Способ генерации сжатой дуги переменного тока

О ПИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советскид Социалистических Республик(22) Заявлено 28. 09. 78(21) 2671857/25-27 (51) М. КЛ. с присоединением заявки Ио В 23 К 9/16 Государственный комитет СССР по делам нзобретеннй н открытнй(72) Автор. изобретения В. П. Сидоров Тольяттинский политехнический институт(54) СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ СЖАТОЙ ДУГИПЕРЕМЕННОГО ТОКА газ 3) . Изобретение относится к плазменной резке и сварке и может использоваться преимущественно для обработки легких сплавов.Известен способ генерации сжатой дуги прямого действия на постоянном токе, по которому электрод, устанавливаемый в корпусе плаэмотрона, подключают к отрицательному полюсу источника питания - катоду, а обрабатываемую деталь к положительному полюсу " аноду. Столб дуги сжимается металлическими стенками сопла и плазмообразующим газом, подаваемым в сторону детали 11 .15Этот способ не позволяет производить очистку кромок от окисной пленки при сварке алюминиевых сплавов в среде аргона и вследствие этого не обеспечивает качественного сплавления кромок. Очистка кромок от окисной пленки имее место, когда электрод плазмотрона служит анодом, а обрабатываемая 25 деталь - катодом 12) .При этом способе низка термическая, стойкость неплавящегося электрода плазмотрона. Это снижает мощность ду.ги, усложняет систему охлаждения 30 электрода, увеличивает габариты и вес плаэмотрона.Известен способ генерации сжатой дуги переменного тока, горящей между электродом и изделием последовательно в полупериоды прямой и обратной полярностей, при котором в столб сжатой дуги попадают плазмообразующий Недостатком известного способа является неполное использование энергетических возможностей дуги в полу- периоде, в котором плаэмообразуюший гаэ направлен от анода к катоду. Это обусловлено различной вероятностью двойного дугообраэовачия в полупериодах прямой и обратной полярности. Поскольку в сжатой дуге переменного тока критическим токомвозникновения двойной дуги является вначале амплитудное значейие тока, то энергетические воэможности дуги с симметричной формой синусоидального тока ограничиваются амплитудным значением тока одного иэ полупериодов. Вследствие этого в сжатой дуге переменного тока не полностью испольэуются возможности повышения производительности и качества обработки.Цель изобретения - повышение производительности и качества путем обеспечения максимальной плотности тока на прямой и обратной полярностях при минимальной возможности двойного дугообразования.Для достижения этой цели амплитудное и действующее значение тока периодически увеличивают в зависимости о направления подачи плазмообразующего газа в столб дуги относительно изделия.При подаче газа в столб дуги в направлении иэделия увеличение тока производят в полупериод обратной полярности.При подаче газа и столб дуги от иэделия увеличение тока производят в полупериод прямой полярности.Использование предлагаемого способа возможно вследствие того, что максимальная плотность тока в канале сопла, ограничиваемая прОцессом двойного дугообразования, на прямой и обратной полярности при подаче в сопло плазмообразующего газа, различна.При. этом максимальная плотность тока выше, когда плазмообразующий газ направлен от анода к катоду.На фиг. 1 схематически изображено распределение по длине канала сопла электрических потенциалов О и толщины непроводящей прослойки д при прямой полярности тока и направлении движения плазмообразующего газа от электрода плазмотрона к детали; на фиг. 2 - распределение этих же величин при обратной полярности тока; на Фиг. 3 - расчетные зависимости изменения толщины непроводящей прослойки по длине сопла при различных расходах газа; на фиг, 4 - осциллограммы напряжения между электродом плаэмотрона и соплом за период для сжатой трехфазной дуги прямого действия;а - когда двойная дуга отсутствует; б - во время горения двойной дуги в полупериод прямой полярности; в во время горения двойной дуги в обоих полупериодах на Фиг. 5 - принципиальная электрическая схема выполнения способа; на фиг. 6 - осциллограмма тока по предлагаемому способу при прад(аче плазмообразующего газа от электрода к детали.Ток в канале сопла ограничивается явлением двойного дугообразования, которое заключается в следующем.Из-за значительно меньшей массы электронов, по сравнению с ионами, электроны обладают в столбе 1 дуги большей тепло" вой подвижностью и стекают на метал" лическое сопло 2. Оно заряжается от рицательно по отношению к столбу 1. Между столбом и соплом возникает пла . вающий потенциал О. Так как потенциал столба 1 изменяется по его длине (кривая 3 на графике фиг. 1 и 2), ,а потенциал 4 металлического сопла 2 одинаков на его длине, то разностьпотенциалов между столбом 1 и соплом 2 Оэпо длине сопла 2 также изменяется. Наименьшая разность потенциалов между столбом 1 дуги и стенкой сопла 2 имеет место в ближайшемсечении сопла 2 к катоду. Ее называют контактной разностью потенциа ов, По мере приближения к анодуазность ОрЭ растет и достигаетмаксимума в сечении на срезе сопла 2,10 ближайшем к аноду. На фиг. 1 катодомявляется электрод 5 плазмотрона, аанодом деталь 6; на фиг. 2,. наоборот, катодом является деталь 6, аанодом электрод 5. Поэтому при по 35 лярности, показанной на фиг. 1, максимальная разность потенциалов фэприложена между столбом дуги 1 и стенкой 2 на срезе сопла со стороны детали 6, а на Фиг. 2 - со стороны элект 2 О рода 5.Плотность электронного (С ионнс)- го 0+ токов по длине канала изменяется соответственно потенциалу О,э.Значение У- максимально в сечении сопла,где О1 р. В этой части сопла А имеВет минимальную величину. Полная плотность тока б =б " У по длине канала сопла изменяет знак, Величиналимитируется ионным током. Для изолированного сопла электронный 1 и ион 39, ныйтоки равным, т.е.(е)д 2 ) д (2)д )1где г 0- высота сопла2 - текущая координата,Это равенство выполняется при опре 35 деленном отрицательном потенциале сопла равном ОррВеличину контактного потенциалаопределяют с помощью приближеннойФормулы.(4 О=- Ь -- ую е 7, 1 й и/где- постоянная Больцмана,- 12.10-Ъ ,67 0Как видно из расчета, величина кон тактной разности потенциалов мала и ,для различных газов отличается незначительно. При длинах сопел, используемых и сварочных плаэматронах, основной вклад в величину плавающего по 0 тенциала Орвносит падение напряженияв канале сопла на участке от срезасопла у катода до рассматриваемогосечения, так как напряженность электрического.поля в соплах обычно составЯ ляет 3-4,В/мм.ОР.Ь.вах с пр Падение напряжения в канале увеличивается с увеличением плотности тока,расхода плазмообразующего газа и длины сопла.Кроме величины разности потенциалов ОР, на процесс двойного дугообраэования влияет толщина непроводящейпрослойки плазмообразующего газа а,которая при устойчивости режима изоирует столб дуги 1 от стенки соплаНа фиг 1 и 2 вид зависимости толщины прослойки А по длине сопла 2показан кривыми 7,Двойная дуга возникает, когдадля данной толщины прослойки плавающий потенциал достигнет некоторойкритической величины. Можно охарактеризовать вероятность двойного дугообразования отношением Е величины максимального плавающего потенциала сечения столба дуги 1 к толщине непроводящей прослойки в сечении, 20где приложен этот потенциал где Ъ - падение напряжения в канале сопла.Таким образом, величина Е является критерием аварийного режима двойного дугообразования. При превышении приведенным отношением некоторой критической величины возникает двойная дуга.Распределение толщины непроводящей прослойки не зависит от полярности тока и определяется направлением подачи плазмообразующего газа. Величина а уменьшается в направлении подачи плаэмообраэующего газа (кривая 7 ,на фиг. 1 и 2). Это объясняется тем,что холодный газ, поступая в дугу, 40 постепенно прогревается по длине сопла.Максимальная температура газа и минимальная толщина прослойки наблюдаются в том (последнем) сечении сопла, в сторону которого движется газ. На фиг, 1 и 2 показана минимальная толщина прослойки Ь, располагаемая в сечении сопла, ближайшем к детали б, а максимальная толщина прослойки- в сечении сопла, ближайшем к электроду 5. Максимальный плавающйй потенциал при прямой полярности (фиг.1) приложен к непроводящей прослойке минимальной величины, а при обратной полярности (фиг. 2) максимальный пла- . вающий потенциал приложен к непроводящей прослойке максимальной величины, Отсюда следует, что величина Е, иэ формулы (1) для прямой и обратной полярности будет различна, так как Щ при одинаковой величинетолщина прослойки на прямой лолярйости в том сечении, где приложен О меньше, чем на обратной полярности, Величина Е на прямой полярности больше, б 5 чем на обратной при одинаковом режиме горения.В случае, если плазмообразующий газ всасывается из атмосферы в плазмотрон, то распределение толщины прослойки по длине сопла изменяется на противоположную, изображенной на фиг. 1 и 2. Поэтому в этом случае критический ток больше уже на прямой полярности, чем обратной.На фиг. 3 представлены эависимос" ти распределения толщины непроводящей йрослойки Ь по длине канала сопла, полученные расчетным путем с помощью дифференциального управления баланса энергии сжатой дугидт 1 д дт.Е"-ч0 -- к - )ох Р д 7. гд дг где Ъ - электропроводимость, 1 Омсьунапряженность электрического поля, В/см;СР - удельная теплоемкость плазмоабразующего газа, Дж/гК;Р - плотность газа, г/см;Ч - скорость газа, см/с;Т. - температура газа, К;г - координата вдоль от столбадуги, см;г - координата по радиусу столбадуги, см;Х - коэффициент теплопроводност 9,Вт/см КВ приведенном уравнении учитывается, что отвод выделенной энергии (первый член уравнения) осуществляется конвекцией (второй член уравнения) и теплопроводностью. Поэтому в решении уравнения температура, изменяется по всему объему дуги. Расчет производил" ся для аргона.На фиг. 3 кривая 8 получена для Следующих параметров сопла: диаметр сопла д = О, 4 см, удельный расход2.плазмообразующего газа Ч =. Я Ч2 . смс, плотность тока- 2000 А/см, длина сопла 62= 0,4 см. Кривая 9 получена при изменении ц до 3,5 г/см 1 с. Кривые 8 и 9 показывают, что толщина непроводящей прослойки 6 быстро уменьшается в направлении подачи плазмообразующего газа. Чем больше расход (кривая 9), тем меньше градиент изменения толщины прослойки го длине сопла, и больше толщина прослойки. Из этого следует, что с увеличением расхода плазмообразующего газа различие в максимально допустимых плотностях тока на прямой и обратной полярностях увеличивается.Осциллограмма напряжения между электродом плазмотрона и соплом при горении сжатой дуги переменного тока исследования проводились с трехфаэной дугой), полученная с помощью электронно-лучевого осциллографа (вход подключался к соплу) при нормальном докритическом режиме (Фиг. 4 а), подтверждает правильность распределения потенциалов по длине сопла. Несмотря на то, что катодное падение напряжения больше, чем анодное, напряжение между электродом и соплом в полупериод правой полярности меньше, чем в полупериод обратной. Это объясняется тем, что на прямой полярности напряжение между электродом и соплом Ц меньше падения напряжения дуги на участке до верхнего среза сопла на величину контактного потенциала . Приближенно его величину в этом случае можно записать с помощью формулыЪр " Ок ЕГде О - катодное падение напряжения дуги. При обратной полярности напряжение между соплом и электродом приближенно можно выразить формулойОоЗр Оо Орэ когде О - анодное падение напряжения дуги.Из-за того, чтоО р канале сопла достаточно велико 1 пэорядка 10-20 В), то ООЯ О несмотря на то что О) О,.На фиг. 4 б показана форма осциллограммы между электродом и соплом при возникновении двойной дуги только на прямой полярности. При возникновении двойной дуги напряжение между электродом и соплом .несколько увеличивается (примерно на величину 2), так как на сопле возникает анодное пятно двойной дуги. При дальнейшем увеличении тока двойная дуга горит в обоих полупериодах. На обратной полярности падение напряжения между электродом и соплом уменьшается, так как здесь возникает катодное пятно. Приэлектродное падение напряжения меньше величины Орз .На Фиг. 5 представлена принципиальная электрическая схема выполне ния способа. Сжатая дуга питается от источника переменного тока 10. В цепь включены регулировочные сопротивления 11 и 12, Параллельно сопротивлению 12 в цепь включен выпрямитель 13. Вынрямитель 13 шунтирует сопротивление 12. в полупериод обратной полярности, так как плазмообразующий газ в сопло 2 подается в сторону обрабатываемой детали б.Ва, счет уменьшения общего сопротивления цепи в полупериод обратной полярности увеличивается ток. Тем самым обеспечивается раздельное регулирование тока в полупериодах и полностью используются энергетические воэможности дуги.На фиг. б представлена осцилло-. грамма тока сжатой дуги по предлагаеМому способу, осуществленному с по= мощью схемы на фиг. 5. П р и м е р 1. Проводят сваркуалюминиевых деталей из сплава толщиной,б мм сжатой трехфазной дугой прямого действия по предлагаемому способу.Плазмообразующим и защитным газомслужит аргон. Диаметр сопла д дляподачи плазмообразующего газа. составляет 5 мм, длина сопла Е = 5 мм,расход плазмообразующего газа Я1 л/мин, защитного газа10 = 5 л/мин. Плазмообразующий газ подают в двухэлектродный плазмотрон внаправлении свариваемой детали. Притаких параметрах допустимый ток длямаксимального мгновенного значениясоставляет на прямой полярности 250 А,8 а обратной полярности 300 А. Дляобеспечения устойчивости режима работы выбирают величины максимального мгновенного тока на прямой2 О полярности 200 А, а на обратной полярности 250 А. Асимметричную форму тока получают с помощьюустройства, изображенного на Фиг. 5.При сварке по предлагаемому способу на данном режиме скорость сварки за один проход составляла 15 м/ч.При сварке по известному способупри тех же параметрах сопла и расхода плазмообразующего газа используется симметричная Форма тока. Двойная.ЗО дуга также возникает при амплитудномзначении тока прямой полярности 250 А,Для обесйечения устойчивого режимаамплитудноезначение тока в .;бонх полупериодах одинаково и составляет35 200 А. Поэтому обеспечивается скорость сварки 12 м/ч,Из приведенного примера видно, чтопроизводительность сварки увеличивается.4 р П р и м е р 2 . Проводят плазменную резку. алюминиевого сплава АДОтолщиной 20 мм сжатой трехфазной дугой прямого действия по предлагаемому способу, Плазмообразующим газомслужит аргон.Параметры процесса следующие:д =5 мм, 0 = 30 л/мин.допустимый ток максимального мгновенногозначения составляет для прямой полярности 350 А, для обратной 450 А.Для обеспечения устойчивой работымаксимальные мгновенные значения тока выбираются на прямой полярности300 А, на обратной 400 А. Скорость .резки достигает 20 м/ч. Количествонатеков на нижних кромках составляет О = 0,15 г/см.При резке по известному способуамплитуда тока в обоих полупериодах 300 А. Скорость резки достигает69 15 м/ч. Количество натеков 6 н- 0,2 г/см.П р и м е р 3 . Проводят сваркузакрытого алюминиевого сосуда столщиной стенки 2 мм сжатой трех 65 фазной цугой прямого действия. Свар"ку ведут на весу в закрытой камере, заполненной аргоном. Параметры процесса следующие: д = 2 мм, = 3 мм. Газ из камеры с помощью насоса через отверстие сопла откачивают в плазмо. трон. За счет этого,над сварочной ванной создается разрежение, что уменьшает вероятность прожогов, так как газ не оказывает на металл продавливающее воздействие. Наоборот, вес жидкой ванны частично уравновешивается разрежением. В то же время дуга также сжимается, что позволяет получить узкий шов. Расход газа чееэ сопло составляет 5 л/мин. Допусимое максимальное значение тока на прямой полярности составляет 100 А, на обратной 70 А. Скорость сварки достигает 12 м/ч.При сварке по известному способу используют симметричную форму тока с амплитудой 70 А, Скорость сварки достигает 9 м/чИспользование предлагаемого способа генерации сжатой дуги переменного тока прямого действия обеспечивает по сравнению с существующим более высокую производительность и,качество эа счет увеличения плотности тока в одном из полупериодов. Допустимая плотность тока увеличивается в зависимости от расхода плазмообразующего газа за период в 1,1-1,2 раза, что позволяет пропорционально повысить производительность процесса.формула изобретения1. Способ генерации сжатой дугипеременного тока, горящей между электродом и изделием последовательно в полупериоды прямой и обратнойполярностей, при котором в столб сжатой дуги подают плазмообразующий гаэ,о т л ич а ю щ и й ся тем, что, сцелью повышения нроиэводительностии качества путем обеспечения максимальной плотности тока на прямой иобратной полярностях при минимальнойвозможности двойного дугообразования, амплитудное и действующее зна чение тока периодически увеличивают в зависимости от направления подачи плаэмообраэующего газа в столб дуги относительно изделия. 15 2. Способ по и. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что прн подаче газав столб дуги в направлении иэделияувеличение тока производят в полупериод обратной полярности.Щ 3. Способ по п. 1,о т л и ч а ющ и й с я тем, что при подаче газав столб дуги От изделия увеличениетока производят в полупернод прямойполярности.2Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Эсибян Э. М. Плазменно-дуговаяаппаратура. К., "Техника", 1971,с. 13, рис. 1 а.30 2. Быховский Д. Г. и др. Энергетические характеристики плазменнойдуги при сварке на обратной полярности. - "Автоматическая сварка",1971, Р 5.35 3. Дудко Д. А. и др. Электрическиехарактеристики плазменной дуги переменного тока, - "Автоматическая сварка", 19 б 7, Р 12.Составитель Л. СухановаРе акто А. олинич Тех д Е.Гав илешкоКо ектор М. Ша ошиЗаказ 6795/14 Тираж 160 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва ЖРа ская наб. д. 4 5 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4