Charakterystyka spawalniczego źródła zasilania

Po przeczytaniu tego artykułu dowiesz się o właściwościach spawalniczego źródła zasilania: - 1. Charakterystyka Volt-Ampere spawalniczego źródła zasilania 2. Zewnętrzna statyczna charakterystyka woltamperowa spawalniczego źródła zasilania 3. Charakterystyki prądu stałego 4. Stałe napięcie Charakterystyka 5. Dynamiczna charakterystyka woltamperowa.

Charakterystyka Volt-Ampere spawalniczego źródła zasilania:

Wszystkie źródła prądu spawalniczego mają dwa rodzaje charakterystyki pracy, mianowicie charakterystykę statyczną i charakterystykę dynamiczną. Statyczną charakterystykę wyjściową można łatwo ustalić poprzez pomiar napięcia wyjściowego i prądu w stanie ustalonym za pomocą konwencjonalnej metody ładowania za pomocą zmiennych rezystorów. Zatem krzywa przedstawiająca prąd wyjściowy w funkcji napięcia wyjściowego dla danego źródła zasilania stanowi jego charakterystykę statyczną.

Charakterystykę dynamiczną źródła prądu spawania łukowego określa się rejestrując zmiany przejściowe występujące w krótkim okresie w prądzie spawania i napięciu łuku. W związku z tym opisuje on chwilowe zmiany występujące w krótkim okresie czasu, np. W milisekundach. Stabilność łuku jest określana przez połączone oddziaływanie charakterystyki statycznej i dynamicznej woltamperowej (VI) spawalniczego źródła zasilania.

Wewnętrzna przejściowa natura łuku spawalniczego jest główną przyczyną dużego znaczenia charakterystyki dynamicznej źródła prądu spawania łukowego. Większość łuków spawalniczych ma stale zmieniające się warunki, które są głównie związane z uderzaniem łuku, przenoszeniem metalu z elektrody do jeziorka spawalniczego oraz wygaszaniem łuku i ponownym zapłonem podczas każdego półokresu spawania ac. Przejściowy charakter łuku spawalniczego wynika również ze zmienności długości łuku, temperatury łuku i charakterystyki emisji elektronów katody.

Szybkość zmian napięcia i natężenia prądu w procesach spawania łukowego jest tak duża, że ​​statyczna charakterystyka woltamperowa źródła zasilania nie ma większego znaczenia dla przewidywania dynamicznej charakterystyki łuku spawalniczego.

Jednak tylko statyczna charakterystyka woltamperowa spawalniczego źródła zasilania jest dostarczana przez producenta. Chociaż nie mogą dać charakteru zachowania źródła zasilania w odniesieniu do jego dynamicznej odpowiedzi, ale mają duże znaczenie w określeniu ogólnej ogólnej odpowiedzi w kontrolowaniu parametrów procesu.

Zewnętrzna charakterystyka statyczna woltamperowa spawalniczego źródła zasilania:

Bardzo ważną cechą każdego źródła prądu spawania łukowego jest jego zewnętrzna statyczna charakterystyka woltamperowa. Jest to krzywa odnosząca napięcie źródła do prądu spawania. Krzywa charakterystyki woltamperowej spawalniczego źródła zasilania jest uzyskiwana poprzez pomiar napięcia wyjściowego i prądu podczas statycznego obciążenia go czystym obciążeniem rezystancyjnym, które zmienia się od minimalnego obciążenia lub do całkowitego braku obciążenia lub do warunków zwarciowych. Zewnętrzna statyczna charakterystyka spawalniczego źródła zasilania jest różna w zależności od aplikacji, dla której jest przeznaczona.

Rys. 4.1 pokazuje różne typy charakterystyki woltamperowej stosowanej dla źródeł prądu spawania. Zasadniczo wszystkie te cechy VI są klasyfikowane w czterech kategoriach, mianowicie: stromo opadające, stopniowo opadające, płaskie i rosnące, które są używane odpowiednio do ręcznego spawania łukowego, spawania łukiem krytym, półautomatycznego spawania łukowego z metalu i automatycznego łuku metalu gazowego procesy spawania.

Rys. 4.1 Statyczna charakterystyka woltamperowa różnych typów źródeł prądu spawania

Inne procesy spawania łukowego również są objęte tymi czterema typami. Jednak powszechne jest rozważanie źródła zasilania spawalniczego o opadających charakterystykach V -I jako konwencjonalnych lub stałoprądowych maszynach i spawalniczych źródłach prądu o płaskich lub prawie płaskich charakterystykach VI jako maszynach o stałym napięciu lub o stałym potencjale.

Dalsza dyskusja na ich temat odbywa się w ramach tych dwóch nagłówków:

Charakterystyka prądu stałego spawalniczego źródła zasilania:

Tradycyjne źródło prądu spawania łukowego jest znane jako maszyna o stałym prądzie (CC). Charakteryzuje się opadającą charakterystyką woltamperową i jest popularny w spawaniu łukiem elektrycznym w osłonie.

Krzywa stałego prądu pokazuje, że źródło mocy spawania wytwarza maksymalne napięcie wyjściowe bez obciążenia, a wraz ze wzrostem obciążenia napięcie wyjściowe maleje. Maksymalny brak obciążenia lub napięcie w obwodzie otwartym wynosi zwykle 100 woltów.

Źródło prądu o stałym natężeniu może mieć wyjście DC lub AC. Oprócz SMAW służy do spawania łukiem węglowym, spawania łukiem elektrycznym z wolframu gazowego, spawania plazmowego i spawania kołkowego. Może być również stosowany do ciągłych procesów drutu, gdy używane są druty o stosunkowo dużej średnicy, na przykład spawanie łukiem krytym.

Źródła prądu spawania o stałym prądzie mogą być również wykorzystywane do niektórych automatycznych procesów spawania. Wymaga to użycia podajnika drutu i elementów sterujących, aby powielić ruchy spawacza, aby zainicjować i utrzymać łuk, który jest zwykle osiągany przez złożony system sprzężenia zwrotnego do monitorowania napięcia łuku w celu kontrolowania długości łuku.

Do niedawna zasilacze prądu stałego były rzadko używane do spawania drutami o bardzo małej średnicy. Jednak obecnie źródła prądu spawania łukowego zostały opracowane z rzeczywistą stałą charakterystyką woltamperową, jak pokazano na rys. 4.2, która może być stosowana z drutami o małej średnicy w normalnie wykorzystywanym zakresie napięcia łuku.

Spawacz używający tego typu maszyny prawie nie ma kontroli nad prądem spawania przez zmianę długości łuku, ponieważ nie ma na nią wpływu ta zmiana. Jest to korzystne dla spawania łukiem elektrycznym z wolframem gazowym, ponieważ zmiana długości łuku w tym procesie jest ograniczona. Jest również bardzo przydatny w spawaniu łukowym w metalowym gazie, gdzie jest wykorzystywany do zapewniania sposobu natryskiwania transferu metalu przy niskim średnim natężeniu prądu.

Odbywa się to za pomocą źródła mocy, które można zaprogramować do zmiany z niskiego prądu lub prądu tła na szczyt lub prądu impulsu, aby wpływać na odrywanie kropel poprzez zwiększoną szybkość topnienia w połączeniu ze zwiększonym efektem szczypania. Jest to tak zwane spawanie impulsowe.

W spawie prądu pulsacyjnego dwa poziomy prądu, jak pokazano na rys. 4.3, z pożądanymi czasami można ustawić tak, aby osiągnąć wymagany średni prąd spawania. Spawanie prądem pulsującym zyskuje na popularności zarówno w spawaniu łukiem elektrycznym z wolframu, jak i spawania łukiem elektrycznym.

Charakterystyka stałego napięcia spawalniczego źródła zasilania :

Źródło prądu spawania o stałym napięciu (CV) ma zasadniczo płaską charakterystykę woltamperową, chociaż zwykle z nieznacznym opadaniem. Krzywa może być przesunięta w górę lub w dół, aby zmienić napięcie, jak pokazano na Rys. 4.4. Napięcie nigdy jednak nie wzrośnie do tak wysokiego poziomu OCV jak do źródła prądu spawania o stałym prądzie.

Rys. 4-4 Różne krzywe woltamperowe źródeł prądu stałego

Jest to jeden z powodów, dla których źródło prądu spawania o stałym napięciu nie jest używane do ręcznego spawania łukiem elektrycznym z elektrodą pokrytą, ponieważ wymaga on wyższego napięcia OCV do zainicjowania łuku. Spawalnicze źródła prądu o stałym napięciu woltamperaturowym są stosowane wyłącznie do ciągłego spawania drutów elektrodowych, takich jak spawanie łukowe z użyciem metalu.

Charakterystyka woltamperowa źródła zasilania CV jest tak zaprojektowana, aby wytwarzać prawie takie samo napięcie przy braku obciążenia i przy znamionowym lub pełnym obciążeniu. Ma charakterystykę VI zbliżoną do standardowego komercyjnego generatora prądu elektrycznego. Jeśli obciążenie w obwodzie ulegnie zmianie, źródło zasilania automatycznie dostosowuje swoją moc wyjściową, aby spełnić wymagania i utrzymuje zasadniczo takie samo napięcie na zaciskach wyjściowych. System ten zapewnia łuk samoregulujący oparty na ustalonej szybkości podawania drutu i stałym źródle napięcia.

Uproszczone sterowanie eliminuje skomplikowane obwody i odwrócenie silnika napędzającego podawanie drutu w celu zainicjowania lub utrzymania stabilnego łuku spawalniczego.

Źródło prądu spawania o stałym napięciu zapewnia odpowiedni prąd, tak że szybkość topienia elektrody jest równa prędkości podawania drutu. Długość łuku jest wstępnie ustawiana przez ustawienie napięcia na źródle prądu, podczas gdy prąd spawania jest regulowany przez regulację szybkości podawania drutu.

Charakterystyka woltamperowa źródła prądu spawania musi być tak zaprojektowana, aby zapewnić stabilny łuk dla GMAW z drutami o różnych średnicach i metalem do stosowania w połączeniu z różnymi gazami osłonowymi. Większość źródeł prądu spawania o stałym napięciu jest wyposażona w środki do regulacji nachylenia krzywej VI.

Stwierdzono, że krzywe VI o nachyleniu od 1-5 do 2 woltów / 1004 najlepiej nadają się do GMAW metali nieżelaznych, spawania łukiem krytym i do spawania łukiem elektrycznym z drutem o większej średnicy. Krzywa o średnim nachyleniu od 2 do 3 woltów / 100 A jest korzystna dla CO2, spawanego łukiem elektrycznym w osłonie gazowej i drutu elektrodowego o małych średnicach. Bardziej strome nachylenie od 3 do 4 woltów / 100 A jest przydatne do przesyłania zwarć. Te trzy typy nachyleń pokazano na Rys. 4.5. Przy równej zmianie napięcia łuku, bardziej płaskiej krzywej, tym bardziej zmiana prądu spawania.

Rys. 4-5 Różne nachylenia stosowane w źródłach prądu stałego do spawania

Charakterystykę dynamiczną źródła napięcia stałego należy starannie zaplanować. Z powodu nagłej zmiany napięcia przy zwarciu, prąd ma tendencję do szybkiego wzrostu do bardzo wysokiej wartości. Jest to zaleta przy inicjowaniu łuku, ale może powodować niepożądane odpryski.

Można go jednak kontrolować przez dodanie reaktancji lub indukcyjności w obwodzie. Powoduje to zmianę współczynnika czasu lub czasu odpowiedzi i prowadzi do stabilnego łuku. W większości źródeł prądu spawalniczego w obwodzie występuje różna indukcyjność dla różnych nachyleń. Odbywa się to poprzez zapewnienie zmiennego reaktora w systemie.

Układ mocy spawania o stałym napięciu ma największą zaletę, gdy gęstość prądu elektrody jest wysoka. Zasada stałego napięcia spawania zwykle nie jest stosowana przy ac. Chociaż może być używany do spawania łukiem krytym i spawania elektrodrążowego, ale nie jest popularny w tych procesach. Nie należy go stosować do ekranowanego spawania łukowego, ponieważ może on przeciążyć i uszkodzić źródło zasilania, pobierając zbyt duży prąd przez zbyt długi czas.

Wybór charakterystyki statycznej woltowo-amperowej dla procesu spawania:

Zasadniczo istnieją cztery typy statycznych charakterystyk woltamperowych, które można włączyć do źródła prądu spawania, w zależności od procesu, w którym mają być użyte.

Te cztery typy cech VI to:

1. Strome opadanie,

2. Stopniowo opadający typ,

3. Fiat lub stały typ napięcia, oraz

4. Wzrastający typ napięcia.

Wszystkie te charakterystyki źródła zasilania o właściwościach ampergamowych nałożonego na siebie łuku spawalniczego pokazano na rys. 4.6.

Ryc. 4.6 Charakterystyki woltamperowe różnych źródeł prądu spawania i łuku spawalniczego

1. Charakterystyka stromo opadające VI:

Spawalnicze źródło mocy o silnie opadającej charakterystyce woltamperowej ma wysokie napięcie obwodu otwartego i niski prąd zwarciowy, co pokazano za pomocą krzywej 1 na Rys. 4.6. Jest oczywiste, że wraz ze zmianą długości łuku między L - δ L a L + δ L zmiana prądu jest bardzo niewielka.

Ten typ charakterystyki woltamperowej najlepiej nadaje się do SMAW, czyli ręcznego spawania łukowego z elektrodami powlekanymi, ponieważ niewielka zmiana długości łuku w wyniku wewnętrznego ruchu ludzkiej ręki podczas spawania nie wpłynie na szybkość topnienia elektrody. Ponadto wysokie napięcie obwodu otwartego zapewnia łatwą inicjację i konserwację łuku spawalniczego.

2. Stopniowe opadanie VI Charakterystyka:

Źródło zasilania o stopniowo opadającej statycznej charakterystyce woltamperowej, jak pokazano za pomocą krzywej 2 na Rys. 4.6, może dostarczyć dużego prądu zwarciowego, jaki jest wymagany do spawania łukiem krytym z grubymi elektrodami, w szczególności dla średnicy elektrody ponad 3, 5 min. Źródło prądu o tej charakterystyce woltamperowej wymaga pewnej techniki inicjacji łuku, podobnej do inicjowania dotykowego i ciągnienia stosowanej do SMAW lub alternatywnie można zastosować wełnę stalową, aby zapewnić chwilowe zwarcie między elektrodą a przedmiotem obrabianym.

Napięcie w obwodzie otwartym może być nieco niższe niż w przypadku gwałtownie opadającej charakterystyki VI. Ta cecha pomaga w zapewnieniu pewnego rodzaju samoregulacji długości łuku podczas spawania, ponieważ przy tej samej zmianie długości łuku zmiana prądu łuku jest znacznie większa niż w przypadku stromo opadającej charakterystyki woltamperowej.

3. Płaskie VI Charakterystyczne:

W źródle prądu spawania o stałym napięciu w celu niewielkiej zmiany długości łuku dochodzi do dużej zmiany prądu spawania, co czyni go bardzo czułym, a tym samym pomaga utrzymać stałą długość łuku i konsekwentnie spójne spoiny. Jest to na ogół określane jako samoregulacja długości łuku i jest niezbędnym warunkiem powodzenia spawania łukowego z metalu.

Zmiana długości łuku jest nieunikniona, szczególnie w półautomatycznej GMAW, dlatego charakterystyka statyczna woltamperu o stałym napięciu jest bardzo użyteczna w procesach spawania cienkich drutów. Jednak płaską charakterystykę VI, jak pokazano za pomocą krzywej 3 na Rys. 4.6, nie jest prawdziwie płaska, ale zwykle spada przy napięciu 1-3 woltów na 100 amperów. Wszystkie źródła prądu spawania o płaskich charakterystykach VI są prawie niezmiennie typu prostownika transformatora, a elektroda dodatnia (ep) jest normalnie stosowanym ustawieniem polaryzacji.

4. Charakterystyka rosnąca VI:

W źródle prądu spawania o wzrastającej charakterystyce woltamperowej następuje wzrost prądu wraz ze wzrostem napięcia, co pokazano za pomocą krzywej 4 na Rys. 4.6. Ta charakterystyka VI opiera się na niewielkiej modyfikacji charakterystyki stałego napięcia. Zaletą wzrastającej charakterystyki VI nad płaską charakterystyką jest to, że wraz ze wzrostem prędkości podawania drutu wzrasta zapotrzebowanie na prąd, napięcie również wzrasta automatycznie. Ta funkcja pomaga w utrzymaniu stałej długości łuku, nawet jeśli ma miejsce zwarcie. Wzrastająca charakterystyka VI jest dostosowywana głównie do w pełni zautomatyzowanych procesów.

Dynamiczna charakterystyka woltamperowa spawalniczego źródła zasilania:

Charakterystyką dynamiczną źródła prądu spawania jest zależność między napięciem łuku a odpowiednim prądem spawania, gdy zmieniają się one od jednej chwili do drugiej, jak pokazano na rysunku 4.7.

Konieczne jest poznanie charakteru charakterystyki dynamicznej w celu określenia szybkości wzrostu prądu po zwarciu, co wpływa na szybkość topienia elektrody i rozpryski spoiny.

Charakterystyki dynamiczne VI uzyskuje się rejestrując przebiegi woltamperowe podczas rzeczywistej pracy źródła zasilania. Z dynamicznych charakterystyk VI można wyznaczyć tryb przenoszenia metalu dla danego zestawu parametrów spawania.

Problem 1:

Charakterystyka długości łuku prądu stałego łuku jest określona równaniem V = 24 + 41, gdzie V jest napięciem łuku, a I długością łuku w mm. Statyczną charakterystykę woltamperową źródła zasilania aproksymuje linia prosta bez napięcia obciążenia 80 woltów i prądu zwarciowego równego 600 amperów. Określ optymalną długość łuku dla maksymalnej mocy.

Rozwiązanie :

Problem 2:

Statyczna charakterystyka woltamperowa źródła prądu spawania wynika z równania parabolicznego

I 2 = - 500 (V - 80)

a charakterystyka łuku przedstawiona jest równaniem prostej

I = 23 (V-18).

Ustalać,

(a) moc stabilnego łuku,

(b) Jeśli długość łuku (I) i napięcie łuku (V) są powiązane przez wyrażenie V = 20 + 4-5, określam optymalną długość łuku dla maksymalnej mocy.

(c) Jeżeli straty konwekcyjne i radiacyjne dla łuku w punkcie (b) wynoszą 15% mocy łuku, to należy ustalić, czy korzystne będzie posiadanie łuku o długości 4 mm, przy czym straty te wynoszą jedynie 20% wartości dla łuku. w (b). Skomentuj krótko oba przypadki.

Rozwiązanie:

(a) Dla łuku:

(b) Dla łuku:

Porównując (v) i (vi) widać wyraźnie, że moc netto dla łuku o długości 4 mm będzie większa niż przy długości łuku 7-4 mm. Dlatego preferuję I = 4mm.

Problem 3:

Określić zmianę prądu spawania, jeśli długość łuku zmienia się z 4 mm na 5 mm dla źródeł zasilania o następujących statycznych charakterystykach woltamperowych,

(i) I 2 = - 400 (V - 100)

(ii) I 2 = - 8000 (V - 80)

(iii) V = 48 - (I 1, 05 / 50)

(iv) V = 30 + ( 1, 05 / 50)

Załóżmy, że długość łuku (l) i napięcie łuku (V) są powiązane przez wyrażenie V = 20 + 4l.

Rozwiązanie :