьему неравенству из (13), но ограничивает несколько меньшую область значений емкости C по сравнению с «точной» областью, определяемой соотношением (14). Заметим, что условие b > 4a можно обеспечить путем подбора нужного значения R в формулах (15), которое фактически определяет крутизну ВАХ источника питания сварочной дуги в рассматриваемой рабочей точке: R = |du/di|. 

Итак, при сварке на малых токах, когда ВАХ дуги имеет падающий участок и при этом |Sa| > R*, для обеспечения устойчивости режима дуговой сварки кроме условия |μ| < 1 должно выполняться еще и условие (14) или два более простых условия: 5.jpg. В последнем случае условия устойчивости с учетом (15) и (16) можно записать в окончательном виде

a17.jpg

Первое условие из (17) при R* = 0 сводится, согласно (9), к критерию Кауфмана |Sa| < R, т. е. является некоторым уточнением этого критерия. Второе условие задает верхнюю границу возможных углов наклона ВАХ источника питания дуги при уже выбранных остальных параметрах сварочной цепи. Третье условие ограничивает величину емкости C сверху. Условия устойчивости (17), в отличие от условий (2), связывают между собой не только параметры C, L, R, Sa но еще и параметры R*, M и E, характеризующие электрические, теплофизические и геометрические свойства плавящегося электрода и напряженность электрического поля в столбе дуги. 

Следует, однако, иметь в виду, что выполнение условий (17) обеспечивает лишь принципиальную возможность прихода системы в установившееся состояние после небольшого внешнего возмущения, но не гарантирует отсутствие негативного влияния емкости C на сам характер переходных процессов в сварочной цепи. Для получения наиболее полного представления о степени указанного влияния используем компьютерное моделирование процесса дуговой сварки. Основное внимание сосредоточим на режимах малых сварочных токов, в области которых, как известно, характеристика дуги является падающей. Именно на этих режимах, согласно (17), следует ожидать существенного влияния емкости С на переходные процессы. 

При моделировании будем использовать типовые значения параметров режима роботизированной дуговой сварки на малых токах: ux = 30 В, i = 40 А, ve = 25 мм/с, H = 15 мм и реальные параметры сварочной цепи R = 6·10–2 Ом, R* = 1·10–2 Ом, L = 1·10–3 Гн, E = 2 В/мм, u0 = 18 В, M = 0,5 мм/(с·А). Что касается дифференциального сопротивления дуги Sa, то (из-за известных трудностей его непосредственного измерения) возьмем значение из графика вольтамперной характеристики, оно в области малых токов (i = 20…60 А) примерно равно Sa ≈ –1,5 10–2 В/А. 

Задавая при моделировании диапазон возможных значений емкости C, будем исходить из следующих соображений. Любая электрическая цепь содержит так называемую «паразитную» емкость. Ее минимальное значение для сварочной цепи, примерно равно Cm ≈ 1·10–8 ф. В то же время известно, что емкость C может быть специально введена в сварочную цепь. В таком случае желательно определить верхнюю границу значений этой емкости, выше которой переходный процесс становится неудовлетворительным с точки зрения технических требований, предъявляемых к дуговой сварке плавящимся электродом. 

В качестве «возмущающего» воздействия, приводящего к возникновению переходного процесса (11) в сварочной цепи, используем, как показано на рис. 3, скачкообразное изменение расстояния ∆H = H2 – H1 между торцом токоподводящего мундштука и свободной поверхностью сварочной ванны. Результаты компьютерного моделирования представлены на рис. 4, 5. На рис. 4, а изображены три графика l = l(t), представляющие собой реакцию длины дуги l(t) на возмущение ∆H = – 3 мм при Sa = –1,5·10–2 В/А и при различных значениях емкости C. Кривая 1 является графиком нескольких переходных процессов, которые практически совпадают, хотя значения емкости, при которых были получены эти графики, принадлежат широкому интервалу 0 < C ≤ 0,1 ф. Отсюда можно сделать вывод, что пока емкость C не превышает некоторой величины (в нашем случае 0,1 ф), ее влияние на переходный процесс пренебрежимо мало. И только при дальнейшем увеличении этой емкости форма кривых переходного процесса заметно изменяется (см. кривые 2 и 3), приобретая колебательный характер, причем амплитуда колебаний увеличивается по мере увеличения емкости. 

r3.jpg

На рис. 4, б изображены графики l = l(t), полученные при тех же значениях емкости C, что и графики на рис. 4, а. Но в отличие от них графики на рис. 4, б получены при условии Sa > 0. Сравнивая эти графики, приходим к выводу, что в случае, когда Sa < 0, влияние емкости С на переходные процессы в сварочной цепи на много большее, чем в случае, когда Sa > 0. 

r4.jpg

r5.jpg

Следует обратить внимание на еще одно немаловажное обстоятельство. Для того, чтобы получить верное представление о переходных процессах, протекающих в сварочной цепи при Sa < 0, нужно наряду с другими ее параметрами учитывать и суммарное сопротивление R*. Это сопротивление обычно не учитывают, считая его пренебрежимо малым. На самом же деле по порядку величины оно соизмеримо с абсолютным значением дифференциального сопротивления дуги Sa. Следовательно, его влияние на переходный процесс в сварочной цепи может оказаться весьма ощутимым. 

Иллюстрацией к сказанному служат результаты, приведенные на рис. 5, на котором представлены графики l = l(t), полученные при двух различных значениях сопротивления R*. Кривая 1 на этом рисунке есть реакция длины дуги l(t) на возмущение ∆H = –3 мм, когда R* = 1·10–2 Ом, а кривая 2 — когда R* = 0. Из рисунка хорошо видно, что эти кривые значительно отличаются друг от друга. Отсюда непосредственно следует, что игнорируя сопротивление R*, мы заведомо получаем неверную информацию о переходных процессах, протекающих в сварочной цепи. 

На основании выше изложенного можно теперь сделать следующие выводы. 

1. При больших и средних сварочных токах, когда рабочая точка располагается на возрастающем или неизменном участке вольт-амперной характеристики дуги, наличие емкости С в сварочной цепи не влияет на устойчивость режима дуговой сварки. Емкость С не влияет на устойчивость и в случае малых токов, когда рабочая точка располагается на падающем участке этой характеристики, но если при этом дифференциальное сопротивление дуги Sa по абсолютной величине меньше суммарного сопротивления подводящих проводов, вылета электрода и скользящего контакта в мундштуке сварочной горелки, т. е. если |Sa| < R*

2. В том случае, когда |Sa| > R*, наличие в сварочной цепи достаточно большой емкости C может привести к потере устойчивости режима дуговой сварки. Установленные критерии в виде алгебраических неравенств (17) позволяют оценивать верхнюю границу области значений этой емкости, внутри которой гарантируются устойчивые сварочные режимы. 

3. Результаты компьютерного моделирования процессов, протекающих в сварочной цепи, показывают, что малая емкость C (порядка сотых долей фарады) не оказывает заметного влияния на переходные процессы при дуговой сварке как на малых, так и на больших токах. Дальнейшее увеличение этой емкости при сварке на малых токах приводит к возникновению заметных колебаний длины дуги, которые увеличиваются по мере приближения емкости к границе устойчивости, определяемой условиями (17). Приведенные результаты моделирования подтверждают еще одно немаловажное замечание о том, что для получения верного представления о переходных процессах, протекающих в сварочной цепи, необходимо учитывать реальные сопротивления подводящих проводов, вылета электрода и скользящего контакта в мундштуке сварочной горелки. 

В заключение заметим, что в последнее время особое внимание специалистов направлено на решение одной из трудных проблем, связанных с роботизацией дуговой сварки тонкостенных изделий и конструкций. Очевидно, что их сварка должна производиться на малых и очень малых сварочных токах. В этой связи результаты, изложенные в данной статье, будут полезными при разработке роботизированных сварочных технологий и соответствующего технологического оборудования.

Источник: журнал "Автоматическая сварка"

[~DETAIL_TEXT] =>

В недавно опубликованной статье рассмотрено влияние емкости на процессы, протекающие в электрической дуге, питаемой от источника постоянного тока. Для изучения этих процессов авторами использовалась схема замещения электрической дуги двухполюсником, включающим в себя дифференциальное сопротивление дуги и последовательно с ним включенной малой паразитной индуктивностью, зашунтированной активным сопротивлением, а параллельно двухполюснику подключена емкость. 


В несколько ином аспекте рассматривалась подобная задача в фундаментальном труде А.А. Андронова, А.А. Витта и С.Э. Хайкина «Теория колебаний». Там в качестве примера исследовалась устойчивость установившихся режимов в электрической цепи с дугой, включенной последовательно с индуктивностью и зашунтированной емкостью (см. рис. 1). Сама же дуга рассматривалась как некоторый элемент электрической цепи, статическая вольтамперная характеристика (ВАХ) которой отображает основные свойства дуги и имеет, как известно, решающее значение для выбора способа ее питания и стабилизации. 

Получены условия асимптотической устойчивости установившихся режимов в виде следующих неравенств: 

ф1.jpg

где Sа = duа/di — тангенс угла наклона ВАХ электрической дуги (дифференциальное сопротивление дуги) в окрестности точки, соответствующей установившемуся режиму, а смысл остальных обозначений ясен из рисунка. Из выражений (1) непосредственно видно, что если Sа ≥ 0, то оба неравенства будут выполнены и, следовательно, установившийся режим асимптотически устойчив при любых значениях емкости С. Если же Sа < 0 (падающий участок ВАХ дуги), то установившийся режим будет асимптотически устойчивым только для тех значений параметров цепи, которые удовлетворяют условиям

ф2.jpg

Первое неравенство в (2) называют критерием Кауфмана; записывают его чаще в виде 1.jpg, где UR — падение потенциала на сопротивлении R. 

р1.jpg

Результаты, полученные в, относятся к случаю, когда длина электрической дуги в процессе ее горения остается неизменной (вольтова дуга). Возникает естественный вопрос: каково влияние емкости C на устойчивость процессов, протекающих в реальной сварочной цепи при дуговой сварке плавящимся электродом в среде защитного газа, когда длина дуги в принципе является переменной величиной? Судя по известным публикациям этот вопрос до сих пор оставался недостаточно изученным. В силу того, что дуговая сварка плавящимся электродом в среде защитного газа является одной из доминирующих сварочных технологий, поставленный вопрос представляет практический интерес и заслуживает, на наш взгляд, детального изучения. 

р2.jpg

Рассмотрим схему сварочной цепи, изображенной на рис. 2. Она отличается от схемы на рис. 1 тем, что в ней используется плавящийся электрод, который подается в зону сварки с определенной скоростью νе . Скорость подачи электрода νе = const и скорость его плавления νm= νm(t) в произвольный момент времени t связаны с текущим значением вылета электрода h = h(t) соотношением

a3.jpg

где h0 — начальное значение вылета электрода. Скорость плавления электрода mv в свою очередь зависит от сварочного тока i = i(t) и от теплофизических и геометрических свойств электрода. Эту зависимость часто аппроксимируют линейной функцией 

2.jpg

где M — параметр, характеризующий указанные свойства. 

Расстояние H между торцом токоподводящего мундштука и свободной поверхностью сварочной ванны при роботизированной дуговой сварке поддерживается постоянным. Это расстояние, как видно из схемы, равно сумме текущих значений длины дуги l = l(t) и вылета электрода h = h(t), т. е. 

a5.jpg

Соотношения (3)–(5) дополним зависимостью

a6.jpg

и дифференциальными уравнениями

a7.jpg

составленными на основании рассматриваемой схемы и законов Кирхгофа. 

В уравнениях (6) и (7) ua — напряжение на дуге; u0 — сумма приэлектродных падений напряжений; E = dua/dl — напряженность электрического поля в столбе дуги; R* — суммарное сопротивление подводящих проводов, вылета электрода и скользящего контакта в мундштуке сварочной горелки. 

Исключив переменные i, h, vm, u, ua из системы уравнений (3)–(7), получим одно дифференциальное уравнение относительно переменной 

a8.jpg

Все размерные параметры, фигурирующие в этом уравнении, положительны. Безразмерный параметр μ, равный

a9.jpg

может принимать как положительное, так и отрицательное значение в зависимости от знака Sa и от соотношения между |Sa| и R* в окрестности рабочей точки. В дальнейшем будем полагать, что |μ| < 1. Установившееся значение длины дуги 3.jpg т. е. ее значение при 4.jpgопределяется согласно (8) выражением: 

a10.jpg

в которое, как мы видим, не входит емкость C. 

Рассмотрим теперь, каково влияние оказывает эта емкость на устойчивость режима дуговой сварки. Введем переменную λ = l – l . С учетом этой переменной и выражений (8) и (10) получим уравнение

a11.jpg

описывающее переходный процесс в сварочной цепи. Из этого уравнения непосредственно видно, что если будут выполняться условия

a12.jpg

то согласно критерию Гурвица установившийся режим в рассматриваемой схеме будет асимптотически устойчив.

Рассмотрим отдельно три частных случая. 

1) Sa ≤ 0, т. е. ВАХ дуги в окрестности рабочей точки возрастает или остается неизменной (дуговая сварка на больших и средних токах). В этом случае согласно (9) μ > 0. Легко убедится, что при этом все три условия устойчивости (12) выполняются при любых значениях емкости C. 

2) Sa < 0 и, кроме того, |Sa| ≤ R*. Это соответствует падающему участку ВАХ дуги (сварка на малых токах) и тому случаю, когда дифференциальное сопротивление дуги Sa по абсолютной величине меньше или равно суммарному сопротивлению подводящих проводов, вылета электрода и скользящего контакта в мундштуке сварочной горелки. В этом случае μ ≥ 0 . Следовательно, и теперь при любых значениях емкости C выполняются все три условия устойчивости (12). 

3) Sa < 0, но в то же время |Sa| > R*. В этом случае согласно (9) μ < 0, а это означает, что установившийся режим (10) будет устойчивым только тогда, когда будут, согласно (12), выполняться следующие условия: 

a13.jpg

Рассматривая эти условия легко заметить, что при |μ| < 1 второе условие выполняется всегда. Если при этом выполняется третье условие, то непременно будет выполняться и первое условие. Само же третье условие представляет собой алгебраическое неравенство второй степени относительно C. Его решение имеет вид 

a14.jpg

Неравенство (14) дает нам область возможных значений емкости C, при которых гарантируется устойчивость режима дуговой сварки, описываемого уравнением (8) при μ < 0. В некоторых случаях, например, при экспресс-анализе устойчивости, вместо (14) удобнее использовать более простое соотношение

a16.jpg

которое при b > 4a также удовлетворяет третьему неравенству из (13), но ограничивает несколько меньшую область значений емкости C по сравнению с «точной» областью, определяемой соотношением (14). Заметим, что условие b > 4a можно обеспечить путем подбора нужного значения R в формулах (15), которое фактически определяет крутизну ВАХ источника питания сварочной дуги в рассматриваемой рабочей точке: R = |du/di|. 

Итак, при сварке на малых токах, когда ВАХ дуги имеет падающий участок и при этом |Sa| > R*, для обеспечения устойчивости режима дуговой сварки кроме условия |μ| < 1 должно выполняться еще и условие (14) или два более простых условия: 5.jpg. В последнем случае условия устойчивости с учетом (15) и (16) можно записать в окончательном виде

a17.jpg

Первое условие из (17) при R* = 0 сводится, согласно (9), к критерию Кауфмана |Sa| < R, т. е. является некоторым уточнением этого критерия. Второе условие задает верхнюю границу возможных углов наклона ВАХ источника питания дуги при уже выбранных остальных параметрах сварочной цепи. Третье условие ограничивает величину емкости C сверху. Условия устойчивости (17), в отличие от условий (2), связывают между собой не только параметры C, L, R, Sa но еще и параметры R*, M и E, характеризующие электрические, теплофизические и геометрические свойства плавящегося электрода и напряженность электрического поля в столбе дуги. 

Следует, однако, иметь в виду, что выполнение условий (17) обеспечивает лишь принципиальную возможность прихода системы в установившееся состояние после небольшого внешнего возмущения, но не гарантирует отсутствие негативного влияния емкости C на сам характер переходных процессов в сварочной цепи. Для получения наиболее полного представления о степени указанного влияния используем компьютерное моделирование процесса дуговой сварки. Основное внимание сосредоточим на режимах малых сварочных токов, в области которых, как известно, характеристика дуги является падающей. Именно на этих режимах, согласно (17), следует ожидать существенного влияния емкости С на переходные процессы. 

При моделировании будем использовать типовые значения параметров режима роботизированной дуговой сварки на малых токах: ux = 30 В, i = 40 А, ve = 25 мм/с, H = 15 мм и реальные параметры сварочной цепи R = 6·10–2 Ом, R* = 1·10–2 Ом, L = 1·10–3 Гн, E = 2 В/мм, u0 = 18 В, M = 0,5 мм/(с·А). Что касается дифференциального сопротивления дуги Sa, то (из-за известных трудностей его непосредственного измерения) возьмем значение из графика вольтамперной характеристики, оно в области малых токов (i = 20…60 А) примерно равно Sa ≈ –1,5 10–2 В/А. 

Задавая при моделировании диапазон возможных значений емкости C, будем исходить из следующих соображений. Любая электрическая цепь содержит так называемую «паразитную» емкость. Ее минимальное значение для сварочной цепи, примерно равно Cm ≈ 1·10–8 ф. В то же время известно, что емкость C может быть специально введена в сварочную цепь. В таком случае желательно определить верхнюю границу значений этой емкости, выше которой переходный процесс становится неудовлетворительным с точки зрения технических требований, предъявляемых к дуговой сварке плавящимся электродом. 

В качестве «возмущающего» воздействия, приводящего к возникновению переходного процесса (11) в сварочной цепи, используем, как показано на рис. 3, скачкообразное изменение расстояния ∆H = H2 – H1 между торцом токоподводящего мундштука и свободной поверхностью сварочной ванны. Результаты компьютерного моделирования представлены на рис. 4, 5. На рис. 4, а изображены три графика l = l(t), представляющие собой реакцию длины дуги l(t) на возмущение ∆H = – 3 мм при Sa = –1,5·10–2 В/А и при различных значениях емкости C. Кривая 1 является графиком нескольких переходных процессов, которые практически совпадают, хотя значения емкости, при которых были получены эти графики, принадлежат широкому интервалу 0 < C ≤ 0,1 ф. Отсюда можно сделать вывод, что пока емкость C не превышает некоторой величины (в нашем случае 0,1 ф), ее влияние на переходный процесс пренебрежимо мало. И только при дальнейшем увеличении этой емкости форма кривых переходного процесса заметно изменяется (см. кривые 2 и 3), приобретая колебательный характер, причем амплитуда колебаний увеличивается по мере увеличения емкости. 

r3.jpg

На рис. 4, б изображены графики l = l(t), полученные при тех же значениях емкости C, что и графики на рис. 4, а. Но в отличие от них графики на рис. 4, б получены при условии Sa > 0. Сравнивая эти графики, приходим к выводу, что в случае, когда Sa < 0, влияние емкости С на переходные процессы в сварочной цепи на много большее, чем в случае, когда Sa > 0. 

r4.jpg

r5.jpg

Следует обратить внимание на еще одно немаловажное обстоятельство. Для того, чтобы получить верное представление о переходных процессах, протекающих в сварочной цепи при Sa < 0, нужно наряду с другими ее параметрами учитывать и суммарное сопротивление R*. Это сопротивление обычно не учитывают, считая его пренебрежимо малым. На самом же деле по порядку величины оно соизмеримо с абсолютным значением дифференциального сопротивления дуги Sa. Следовательно, его влияние на переходный процесс в сварочной цепи может оказаться весьма ощутимым. 

Иллюстрацией к сказанному служат результаты, приведенные на рис. 5, на котором представлены графики l = l(t), полученные при двух различных значениях сопротивления R*. Кривая 1 на этом рисунке есть реакция длины дуги l(t) на возмущение ∆H = –3 мм, когда R* = 1·10–2 Ом, а кривая 2 — когда R* = 0. Из рисунка хорошо видно, что эти кривые значительно отличаются друг от друга. Отсюда непосредственно следует, что игнорируя сопротивление R*, мы заведомо получаем неверную информацию о переходных процессах, протекающих в сварочной цепи. 

На основании выше изложенного можно теперь сделать следующие выводы. 

1. При больших и средних сварочных токах, когда рабочая точка располагается на возрастающем или неизменном участке вольт-амперной характеристики дуги, наличие емкости С в сварочной цепи не влияет на устойчивость режима дуговой сварки. Емкость С не влияет на устойчивость и в случае малых токов, когда рабочая точка располагается на падающем участке этой характеристики, но если при этом дифференциальное сопротивление дуги Sa по абсолютной величине меньше суммарного сопротивления подводящих проводов, вылета электрода и скользящего контакта в мундштуке сварочной горелки, т. е. если |Sa| < R*

2. В том случае, когда |Sa| > R*, наличие в сварочной цепи достаточно большой емкости C может привести к потере устойчивости режима дуговой сварки. Установленные критерии в виде алгебраических неравенств (17) позволяют оценивать верхнюю границу области значений этой емкости, внутри которой гарантируются устойчивые сварочные режимы. 

3. Результаты компьютерного моделирования процессов, протекающих в сварочной цепи, показывают, что малая емкость C (порядка сотых долей фарады) не оказывает заметного влияния на переходные процессы при дуговой сварке как на малых, так и на больших токах. Дальнейшее увеличение этой емкости при сварке на малых токах приводит к возникновению заметных колебаний длины дуги, которые увеличиваются по мере приближения емкости к границе устойчивости, определяемой условиями (17). Приведенные результаты моделирования подтверждают еще одно немаловажное замечание о том, что для получения верного представления о переходных процессах, протекающих в сварочной цепи, необходимо учитывать реальные сопротивления подводящих проводов, вылета электрода и скользящего контакта в мундштуке сварочной горелки. 

В заключение заметим, что в последнее время особое внимание специалистов направлено на решение одной из трудных проблем, связанных с роботизацией дуговой сварки тонкостенных изделий и конструкций. Очевидно, что их сварка должна производиться на малых и очень малых сварочных токах. В этой связи результаты, изложенные в данной статье, будут полезными при разработке роботизированных сварочных технологий и соответствующего технологического оборудования.

Источник: журнал "Автоматическая сварка"

[DETAIL_TEXT_TYPE] => html [~DETAIL_TEXT_TYPE] => html [PREVIEW_TEXT] => В недавно опубликованной статье рассмотрено влияние емкости на процессы, протекающие в электрической дуге, питаемой от источника постоянного тока. Для изучения этих процессов авторами использовалась схема замещения электрической дуги двухполюсником, включающим в себя дифференциальное сопротивление дуги и последовательно с ним включенной малой паразитной индуктивностью, зашунтированной активным сопротивлением, а параллельно двухполюснику подключена емкость. [~PREVIEW_TEXT] => В недавно опубликованной статье рассмотрено влияние емкости на процессы, протекающие в электрической дуге, питаемой от источника постоянного тока. Для изучения этих процессов авторами использовалась схема замещения электрической дуги двухполюсником, включающим в себя дифференциальное сопротивление дуги и последовательно с ним включенной малой паразитной индуктивностью, зашунтированной активным сопротивлением, а параллельно двухполюснику подключена емкость. [PREVIEW_TEXT_TYPE] => text [~PREVIEW_TEXT_TYPE] => text [DETAIL_PICTURE] => [~DETAIL_PICTURE] => [TIMESTAMP_X] => 17.02.2017 17:00:52 [~TIMESTAMP_X] => 17.02.2017 17:00:52 [ACTIVE_FROM] => 17.02.2017 [~ACTIVE_FROM] => 17.02.2017 [LIST_PAGE_URL] => /news/ [~LIST_PAGE_URL] => /news/ [DETAIL_PAGE_URL] => /news/115/46246/ [~DETAIL_PAGE_URL] => /news/115/46246/ [LANG_DIR] => / [~LANG_DIR] => / [CODE] => o_vliyanii_elektricheskoy_emkosti_v_svarochnoy_tsepi_na_ustoychivost_rezhima_dugovoy_svarki [~CODE] => o_vliyanii_elektricheskoy_emkosti_v_svarochnoy_tsepi_na_ustoychivost_rezhima_dugovoy_svarki [EXTERNAL_ID] => 46246 [~EXTERNAL_ID] => 46246 [IBLOCK_TYPE_ID] => news [~IBLOCK_TYPE_ID] => news [IBLOCK_CODE] => news [~IBLOCK_CODE] => news [IBLOCK_EXTERNAL_ID] => clothes_news_s1 [~IBLOCK_EXTERNAL_ID] => clothes_news_s1 [LID] => s1 [~LID] => s1 [NAV_RESULT] => [DISPLAY_ACTIVE_FROM] => 17.02.2017 [IPROPERTY_VALUES] => Array ( [SECTION_META_TITLE] => О влиянии электрической емкости в сварочной цепи на устойчивость режима дуговой сварки [SECTION_META_KEYWORDS] => о влиянии электрической емкости в сварочной цепи на устойчивость режима дуговой сварки [SECTION_META_DESCRIPTION] => В недавно опубликованной статье рассмотрено влияние емкости на процессы, протекающие в электрической дуге, питаемой от источника постоянного тока. Для изучения этих процессов авторами использовалась схема замещения электрической дуги двухполюсником, включающим в себя дифференциальное сопротивление дуги и последовательно с ним включенной малой паразитной индуктивностью, зашунтированной активным сопротивлением, а параллельно двухполюснику подключена емкость. [SECTION_PAGE_TITLE] => О влиянии электрической емкости в сварочной цепи на устойчивость режима дуговой сварки [ELEMENT_META_TITLE] => О влиянии электрической емкости в сварочной цепи на устойчивость режима дуговой сварки [ELEMENT_META_KEYWORDS] => о влиянии электрической емкости в сварочной цепи на устойчивость режима дуговой сварки [ELEMENT_META_DESCRIPTION] => В недавно опубликованной статье рассмотрено влияние емкости на процессы, протекающие в электрической дуге, питаемой от источника постоянного тока. Для изучения этих процессов авторами использовалась схема замещения электрической дуги двухполюсником, включающим в себя дифференциальное сопротивление дуги и последовательно с ним включенной малой паразитной индуктивностью, зашунтированной активным сопротивлением, а параллельно двухполюснику подключена емкость. [ELEMENT_PAGE_TITLE] => О влиянии электрической емкости в сварочной цепи на устойчивость режима дуговой сварки [SECTION_PICTURE_FILE_ALT] => О влиянии электрической емкости в сварочной цепи на устойчивость режима дуговой сварки [SECTION_PICTURE_FILE_TITLE] => О влиянии электрической емкости в сварочной цепи на устойчивость режима дуговой сварки [SECTION_DETAIL_PICTURE_FILE_ALT] => О влиянии электрической емкости в сварочной цепи на устойчивость режима дуговой сварки [SECTION_DETAIL_PICTURE_FILE_TITLE] => О влиянии электрической емкости в сварочной цепи на устойчивость режима дуговой сварки [ELEMENT_PREVIEW_PICTURE_FILE_ALT] => О влиянии электрической емкости в сварочной цепи на устойчивость режима дуговой сварки [ELEMENT_PREVIEW_PICTURE_FILE_TITLE] => О влиянии электрической емкости в сварочной цепи на устойчивость режима дуговой сварки [ELEMENT_DETAIL_PICTURE_FILE_ALT] => О влиянии электрической емкости в сварочной цепи на устойчивость режима дуговой сварки [ELEMENT_DETAIL_PICTURE_FILE_TITLE] => О влиянии электрической емкости в сварочной цепи на устойчивость режима дуговой сварки ) [FIELDS] => Array ( [TAGS] => ) [DISPLAY_PROPERTIES] => Array ( ) [IBLOCK] => Array ( [ID] => 1 [~ID] => 1 [TIMESTAMP_X] => 15.02.2016 17:09:48 [~TIMESTAMP_X] => 15.02.2016 17:09:48 [IBLOCK_TYPE_ID] => news [~IBLOCK_TYPE_ID] => news [LID] => s1 [~LID] => s1 [CODE] => news [~CODE] => news [NAME] => Пресс-центр [~NAME] => Пресс-центр [ACTIVE] => Y [~ACTIVE] => Y [SORT] => 500 [~SORT] => 500 [LIST_PAGE_URL] => /news/ [~LIST_PAGE_URL] => /news/ [DETAIL_PAGE_URL] => #SITE_DIR#/news/#SECTION_ID#/#ELEMENT_ID#/ [~DETAIL_PAGE_URL] => #SITE_DIR#/news/#SECTION_ID#/#ELEMENT_ID#/ [SECTION_PAGE_URL] => #SITE_DIR#/news/#SECTION_ID#/ [~SECTION_PAGE_URL] => #SITE_DIR#/news/#SECTION_ID#/ [PICTURE] => [~PICTURE] => [DESCRIPTION] => [~DESCRIPTION] => [DESCRIPTION_TYPE] => text [~DESCRIPTION_TYPE] => text [RSS_TTL] => 24 [~RSS_TTL] => 24 [RSS_ACTIVE] => Y [~RSS_ACTIVE] => Y [RSS_FILE_ACTIVE] => N [~RSS_FILE_ACTIVE] => N [RSS_FILE_LIMIT] => 0 [~RSS_FILE_LIMIT] => 0 [RSS_FILE_DAYS] => 0 [~RSS_FILE_DAYS] => 0 [RSS_YANDEX_ACTIVE] => N [~RSS_YANDEX_ACTIVE] => N [XML_ID] => clothes_news_s1 [~XML_ID] => clothes_news_s1 [TMP_ID] => 7892ec079502a4fafaa420df15fe1cad [~TMP_ID] => 7892ec079502a4fafaa420df15fe1cad [INDEX_ELEMENT] => Y [~INDEX_ELEMENT] => Y [INDEX_SECTION] => Y [~INDEX_SECTION] => Y [WORKFLOW] => N [~WORKFLOW] => N [BIZPROC] => N [~BIZPROC] => N [SECTION_CHOOSER] => L [~SECTION_CHOOSER] => L [LIST_MODE] => [~LIST_MODE] => [RIGHTS_MODE] => S [~RIGHTS_MODE] => S [SECTION_PROPERTY] => N [~SECTION_PROPERTY] => N [PROPERTY_INDEX] => N [~PROPERTY_INDEX] => N [VERSION] => 1 [~VERSION] => 1 [LAST_CONV_ELEMENT] => 0 [~LAST_CONV_ELEMENT] => 0 [SOCNET_GROUP_ID] => [~SOCNET_GROUP_ID] => [EDIT_FILE_BEFORE] => [~EDIT_FILE_BEFORE] => [EDIT_FILE_AFTER] => [~EDIT_FILE_AFTER] => [SECTIONS_NAME] => Разделы [~SECTIONS_NAME] => Разделы [SECTION_NAME] => Раздел [~SECTION_NAME] => Раздел [ELEMENTS_NAME] => Новости [~ELEMENTS_NAME] => Новости [ELEMENT_NAME] => Новость [~ELEMENT_NAME] => Новость [CANONICAL_PAGE_URL] => [~CANONICAL_PAGE_URL] => [EXTERNAL_ID] => clothes_news_s1 [~EXTERNAL_ID] => clothes_news_s1 [LANG_DIR] => / [~LANG_DIR] => / [SERVER_NAME] => www.alfa-industry.ru [~SERVER_NAME] => www.alfa-industry.ru ) [SECTION] => Array ( [PATH] => Array ( [0] => Array ( [ID] => 115 [~ID] => 115 [TIMESTAMP_X] => 2015-11-25 18:37:33 [~TIMESTAMP_X] => 2015-11-25 18:37:33 [MODIFIED_BY] => 2 [~MODIFIED_BY] => 2 [DATE_CREATE] => 2015-09-29 20:10:16 [~DATE_CREATE] => 2015-09-29 20:10:16 [CREATED_BY] => 1 [~CREATED_BY] => 1 [IBLOCK_ID] => 1 [~IBLOCK_ID] => 1 [IBLOCK_SECTION_ID] => [~IBLOCK_SECTION_ID] => [ACTIVE] => Y [~ACTIVE] => Y [GLOBAL_ACTIVE] => Y [~GLOBAL_ACTIVE] => Y [SORT] => 500 [~SORT] => 500 [NAME] => Технические статьи [~NAME] => Технические статьи [PICTURE] => [~PICTURE] => [LEFT_MARGIN] => 21 [~LEFT_MARGIN] => 21 [RIGHT_MARGIN] => 22 [~RIGHT_MARGIN] => 22 [DEPTH_LEVEL] => 1 [~DEPTH_LEVEL] => 1 [DESCRIPTION] => [~DESCRIPTION] => [DESCRIPTION_TYPE] => text [~DESCRIPTION_TYPE] => text [SEARCHABLE_CONTENT] => ТЕХНИЧЕСКИЕ СТАТЬИ [~SEARCHABLE_CONTENT] => ТЕХНИЧЕСКИЕ СТАТЬИ [CODE] => [~CODE] => [XML_ID] => 115 [~XML_ID] => 115 [TMP_ID] => [~TMP_ID] => [DETAIL_PICTURE] => [~DETAIL_PICTURE] => [SOCNET_GROUP_ID] => [~SOCNET_GROUP_ID] => [LIST_PAGE_URL] => /news/ [~LIST_PAGE_URL] => /news/ [SECTION_PAGE_URL] => /news/115/ [~SECTION_PAGE_URL] => /news/115/ [IBLOCK_TYPE_ID] => news [~IBLOCK_TYPE_ID] => news [IBLOCK_CODE] => news [~IBLOCK_CODE] => news [IBLOCK_EXTERNAL_ID] => clothes_news_s1 [~IBLOCK_EXTERNAL_ID] => clothes_news_s1 [EXTERNAL_ID] => 115 [~EXTERNAL_ID] => 115 [IPROPERTY_VALUES] => Array ( [SECTION_META_TITLE] => Технические статьи [SECTION_META_KEYWORDS] => технические статьи [SECTION_META_DESCRIPTION] => [SECTION_PAGE_TITLE] => Технические статьи [ELEMENT_META_TITLE] => Технические статьи [ELEMENT_META_KEYWORDS] => технические статьи [ELEMENT_META_DESCRIPTION] => [ELEMENT_PAGE_TITLE] => Технические статьи [SECTION_PICTURE_FILE_ALT] => Технические статьи [SECTION_PICTURE_FILE_TITLE] => Технические статьи [SECTION_DETAIL_PICTURE_FILE_ALT] => Технические статьи [SECTION_DETAIL_PICTURE_FILE_TITLE] => Технические статьи [ELEMENT_PREVIEW_PICTURE_FILE_ALT] => Технические статьи [ELEMENT_PREVIEW_PICTURE_FILE_TITLE] => Технические статьи [ELEMENT_DETAIL_PICTURE_FILE_ALT] => Технические статьи [ELEMENT_DETAIL_PICTURE_FILE_TITLE] => Технические статьи ) ) ) ) [SECTION_URL] => /news/115/ )
Поделиться:
О влиянии электрической емкости в сварочной цепи на устойчивость режима дуговой сварки
17.02.2017

В недавно опубликованной статье рассмотрено влияние емкости на процессы, протекающие в электрической дуге, питаемой от источника постоянного тока. Для изучения этих процессов авторами использовалась схема замещения электрической дуги двухполюсником, включающим в себя дифференциальное сопротивление дуги и последовательно с ним включенной малой паразитной индуктивностью, зашунтированной активным сопротивлением, а параллельно двухполюснику подключена емкость. 


В несколько ином аспекте рассматривалась подобная задача в фундаментальном труде А.А. Андронова, А.А. Витта и С.Э. Хайкина «Теория колебаний». Там в качестве примера исследовалась устойчивость установившихся режимов в электрической цепи с дугой, включенной последовательно с индуктивностью и зашунтированной емкостью (см. рис. 1). Сама же дуга рассматривалась как некоторый элемент электрической цепи, статическая вольтамперная характеристика (ВАХ) которой отображает основные свойства дуги и имеет, как известно, решающее значение для выбора способа ее питания и стабилизации. 

Получены условия асимптотической устойчивости установившихся режимов в виде следующих неравенств: 

ф1.jpg

где Sа = duа/di — тангенс угла наклона ВАХ электрической дуги (дифференциальное сопротивление дуги) в окрестности точки, соответствующей установившемуся режиму, а смысл остальных обозначений ясен из рисунка. Из выражений (1) непосредственно видно, что если Sа ≥ 0, то оба неравенства будут выполнены и, следовательно, установившийся режим асимптотически устойчив при любых значениях емкости С. Если же Sа < 0 (падающий участок ВАХ дуги), то установившийся режим будет асимптотически устойчивым только для тех значений параметров цепи, которые удовлетворяют условиям

ф2.jpg

Первое неравенство в (2) называют критерием Кауфмана; записывают его чаще в виде 1.jpg, где UR — падение потенциала на сопротивлении R. 

р1.jpg

Результаты, полученные в, относятся к случаю, когда длина электрической дуги в процессе ее горения остается неизменной (вольтова дуга). Возникает естественный вопрос: каково влияние емкости C на устойчивость процессов, протекающих в реальной сварочной цепи при дуговой сварке плавящимся электродом в среде защитного газа, когда длина дуги в принципе является переменной величиной? Судя по известным публикациям этот вопрос до сих пор оставался недостаточно изученным. В силу того, что дуговая сварка плавящимся электродом в среде защитного газа является одной из доминирующих сварочных технологий, поставленный вопрос представляет практический интерес и заслуживает, на наш взгляд, детального изучения. 

р2.jpg

Рассмотрим схему сварочной цепи, изображенной на рис. 2. Она отличается от схемы на рис. 1 тем, что в ней используется плавящийся электрод, который подается в зону сварки с определенной скоростью νе . Скорость подачи электрода νе = const и скорость его плавления νm= νm(t) в произвольный момент времени t связаны с текущим значением вылета электрода h = h(t) соотношением

a3.jpg

где h0 — начальное значение вылета электрода. Скорость плавления электрода mv в свою очередь зависит от сварочного тока i = i(t) и от теплофизических и геометрических свойств электрода. Эту зависимость часто аппроксимируют линейной функцией 

2.jpg

где M — параметр, характеризующий указанные свойства. 

Расстояние H между торцом токоподводящего мундштука и свободной поверхностью сварочной ванны при роботизированной дуговой сварке поддерживается постоянным. Это расстояние, как видно из схемы, равно сумме текущих значений длины дуги l = l(t) и вылета электрода h = h(t), т. е. 

a5.jpg

Соотношения (3)–(5) дополним зависимостью

a6.jpg

и дифференциальными уравнениями

a7.jpg

составленными на основании рассматриваемой схемы и законов Кирхгофа. 

В уравнениях (6) и (7) ua — напряжение на дуге; u0 — сумма приэлектродных падений напряжений; E = dua/dl — напряженность электрического поля в столбе дуги; R* — суммарное сопротивление подводящих проводов, вылета электрода и скользящего контакта в мундштуке сварочной горелки. 

Исключив переменные i, h, vm, u, ua из системы уравнений (3)–(7), получим одно дифференциальное уравнение относительно переменной 

a8.jpg

Все размерные параметры, фигурирующие в этом уравнении, положительны. Безразмерный параметр μ, равный

a9.jpg

может принимать как положительное, так и отрицательное значение в зависимости от знака Sa и от соотношения между |Sa| и R* в окрестности рабочей точки. В дальнейшем будем полагать, что |μ| < 1. Установившееся значение длины дуги 3.jpg т. е. ее значение при 4.jpgопределяется согласно (8) выражением: 

a10.jpg

в которое, как мы видим, не входит емкость C. 

Рассмотрим теперь, каково влияние оказывает эта емкость на устойчивость режима дуговой сварки. Введем переменную λ = l – l . С учетом этой переменной и выражений (8) и (10) получим уравнение

a11.jpg

описывающее переходный процесс в сварочной цепи. Из этого уравнения непосредственно видно, что если будут выполняться условия

a12.jpg

то согласно критерию Гурвица установившийся режим в рассматриваемой схеме будет асимптотически устойчив.

Рассмотрим отдельно три частных случая. 

1) Sa ≤ 0, т. е. ВАХ дуги в окрестности рабочей точки возрастает или остается неизменной (дуговая сварка на больших и средних токах). В этом случае согласно (9) μ > 0. Легко убедится, что при этом все три условия устойчивости (12) выполняются при любых значениях емкости C. 

2) Sa < 0 и, кроме того, |Sa| ≤ R*. Это соответствует падающему участку ВАХ дуги (сварка на малых токах) и тому случаю, когда дифференциальное сопротивление дуги Sa по абсолютной величине меньше или равно суммарному сопротивлению подводящих проводов, вылета электрода и скользящего контакта в мундштуке сварочной горелки. В этом случае μ ≥ 0 . Следовательно, и теперь при любых значениях емкости C выполняются все три условия устойчивости (12). 

3) Sa < 0, но в то же время |Sa| > R*. В этом случае согласно (9) μ < 0, а это означает, что установившийся режим (10) будет устойчивым только тогда, когда будут, согласно (12), выполняться следующие условия: 

a13.jpg

Рассматривая эти условия легко заметить, что при |μ| < 1 второе условие выполняется всегда. Если при этом выполняется третье условие, то непременно будет выполняться и первое условие. Само же третье условие представляет собой алгебраическое неравенство второй степени относительно C. Его решение имеет вид 

a14.jpg

Неравенство (14) дает нам область возможных значений емкости C, при которых гарантируется устойчивость режима дуговой сварки, описываемого уравнением (8) при μ < 0. В некоторых случаях, например, при экспресс-анализе устойчивости, вместо (14) удобнее использовать более простое соотношение

a16.jpg

которое при b > 4a также удовлетворяет третьему неравенству из (13), но ограничивает несколько меньшую область значений емкости C по сравнению с «точной» областью, определяемой соотношением (14). Заметим, что условие b > 4a можно обеспечить путем подбора нужного значения R в формулах (15), которое фактически определяет крутизну ВАХ источника питания сварочной дуги в рассматриваемой рабочей точке: R = |du/di|. 

Итак, при сварке на малых токах, когда ВАХ дуги имеет падающий участок и при этом |Sa| > R*, для обеспечения устойчивости режима дуговой сварки кроме условия |μ| < 1 должно выполняться еще и условие (14) или два более простых условия: 5.jpg. В последнем случае условия устойчивости с учетом (15) и (16) можно записать в окончательном виде

a17.jpg

Первое условие из (17) при R* = 0 сводится, согласно (9), к критерию Кауфмана |Sa| < R, т. е. является некоторым уточнением этого критерия. Второе условие задает верхнюю границу возможных углов наклона ВАХ источника питания дуги при уже выбранных остальных параметрах сварочной цепи. Третье условие ограничивает величину емкости C сверху. Условия устойчивости (17), в отличие от условий (2), связывают между собой не только параметры C, L, R, Sa но еще и параметры R*, M и E, характеризующие электрические, теплофизические и геометрические свойства плавящегося электрода и напряженность электрического поля в столбе дуги. 

Следует, однако, иметь в виду, что выполнение условий (17) обеспечивает лишь принципиальную возможность прихода системы в установившееся состояние после небольшого внешнего возмущения, но не гарантирует отсутствие негативного влияния емкости C на сам характер переходных процессов в сварочной цепи. Для получения наиболее полного представления о степени указанного влияния используем компьютерное моделирование процесса дуговой сварки. Основное внимание сосредоточим на режимах малых сварочных токов, в области которых, как известно, характеристика дуги является падающей. Именно на этих режимах, согласно (17), следует ожидать существенного влияния емкости С на переходные процессы. 

При моделировании будем использовать типовые значения параметров режима роботизированной дуговой сварки на малых токах: ux = 30 В, i = 40 А, ve = 25 мм/с, H = 15 мм и реальные параметры сварочной цепи R = 6·10–2 Ом, R* = 1·10–2 Ом, L = 1·10–3 Гн, E = 2 В/мм, u0 = 18 В, M = 0,5 мм/(с·А). Что касается дифференциального сопротивления дуги Sa, то (из-за известных трудностей его непосредственного измерения) возьмем значение из графика вольтамперной характеристики, оно в области малых токов (i = 20…60 А) примерно равно Sa ≈ –1,5 10–2 В/А. 

Задавая при моделировании диапазон возможных значений емкости C, будем исходить из следующих соображений. Любая электрическая цепь содержит так называемую «паразитную» емкость. Ее минимальное значение для сварочной цепи, примерно равно Cm ≈ 1·10–8 ф. В то же время известно, что емкость C может быть специально введена в сварочную цепь. В таком случае желательно определить верхнюю границу значений этой емкости, выше которой переходный процесс становится неудовлетворительным с точки зрения технических требований, предъявляемых к дуговой сварке плавящимся электродом. 

В качестве «возмущающего» воздействия, приводящего к возникновению переходного процесса (11) в сварочной цепи, используем, как показано на рис. 3, скачкообразное изменение расстояния ∆H = H2 – H1 между торцом токоподводящего мундштука и свободной поверхностью сварочной ванны. Результаты компьютерного моделирования представлены на рис. 4, 5. На рис. 4, а изображены три графика l = l(t), представляющие собой реакцию длины дуги l(t) на возмущение ∆H = – 3 мм при Sa = –1,5·10–2 В/А и при различных значениях емкости C. Кривая 1 является графиком нескольких переходных процессов, которые практически совпадают, хотя значения емкости, при которых были получены эти графики, принадлежат широкому интервалу 0 < C ≤ 0,1 ф. Отсюда можно сделать вывод, что пока емкость C не превышает некоторой величины (в нашем случае 0,1 ф), ее влияние на переходный процесс пренебрежимо мало. И только при дальнейшем увеличении этой емкости форма кривых переходного процесса заметно изменяется (см. кривые 2 и 3), приобретая колебательный характер, причем амплитуда колебаний увеличивается по мере увеличения емкости. 

r3.jpg

На рис. 4, б изображены графики l = l(t), полученные при тех же значениях емкости C, что и графики на рис. 4, а. Но в отличие от них графики на рис. 4, б получены при условии Sa > 0. Сравнивая эти графики, приходим к выводу, что в случае, когда Sa < 0, влияние емкости С на переходные процессы в сварочной цепи на много большее, чем в случае, когда Sa > 0. 

r4.jpg

r5.jpg

Следует обратить внимание на еще одно немаловажное обстоятельство. Для того, чтобы получить верное представление о переходных процессах, протекающих в сварочной цепи при Sa < 0, нужно наряду с другими ее параметрами учитывать и суммарное сопротивление R*. Это сопротивление обычно не учитывают, считая его пренебрежимо малым. На самом же деле по порядку величины оно соизмеримо с абсолютным значением дифференциального сопротивления дуги Sa. Следовательно, его влияние на переходный процесс в сварочной цепи может оказаться весьма ощутимым. 

Иллюстрацией к сказанному служат результаты, приведенные на рис. 5, на котором представлены графики l = l(t), полученные при двух различных значениях сопротивления R*. Кривая 1 на этом рисунке есть реакция длины дуги l(t) на возмущение ∆H = –3 мм, когда R* = 1·10–2 Ом, а кривая 2 — когда R* = 0. Из рисунка хорошо видно, что эти кривые значительно отличаются друг от друга. Отсюда непосредственно следует, что игнорируя сопротивление R*, мы заведомо получаем неверную информацию о переходных процессах, протекающих в сварочной цепи. 

На основании выше изложенного можно теперь сделать следующие выводы. 

1. При больших и средних сварочных токах, когда рабочая точка располагается на возрастающем или неизменном участке вольт-амперной характеристики дуги, наличие емкости С в сварочной цепи не влияет на устойчивость режима дуговой сварки. Емкость С не влияет на устойчивость и в случае малых токов, когда рабочая точка располагается на падающем участке этой характеристики, но если при этом дифференциальное сопротивление дуги Sa по абсолютной величине меньше суммарного сопротивления подводящих проводов, вылета электрода и скользящего контакта в мундштуке сварочной горелки, т. е. если |Sa| < R*

2. В том случае, когда |Sa| > R*, наличие в сварочной цепи достаточно большой емкости C может привести к потере устойчивости режима дуговой сварки. Установленные критерии в виде алгебраических неравенств (17) позволяют оценивать верхнюю границу области значений этой емкости, внутри которой гарантируются устойчивые сварочные режимы. 

3. Результаты компьютерного моделирования процессов, протекающих в сварочной цепи, показывают, что малая емкость C (порядка сотых долей фарады) не оказывает заметного влияния на переходные процессы при дуговой сварке как на малых, так и на больших токах. Дальнейшее увеличение этой емкости при сварке на малых токах приводит к возникновению заметных колебаний длины дуги, которые увеличиваются по мере приближения емкости к границе устойчивости, определяемой условиями (17). Приведенные результаты моделирования подтверждают еще одно немаловажное замечание о том, что для получения верного представления о переходных процессах, протекающих в сварочной цепи, необходимо учитывать реальные сопротивления подводящих проводов, вылета электрода и скользящего контакта в мундштуке сварочной горелки. 

В заключение заметим, что в последнее время особое внимание специалистов направлено на решение одной из трудных проблем, связанных с роботизацией дуговой сварки тонкостенных изделий и конструкций. Очевидно, что их сварка должна производиться на малых и очень малых сварочных токах. В этой связи результаты, изложенные в данной статье, будут полезными при разработке роботизированных сварочных технологий и соответствующего технологического оборудования.

Источник: журнал "Автоматическая сварка"

Советуем подписаться на наши страницы в социальных сетях: Facebook | Вконтакте | Twitter | Google+  | Одноклассники

Рейтинг статьи:
0
0
Просмотров: 2012
Комментарии

Оставить отзыв


Поделиться: