Вольт-амперная характеристика сварочной дуги

Электрическая дуга как элемент цепи тока обладает ярко выраженной нелинейностью, т. е. между ее током I и напряжением U нет пропорциональной связи. Зависимости U = f (I) при прочих неизменных условиях для таких элементов чаще всего изображаются в виде кривых, называемых вольт-амперными характеристиками. Если величины U измерены в состояниях устойчивого равновесия разряда при разных токах, то характеристики называются статическими. Построение вольт-амперных характеристик связано с большими трудностями не только из-за сложности измерения длины дуги между плавящимися электродами, но и поддержания неизменными прочих условий.

Обычно с изменением тока меняются скорости струй паров, истекающих из активных пятен электродов, расположение пятен на поверхности последних, размеры областей столба, затененных электродами от воздействия струй защитных газов, давление газа в полости закрытых дуг и т. д. Поэтому в чистом виде зависимости U_d = f (I_d) Для сварочных дуг построить практически не удается. Пока приходится довольствоваться измерениями U_d в условиях изменения всего комплекса параметров, связанных с током. Поскольку в различных сварочных дугах с током связаны различные параметры, то можно говорить о вольт-амперных характеристиках дуг с неплавящимися или плавящимися, обмазанными или голыми электродами, дуг под флюсом или в защитных газах, дуг в плазмотронах и т. д.

Наиболее простой зависимостью U_d от I_d должны характеризоваться свободные дуги с неплавящимися электродами. Как показывают многочисленные измерения, эти зависимости являются падающими. Получение достоверных характеристик дуг с плавящимися электродами связано, прежде всего, с трудностями измерения длин дуг.

Однако метод регистрации параметров дуги в начальной стадии ее существования после возбуждения прибором, изображенным на рис. 4, позволяет свести их к минимуму.

Рис. 4. Прибор для возбуждения дуги с заданным расстоянием между электродами

Для построения характеристик достаточно иметь осциллограммы U_d и I_d при I_do = δ = const и различных токах. Чтобы повысить стабильность маломощных дуг, применялись источники питания с U_xx = 100 в. Дуги большой мощности питались от многопостового генератора ПСМ-1000.

Характеристики открытых дуг в воздухе между стальными электродами различных диаметров и пластиной приведены на рис 8. Длина дуги l_d = 5 мм, полярность тока прямая. При токах до 220 а все характеристики, несмотря на различие диаметров электродов, практически совпадают и являются сначала падающими, потом независимыми. При больших токах дуге с большим диаметром электрода d₁ = 10 мм по-прежнему свойственна независимая или даже пологопадающая характеристика.

Рис. 8. Вольт-амперные характеристики открытой дуги

В дугах с катодами d₂ = 4 мм и d₃ = 2 мм происходит рост напряжения. Чем меньше диаметр электрода, тем при меньших токах наблюдается этот рост. К сожалению, построить характеристики U_d=f (I_d) для тонких электродов во всем диапазоне применяемых токов не удается: при плотности тока j ≥ 6000 а/см² уже во время подъема электрода 6 прибором (рис.4) он начинает заметно оплавляться, поэтому длина дуги в момент регистрации установившегося U_d не может быть установлена с необходимой точностью.

Однако и полученные данные позволяют утверждать, что причиной увеличения U_d с ростом I_d является малый диаметр катода. По-видимому, после перекрытия катодным пятном всего торца электрода дальнейшее расширение пятна в пространстве становится невозможным и дуга переходит в режим «сжатой дуги» у катода с возрастающей вольт-амперной характеристикой. Изменение длины дуги приводит к изменению абсолютных значений U_d, но его зависимость от тока остается прежней.

В исследованном диапазоне токов и диаметров электродов не обнаружено принципиальных изменений вольт-амперных характеристик дуг под флюсом за исключением абсолютных значений U_k + U_a и Е (см. табл. 2). По-видимому, образующаяся под флюсом газовая полость достаточна по размеру, чтобы не ограничивать свободное развитие дуги, а ее сжатие происходит только в связи с недостатком места для развития пятна на тонком электроде.

Таблица 2. Распределение напряжения в сварочных дугах

Лесков Г.И. "Электрическая сварочная дуга".

См. также:

• Основные сведения о дуге