Способ генерации сжатой дуги переменного тока

Способ генерации сжатой дуги переменного тока

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

О П

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советскид

Социалистических

Республик нц772763

К АВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (б1) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 28. 09. 78(21) 2671857/25-27 (51) М. Кл. с присоединением заявки ¹

В 23 К 9/16

Государственный комитет

СССР по делам нзобретеннй н открытнй (23) Приоритет

Опубликовано 231080 Бюллетень № 39

Дата опубликования описания 251080 (53) УДК 621. 791. .947(088.8) (72) Автор: изобретения

В. П. Сидоров

Тольяттинский политехнический институт (71) Заявитель (54) СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ СЖАТОЙ ДУГИ

ПЕРЕМЕННОГО 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 источ-О ника питания — катоду, а обрабатываемую деталь к положительному полюсуаноду. Столб дуги сжимается металлическими стенками сопла и плазмообразующим газом, подаваемым в сторону детали $1) .

Этот 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 имеет место, когда электрод плазмотрона служит анодом, а обрабатываемая25 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 полупериоде, 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 током возникновения 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.

772763

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 пери одически увеличивают в зависимости от 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 U> 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 неличин 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 тепловой подвижностью и стекают на металлическое сопло 2. Оно заряжается от рицательно по отношению к столбу 1.

Между столбом и соплом возникает пла . вающий потенциал U>>. 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 разность потенциалов между столбом 1 и соплом 2 0 зпо длине сопла 2 также изменяется. Наименьшая разность потенциалов между столбом 1 дуги и стенкой сопла 2 имеет место в ближайшем сечении сопла 2 к катоду. Ее называют контактной разностью потенциа ов. По мере приближения к аноду азность 00 растет и достигает максимума в сечении на срезе сопла 2, ближайшем к аноду. На фиг. 1 катодом является электрод 5 плазмотрона, а анодом деталь 6; на фиг. 2, наоборот, катодом является деталь 6, а анодом электрод 5. Поэтому при по-. лярности, показанной на фиг. 1, максимальная разность потенциалов 0ээ„ приложена между столбом дуги 1 и стенкой 2 на срезе сопла со стороны детали 6, а на фиг. 2 — со стороны элект2О рода 5.

Плотность электронного д1-, ионнс го д токов по длине канала изменяется соответственно потенциалу U .Çíàчение 6 - максимально в сечении сопла, где U fg. 8 этой части сопла А имеВ ет минимальную величину. Полная плотность тока <У =б " У» по длине канала сопла изменяет знак. Величина лимитируется ионным током. Для изолированного сопла электронный I и ион39, ный i токи равным, т.е. (z)dz ) д (z)d )1 где z о: высота сопла

Z — текущая координата.

Это равенство выполняется при опре35 деленном отрицательном потенциале сопла равном О(.

Величину контактного потенциала определяют с помощью приближенной формулы . (4Π— — En — — у> ю е ь 1а м/ где k = постоянная Больцмана, = 1,380х10 Дж/К;

Te — температура электронов, К; е — заряд электрона, е ц = 1,602 ° 10 9 Кл .

m - масса электрона, m =

0 11,10-З „г.

И - масса атома газа. Для аргона

И 1,67х32х10 кг. у Примем Тс 10000 К. Рассчитаем для аргона

-ЪЪ A -9 У" 1,ЬО2 1О " и ЪЪ <67 <О

-Как 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 поЯ тенциала 0р вносит падение. напряжения в канале сопла на участке от среза сопла у катода до рассматриваемого сечения, так как напряженность электрического.поля s соплах обычно составЯ ляет 3-4. B/ìì.

772763

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 непроводящей прослойки плазмообразующего газа, которая при устойчивости режима изоирует столб дуги 1 от стенки сопла

На фиг..1 и 2 вид зависимости тол» щины прослойки А по длине сопла 2 © показан кривыми 7.

Двойная дуга возникает, когда для данной толщины прослойки плавающий потенциал достигнет некоторой критической величины. Можно охарак- 15 теризовать вероятность двойного дугообразования отношением Е„ величины максимального плавающего потенциала сечения столба дуги 1 к толщине непроводящей прослойки в сечении, 2О где приложен этот потенциал где 0 - 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 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 6, располагаемая в сечении сопла, ближайшем к детали б, а максимальная толщина прослойкив сечении сопла, ближайшем к электроду 5. Максимальный плавающий 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 при одинаковой величине Ц, толщина прослойки на прямой лолярйости в том сечении, где приложен U .,меньше, чем на обратной полярности. Величина Е„ на прямой полярности больше, 65 чем на обратной при одинаковом режиме горения.

В случае, если плазмообразующий газ всасывается из атмосферы в плазмотрон, то распределение толщины прослойки по дли не 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 зависимости распределения толшины непроводящей йрослойки а по длине канала сопла, полученные расчетным путем с помощью дифференциального управления баланса энергии сжатой дуги дт 1 д дт.

y 1=«> — -- — (— O

Z. 9 д7. r сИ д 1 где Ъ вЂ” электропроводимость, 1 Омску

Š— напряженность электрического поля, В/см;

Cp — удельная теплоемкость плазмоабразующего газа, Дж/гК;

P — плотность газа, г/смъ;

Ч вЂ” скорость газа, см/с;

Т. — температура газа, К; .z — координата вдоль от столба дуги, см;

r — координата по радиусу столба дуги, см; коэффициент теплопроводност@, Вт/см К

В 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 производился для аргона.

На фиг. 3 кривая 8 получена для следующих параметров сопла: диаметр сопла д = О, 4 см, удельный расход

2. плазмообразующего газа q =. Я Ч

2 . см с, плотность тока — 2000 A/см, длина сопла С2 = 0,4 см.

Кривая 9 получена при изменении q до

3,5 г/см1с.

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 по 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 нормаль772763 ном докритическом режиме (фиг. 4а), 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

U меньше падения напряжения дуги на участке до верхнего среза сопла на величину контактного потенциала

Приближенно его величину в этом случае можно записать с помощью формулы.

Unp " Е

Где U — катодное падение напряжения дуги.

При обратной полярности напряжение между соплом и электродом приближенно можно выразить формулой

Uc5p Ua + Орэiкзх i где U — анодное падение напряжения дуги.

Из-за того, чтоб р канале сопла достаточно велико 1пэорядка 10-20 В), то U0 U несмотря на то, что

Uq> О .

На фиг. 4б 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 Q ), 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 ме ныне велич ины Ор „„„„.

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. Выпрямитель 13 шунтирует сопротивление 12. в полупериод обратной полярности, так как плазмообразующий газ в сопло 2 подается в сторону обрабатываемой детали 6.

3а. 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. 6 представлена осцилло-. грамма тока сжатой дуги по предлагаемому способу, осуществленному с по= мощью схемы на фиг. 5.

Пример 1. Проводят сварку алюминиевых деталей из сплава толщиной 6 мм сжатой трехфазной дугой прямого действия по предлагаемому способу.

Плазмообразующим и защитным газом служит аргон. Диаметр сопла d для подачи плазмообразующего газа составляет 5 мм, длина сопла E> = 5 мм, расход плазмообразующего газа Q„

1 л/мин, защитного газа

10 = 5 л/мин. Плазмообразующий газ подают в двухэлектродный плазмотрон в направлении свариваемой детали. При таких параметрах допустимый ток для максимального мгновенного значения

f$ составляет на прямой полярности 250 А, ра обратной полярности 300 A. Для обеспечения устойчивости режима работы выбирают величины максимального мгновенного тока на прямой

2О полярности 200 A, a на обратной полярности 250 A. Асимметричную форму тока получают с помощью устройства, 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 способу при тех же параметрах сопла и расхода плазмообразующего газа используется симметричная форма тока. Двойная. дуга также возникает при амплитудном значении тока прямой полярности 250 А.

Для обесйечения устойчивого режима амплитудное значение тока в ..бонх полупериодах одинаково и составляет

35 200 А. Поэтому обеспечивается скорость сварки 12 м/ч.

Из приведенного примера видно, что производительность сварки увеличивается.

4 р H p и м е р 2 . Проводят плазменную резку. алюминиевого сплава АДО толщиной 20 мм сжатой трехфазной дугой прямого действия по предлагаемому способу. Плазмообразующим газом служит аргон.

Параметры процесса следующие:

d = f 5 мм, Q = 30 л/мин.Допустимый ток максимального мгновенного значения составляет для прямой полярности 350 А, для обратной 450 A.

Для обеспечения устойчивой работы максимальные мгновенные значения тока выбираются на прямой полярности

300 А, на обратной 400 A. Скорость . резки достигает 20 м/ч. Количество натеков на нижних кромках составляет 6и — — 0,15 г/см.

При резке по известному способу амплитуда тока в обоих полупериодах 300 A. Скорость резки достигает фо 15 м/ч. Количество натеков 6н — 0,2 г/см.

П р и м е -р 3 . Проводят сварку закрытого алюминиевого сосуда с толщиной стенки 2 мм сжатой трех65 фазной цугой прямого действия. Свар772763

Формула изобретения кх Ь ку ведут на весу в закрытой камере, заполненной аргоном. Параметры процесса следующие: d© = 2 мм,, = 3 мм.

Газ из камеры с помощью насоса через отверстие сопла откачивают в плазмо. трон. 3а 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 A. Скорость сварки достигает 9 м/ч..

Использование 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.

1. Способ генерации сжатой дуги переменного тока, горящей между электродом и изделием последовательно в полупериоды прямой и обратной полярностей, при котором в столб сжатой дуги подают плазмообразующий гаэ, о т л и ч а ю щ и и ся тем, что, с целью повышения нроиэводительности и качества путем обеспечения максимальной плотности тока на прямой и обратной полярностях при минимальной возможности двойного дугообразования, амплитудное и действующее эна1 чение тока периодически увеличивают в зависимости от направления подачи плаэмообраэующего газа в столб дуги относительно изделия.

15 2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что прн подаче газа в столб дуги в направлении иэделия увеличение тока производят в полупериод обратной полярности.

Щ 3. Способ по п. 1, о т л и ч à юшийся тем, что при подаче газа в столб дуги От изделия увеличение тока производят в полупернод прямой полярности.

2$

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Эсибян Э. М. Плазменно-дуговая аппаратура. К., "Техника", 1971, с. 13, рис. 1а.

30 2. Быховский Д. Г. и др. Энергетические характеристики плазменной дуги при сварке на обратной полярности. — "Автоматическая сварка", 1971, 9 5.

35 3. Дудко Д. A. и др. Электрические характеристики плазменной дуги переменного тока. — "Автоматическая сварка", 19б7, Р 12.

772763

Составитель Л. Суханова

Ре акто А. олинич Тех д Е.Гав илешко Ко ектор М. Ша оши

Заказ 6795/14 Тирах 160 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва Ж-35 Ра ская наб. д. 4 5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4