Жесткая и падающая вольт-амперная характеристика


У меня дома есть небольшой аппарат для MIG-сварки. Я хочу попробовать использовать его для ручной дуговой сварки, но мне сказали, что у меня ничего не выйдет. Почему? У нас а работе есть несколько других аппаратов. Почему какие-то из них предназначены только для РДС, какие-то — только для MIG, а какие-то — и того, и другого? Я слышал термины «CV» и «CC», но что они означают и насколько важны? И еще — у нас есть механизмы подачи проволоки с переключателем «CV / CC». Значит ли это, что их можно использовать с любым аппаратом?

 
Это очень хорошие вопросы и я уверен, что их задают себе многие сварщики. Существует два типа сварочных аппаратов с разной конструкцией и принципами управления дугой. Это аппараты с падающей вольт-амперной характеристикой (constant current, CC) и аппараты с жесткой вольт-амперной характеристикой (constant voltage, CV). Также есть универсальные источники питания с дополнительной электрикой и компонентами, которые позволяют им вырабатывать сварочный ток обоих видов в зависимости от выбранного режима.

Помните, что сварочная дуга динамична, ее сила тока (амперы) и напряжение (вольты) постоянно меняются. Источник питания осуществляет мониторинг дуги и каждую миллисекунду вносит корректировки для сохранения ее стабильности.  Поэтому термин «жесткая» относителен. Источник питания на падающей ВАХ поддерживает силу тока относительно постоянной при значительных перепадах напряжения, а источники на жесткой ВАХ поддерживают постоянное напряжение при значительных перепадах силы тока. На Рисунке 1 показаны графики сварочного тока аппаратов на жесткой и падающей ВАХ. Обратите внимание, как на графиках сильно меняется одна переменная, в то время как другая остается более-менее постоянной (перепад значений обозначается символом «Δ» (дельта).

Жесткая и падающая вольт-амперная характеристика 

 

Рисунок 1: сварочный ток аппаратов на падающей и жесткой ВАХ

 

Нужно отметить, что эта статья касается только традиционных моделей сварочных аппаратов. При импульсной сварке источниками с поддержкой технологии управления формой волны сварочного тока вольт-амперную характеристику дуги нельзя отнести ни к жесткой, ни к падающей. Такие источники питания очень быстро корректируют и напряжение, и силу тока (намного быстрее традиционных моделей), что позволяет им обеспечить очень стабильную дугу.

Чтобы понять преимущества и недостатки жесткой и падающей ВАХ, сначала нужно понять, как изменения силы тока и напряжения влияют на ход сварки. Сила тока влияет на производительность расплавления электрода или сварочной проволоки. Чем выше сила тока, тем быстрее плавится электрод (в кг/ч). Чем ниже сила тока, тем меньше производительность расплавления. Напряжение влияет на длину и, как следствие, ширину и объем дуги. При увеличении напряжения длина дуги возрастает (а конус дуги — становится шире), при уменьшении напряжения дуга становится короче (а конус дуги — уже). На Рисунке 2 проиллюстрировано влияние напряжения на дугу.  

Жесткая и падающая вольт-амперная характеристика 

 

Рисунок 2: влияние напряжения на форму дуги

 

То, какой вид тока будет более стабильным и поэтому предпочтительным, зависит от выбранного Вами процесса сварки и степени автоматизации. Процессы ручной дуговой сварки (MMA) и аргонодуговой сварки (GTAW/TIG) относят к полностью ручным видам сварки. Это означает, что сварщик должен самостоятельно контролировать все параметры сварки. Он держит электрододержатель или горелку TIG и собственной рукой контролирует угол наклона и атаки, скорость сварки, длину дуги и скорость подачи электрода в соединение.  Для процессов РДС и TIG (т.е. ручной сварки) более предпочтителен ток на падающей ВАХ. 

Процессы сварки в защитных газах (MIG) и сварки порошковой проволокой (FCAW) считаются полуавтоматическими. Это означает, что сварщику все еще приходится вручную регулировать угол наклона, угол атаки, скорость сварки и расстояние между контактным наконечником и рабочей поверхностью (CTWD). Однако скорость подачи сварочной проволоки при этом регулируется подающим механизмом. Для полуавтоматических процессов более предпочтителен ток на жесткой ВАХ. 

В Таблице 1 перечислены рекомендации по сварочному току для каждого процесса.

 

 

Жесткая и падающая вольт-амперная характеристика 

 

Таблица 1: рекомендуемые типы сварочного тока для различных процессов

 

Чтобы упростить конструкцию и снизить стоимость сварочных аппаратов, их обычно проектируют только для одного или двух процессов сварки. Поэтому бытовые модели для РДС поддерживают только ток на падающей ВАХ. Аппараты для аргонодуговой сварки тоже поддерживают только ток на падающей ВАХ, потому что они также предназначены для ручной сварки. Бытовые модели для MIG и FCAW-сварки, напротив, имеют ток на жесткой ВАХ. Вернемся к первому вопросу — почему аппарат для MIG сварки не подходит для РДС? Аппараты для MIG генерируют ток на жесткой ВАХ, который не пригоден или не рекомендуется для ручной дуговой сварки. Аналогичным образом, Вы не сможете использовать аппарат для РДС для сварки MIG, потому что он генерирует ток на падающей ВАХ. Как уже было сказано выше, также существуют универсальные модели с поддержкой процессов на падающей и жесткой ВАХ. Но они обычно имеют более сложную конструкцию и предназначены для промышленных работ с высокой производительностью, поэтому имеют намного большую стоимость по сравнению с бытовыми моделями. На Рисунке 3 показано несколько примеров аппаратов на падающей и жесткой ВАХ, а также универсальных моделей.

Жесткая и падающая вольт-амперная характеристика 

 

Рисунок 3: примеры сварки с источниками питания различного типа

 

Вести сварку возможно как на падающей, так и жесткой ВАХ (если соответствующим образом настроить оборудование).  Однако при использовании «неподходящего» для соответствующего процесса типа тока дуга будет очень нестабильной. В большинстве случаев это сделает сварку непрактичной. 

Разберемся, почему. При ручной сварке (режимы РДС и TIG) Вы контролируете все переменные вручную (именно поэтому эти процессы считаются самыми сложными в освоении). Нужно, чтобы электрод плавился с равномерной скоростью, поэтому его нужно очень равномерно погружать в сварочную ванну.  Чтобы расплавление электрода было постоянным, сила сварочного тока также должна быть постоянной (т. е. иметь падающую ВАХ).  Напряжение при этом может варьироваться. В режиме ручной сварки очень сложно поддерживать постоянную длину дуги, потому что Вам приходится самостоятельно погружать электрод в соединение. В результате колебаний длины дуги также меняется сварочное напряжение. На падающей ВАХ сила тока является постоянной, контрольной величиной, а напряжение при этом может свободно изменяться.

Если попробовать использовать для ручной дуговой сварки аппарат на жесткой ВАХ, сила тока и производительность расплавления электрода будут слишком сильно варьироваться. По мере перемещения вдоль соединения (при том, что сварщику также нужно будет соблюдать все остальные параметры сварки) электрод будет плавиться то быстрее, то медленнее. Вам придется постоянно менять скорость погружения электрода в соединение, что очень неудобно.              

В режимах MIG и FCAW ситуация полностью другая. Хотя сварщику все еще приходится контролировать много параметров вручную, скорость подачи проволоки регулируется автоматически (и имеет строго заданное значение). Теперь Вам нужно обеспечить постоянную длину дуги. Для этого требуется постоянное сварочное напряжение (т. е. жесткая ВАХ).  Сила тока при этом может свободно варьироваться в зависимости от скорости подачи проволоки. При увеличении скорости подачи проволоки возрастает сила тока, и наоборот При сварке на жесткой ВАХ напряжение и скорость подачи проволоки являются контрольными значениями, а сила тока может меняться.  

Если попробовать вести MIG или FCAW-сварку на падающей ВАХ, напряжение и длина дуги будут слишком сильно варьироваться. При падении напряжения дуга станет слишком короткой и электрод залипнет в основном металле. При увеличении напряжения длина дуги слишком вырастет и тогда произойдет переход дуги с проволоки на токоподводящий мундштук. Постоянные залипания и переходы дуги сделают сварку на падающей ВАХ непрактичной.              

Также заметим, что процессы TIG, MIG и FCAW часто автоматизируются. В случае полной автоматизации, все переменные, включая угол наклона, расстояние и скорость, контролируются автоматически. Благодаря этому дуга становится более стабильной. Тем не менее, для TIG в таких случаях все равно используется падающая ВАХ, а для MIG и FCAW — жесткая. Также часто автоматизируется еще один распространенный процесс электродуговой сварки, сварка под флюсом (SAW). Для SAW используется как жесткая, так и падающая ВАХ. Этот выбор зависит от диаметра проволоки, скорости сварки и размера сварочной ванны. Для полуавтоматической сварки под флюсом более предпочтительна жесткая ВАХ.

Последний вопрос касается компактных механизмов подачи проволоки в форме кейса (см. пример на Рисунке 4). Такое оборудование несколько противоречит перечисленным в этой статье правилам. В основном они предназначены для сварки в полевых условиях и обладают тремя особенностями по сравнению с обычными цеховыми подающими механизмами.  Во-первых, кассета проволоки у них устанавливается в жесткий пластиковый корпус, который защищает ее от внешнего воздействия. Во-вторых, для питания привода подачи в них служит не контрольный кабель, а измерительный провод от подающего механизма. Поэтому подключение выполняется очень просто — уже имеющимся сварочным кабелем от источника питания (с добавлением газового шланга). В-третьих, они в ОГРАНИЧЕННОЙ степени пригодны для сварки на падающей ВАХ. Они действительно имеют переключатель «CC/CV» для выбора типа сварочного тока.

Когда такие компактные подающие механизмы только появились на рынке, предполагалось, что их будут использовать с уже имеющимися на рынке аппаратами на падающей ВАХ (в основном сварочными агрегатами), что позволит производителям вести сварку MIG и FCAW (т. е. сварочной проволокой). Вместо того, чтобы покупать новый аппарат на жесткой ВАХ, им пришлось бы только купить подающий механизм. Эти механизмы подачи имеют дополнительную электрику, которая замедляет изменения скорости подачи проволоки из-за присущих ВАХ перепадов напряжения и старается сделать дугу более стабильной (заметьте, что на падающей ВАХ скорость подачи проволоки больше не является константой и постоянно меняется для сохранения силы тока на одном уровне).

Жесткая и падающая вольт-амперная характеристика 

 

Рисунок 4: компактный механизм подачи проволоки

 

В действительности сварка проволокой на падающей ВАХ хорошо подходит для одних задач и не годится для других. При использовании газозащитной порошковой проволоки (FCAW-G) и в процессе MIG со струйным или импульсным струйным переносом металла дуга получается сравнительно стабильной. Но с самозащитной порошковой проволокой (FCAW-S) и в режиме MIG с переносом металла короткими замыканиями дуга очень нестабильна. Хотя для падающей ВАХ характерны сильные перепады напряжения, процессы с высоким напряжением (24В и больше), например FCAW-G и MIG со струйным переносом металла, к ним менее чувствительны. Поэтому дуга остается достаточно стабильной. Процессы с низким напряжением (22В и меньше), например, MIG с переносом металла короткими замыканиями и FCAW-S, наоборот, более чувствительны к его перепадам.  Поэтому в их случае дуга очень нестабильна и в большинстве случаев считается неприемлемой. Еще одна особенность проволоки FCAW-S на падающей ВАХ — это повышенное напряжение дуги и, как следствие, большая длина, что делает ее более уязвимой к воздействию атмосферы. Это может привести к возникновению пористости и/или резкому падению ударной вязкости наплавленного металла при низких температурах.

В заключение повторим, что жесткая вольт-амперная характеристика ВСЕГДА более предпочтительна для сварки проволокой. Поэтому при использовании универсальных подающих механизмов с источниками питания с поддержкой жесткой ВАХ, лучше выбрать именно ее, а не падающую. Хотя ток на падающей ВАХ может подойти для сварки общего назначения в режимах FCAW-G и MIG со струйным переносом металла, она не рекомендуется для ответственных работ.