2.5 Основи методики вибору автоматичних регуляторів дуги за заданими показниками якості зварного шва

Вибір системи регулювання дуги, яка забезпечує задану якість регламентованого параметра зварного шва, можна провести за роз­рахунковими значеннями коефіцієнта якості регулювання. Цей ко­ефіцієнт визначається відношенням відхилення параметра зварного шва до збурення, що спричинило його, у відносних одиницях:

де — статична помилка контрольованого параметра шва (гли­бини провару, ширини шва, концентрації легуючого елемента та ін.), абсолютні одиниці; Y — контрольований параметр за но­мінального режиму; z — збурення (стрибок), абсолютні одиниці; Z — номінальне значення параметра, за яким відбувається збурення. Коефіцієнт якості х — безрозмірне число, його знак визначаєть­ся знаком статичної помилки системи регулювання за одиничного збурення. Чим менше абсолютне значення х, тим ліпша якість регу­лювання, тим точніше підтримує система задані номінальні значення параметрів зварного шва. За астатичного регулювання x_yz = 0. Для звичайно застосовуваних режимів під час зварювання неплавким електродом у аргоні і плавким електродом під флюсом значення різ­них коефіцієнтів якості перебувають у межах +3...—3. Сумарну помилку системи Ayz за регульованого параметра зварного шва з ура­хуванням одночасної дії кількох збурень (за довжиною дуги , напругою мережі швидкістю подавання дроту , швидкістю зва­рювання ) можна визначити за формулою

де коефіцієнти якості і збурення беруться з притаманними їм знаками.

Якість регулювання забезпечується за , де — допустиме за технічними умовами відхилення регламентованого па­раметра зварного шва. Для заданих конкретних виробничих умов ліпшу якість регулювання забезпечить CAP, для якої Ay_s має най­менше значення.

Методику визначення розрахункових значень коефіцієнта якості, що грунтується на зображенні статичної помилки системи регулюван­ня для будь-якого параметра шва через передавальну функцію за відповідного збурення, детально розглянуто в [7, с. 28—32].

На основі передавальних функцій і виразів для статичних помилок розроблено методики розрахунку і вибору основних параметрів ав­томатів типу АРДС, АРНД для дугового зварювання, які комплек­туються серійними джерелами зварювального струму. Виходячи з допустимого відхилення регламентованого параметра шва, ці ме­тодики дають змогу обгрунтувати точність виготовлення і складання несучої конструкції зварювальної установки, вибрати привод і пе­редавальне число редуктора сервомеханізму, розрахувати коефі­цієнт підсилення регулятора, спроектувати привод механізму пере­міщенням або зварювальної головки, вибрати джерело живлення.

Методику розрахунку і вибору основних параметрів автоматів, для дугового зварювання з метою забезпечення заданої точності стабілізації регламентованих параметрів зварного шва наведено в [7, с. 32—40].

2.6 Керування плавленням і перенесенням електродного металу

Плавлення і перенесення електродного металу при дуговому вварюванні впливають на металургійні процеси у зварювальній ванні І динамічні характеристики електричних параметрів зварювальної дуги, значною мірою визначають технологічні можливості процесу, його стабільність і стійкість. У багатьох випадках доцільно уникати великокраплинного перенесення, керуючи утворенням і перенесенням крапель до ванни.

На краплю, яка знаходиться на торці електрода, діють гравіта­ційні та електромагнітні сили, поверхневий натяг, реактивний тиск металу, що випаровується, і тиск плазми дуги. Вплив сили ваги на перенесення металу залежить від розміщення шва. При зварюванні у нижньому положенні сила ваги сприяє перенесенню металу у ванну, а при стельовому положенні перешкоджає йому. Потоки пари у зоні активної плями дуги, напрямлені перпендикулярно до випарову­ючої поверхні, утворюють реактивну силу, яку приблизно визначають за формулою

де т — маса металу, що випаровується за одиницю часу; v — почат­кова швидкість струменя пари.

Сили поверхневого натягу напрямлені по дотичній до поверхні краплі. На стикові рідкого металу і електрода (точки А на рисунку 2.20)

силу можна розкласти на дві складові: і (p). Перша складова напрямлена паралельно до осі електрода і прагне утримати краплю на кінці електрода, друга — до осі і прагне стиснути краплю. Результуючі цих розпо-

Рисунок 2.20 – До впливу по­верхневого натягу на від­ривання краплі

Рисунок 2.21 – Характерні форми кра­пель електродного металу під час зварювання в аргоні (а) і у вугле­кислому газі (б)

ділених по зовнішній межі сил визначаються за формулами:

де — коефіцієнт поверхневого натягу; R_e — радіус електрода (рисунок 2.20).

Із зменшенням радіуса краплі збільшується, що

спричинює зростання сили (0), яка перешкоджає відриванню краплі від електрода.

Електромагнітні сили виникають від взаємодії між струмом протікання і утворюваним ним магнітним полем. При змінному пе­рерізі провідника з'являється складова сили, напрямлена в бік збіль­шення перерізу, яка не залежить від напряму протікання струму. Якщо діаметр електрода d_e менший за діаметр активної плями дуги d_д (рисунок 2.21, а), то електромагнітні сили сприяють відриванню краплі від електрода. При d_e>d_д (рисунок 2.21, б), що часто спостерігається при зварюванні у вуглекислому газі, електромагнітні сили відштов­хують краплю від ванни. Електромагнітну силу можна обчислити за наближеною формулою:

де — магнітна проникність; І — струм, що протікає через краплю. Основний вплив на перенесення металу виявляє електромагнітна сила F_eм, пропорційна квадрату струму, і сила поверхневого натягу Р_п.н, яка зменшується із зростанням розмірів краплі. Крапля від­ривається від електрода, якщо

тому перенесенням металу можна керувати, діючи на поверхневий натяг і електромагнітні сили. Сили поверхневого натягу залежать від газового середовища та матеріалу електродного дроту. Наприклад, додавання до аргону невеликої кількості кисню або активування дро­ту, які зменшують поверхневий натяг, сприяє переходу до струмин­ного перенесення на менших струмах.

співробітниками у 1960 р. Цей спосіб відзначається гнучкістю, швидкодією, можливістю використан­ня зворотних зв'язків. Він полягає у періодичному пропусканні через дугу потужних імпульсів амплітудою І_і і тривалістю t_h які здійснюють відривання краплі і перенесення її до ванни (рис 2.22). Утворення краплі здійснюється при струмі І_п за час t_n.

Дослідження показали, що зменшити вигоряння легуючих еле­ментів при заданому середньому значенні зварювального струму можна шляхом зниження до межі стійкого горіння дуги струму І_п. Плавлення і перенесення металу здійснюються протягом часу t_t.

Рисунок 2.22 – Зовнішній вигляд дугового про­міжку та осцилограми струму і напруги під час імпульснодугового зварювання в ар­гоні

При цьому тривалість перебування рід­кого металу в краплі зводиться до мінімуму, що й дає бажаний ефект. Діапазон частот, які використову­ються для імпульсно-дугового зва­рювання, перебуває в межах від кількох десятків до 200—300 Гц і залежить від діаметра електродного дроту і швидкості його пода­вання.

У керуванні перенесенням металу набули поширення джерела живлення дуги, які працюють із фіксованою частотою імпульсів, яка ділиться на частоту мережі або дорівнює їй (25; 50; 100 Гц). На рисунку 2.23 показано таке джерело живлення, що складається з двох па­ралельно ввімкнених апаратів: джерела живлення дуги базовим стру­мом ДЖ і діодно-тиристорного однофазного випрямляча VD1, VD2, VS1, VS2, періодичне вмикання якого схемою фазового керування СФК забезпечує здобування імпульсів потрібної амплітуди і трива­лості.

Знайшли застосування джерела живлення з плавним регулюванням частоти імпульсів за допомогою тиристорних ключів із штучною комутацією або транзисторних імпульсних регуляторів [8, 9]. Живлення імпульсних регуляторів здійснюється від джерел постій­ної напруги 40—70 В. Схема керування СК забезпечує перемикання силового транзистора VT (рисунку 2.24) із частотою 10—20 кГц, тому вихідна напруга регулятора U пульсує від 0 до напруги жив­лення регулятора (рисунку 5, а, б). Згладжування пульсацій

Рисунок 2.23 – Схема пристрою для імпульс­но-дугового зварювання

Рисунок 2.24 – Схема транзисторного ім­пульсного регулятора

Рисунок 2.25 – Зміни напруги U та струму і при вико­ристанні транзисторного імпульсного регулятора протягом часу t₂ (а) та І* (б) відповідно (див. рисунок 2.22)

струму до потрібного рівня здійснюється реактором L (див. рисунок 2.24), який вмикають послідовно у зварювальне коло. При вимкненому тран­зисторі VT зварювальний струм протікає через діод VD. Вихідна на­пруга регулюється зміною співвідношень між часом відкритого і за­пертого стану транзистора VT.

При достатньо високій частоті перемикання транзистора індуктив­ність реактора може бути невеликою. У багатьох випадках достатньо власної індуктивності кабелів, що з'єднують регулятор із місцем зва­рювання. Це дає можливість генерувати імпульси з крутими фронта­ми — тривалістю від 0,5 мс і більше з частотою до 1000 Гц.

Рисунок 2.26 – Схема транзисторного інверторного джерела живлення дуги

Дедалі більшого поширення набувають інверторні джерела жи­влення (рисунок 2.26). Напруга промислової мережі випрямляється випрямлячем В і надходить на інвертор. В інверторі як ключо­ві елементи використовуються біполярні транзистори VT1 —VT4. Можливе застосування польових транзисторів або тиристорів із пристроями їхньої комутації. Інвертор перетворює постійну на­пругу у змінну. Можлива частота напруги багато в чому визнача­ється типом напівпровідникових приладів. Для тиристорів і біполяр­них транзисторів вона звичайно не перевищує 10—20 кГц відповідно.

Для польових транзисторів вона може сягати 50 кГц і вище. Змінна напруга понижується трансформатором Т, випрямляється діодами VD1—VD2 і згладжується дроселем L. Регулювання зварювальної напруги здійснюється так само, як і у імпульносму регуляторі — змінюванням тривалості часу ввімкненого стану транзисторів.

Використання високої частоти для живлення трансформатора Т дає змогу істотно знизити його масу, що знижує у 2—3 рази масу джерела живлення. Розширюються межі регулювання амплітуди, тривалості і частоти проходження імпульсів.

Налагодження режиму імпульсно-дугового зварювання досить складний процес, який полягає в доборі оптимального сполучення швидкості подавання дроту, зварювальної напруги, базового стру­му, амплітуди, частоти і тривалості імпульсів. Спрощення настройки можливе за допомогою пристроїв так званого «синергетичного» керу­вання (див. 1.3). На основі заданих виду захисного газу, діаметра, матеріалу і швидкості подавання електродного дроту система керу­вання СК встановлює оптимальні параметри імпульсів і значення зва­рювальної напруги. Передбачано можливість підстроювання режиму залежно від конкретних умов зварювання.

Великий рівень збурень v_n (спричинених нерівномірністю про­ходження дроту через струмопідвідний наконечник, коливаннями руки зварника під час механізованого зварювання та іншими по­дібними причинами), що еквівалентні відхиленням швидкості пода­вання електродного дроту, призводить до істотних змін зварюваль­ного струму і відповідно швидкості плавлення електрода (див. 2.3). Якщо в цих умовах на дугу накладати імпульси з постійною часто­тою проходження, то маса крапель, які переносяться, буде різною. Для деяких крапель енергія імпульсу буде недостатньою і вони за­лишаться на електроді, для інших — надмірною.

Для того щоб зменшити коливання дуги і забезпечити однакову масу крапель, що переносяться, треба застосовувати системи керу­вання зі зворотними зв'язками. Найзручнішими для вимірювання параметрами процесу є зварювальні струм і напруга. Відомо, що швидкість плавлення електрода пропорційна миттєвому значенню струму і. Тому якщо імпульси подавати після того, як набуде певного значення, то можна досягти постійності маси крапель, які переносяться до ванни. Автоматичне регулювання імпульсно-дугового зварювання при значних збуреннях доцільно здійснювати сумісно з дією на швидкість подавання дроту.

Тільки таким чином можна досягти максимального усунення дії збурень.

Під час зварювання в СО₂ розміри активної плями, як правило, менші за діаметр електрода (див. рисунок 2.21, б), тому електродинамічні сили не сприяють відриванню краплі від електрода, а навпаки, від­штовхують її від зварювальної ванни. Внаслідок безперервного подавання дроту крапля разом з електродом переміщується до ванни і торкається її поверхні в момент часу і_г (рисунок 2.27, а—в).

Рисунок 2.27 – Особливості перенесення елек­тродного металу (а) та осцилограми стру­му (б) і напруги (в) під час зварювання у вуглекислому газі

Рисунок 2.28 – Зовнішній вигляд дугового проміжку (а) та осцилограми струму (б) і напруги (в) при керуванні проце­сами плавлення і перенесення елек­тродного металу під час зварювання у вуглекислому газі

Джерело живлення дуги для забезпечення потрібної якості проце­сів саморегулювання має пологопадаючу зовнішню характеристику (див. 2.3), тому коротке замикання краплею дугового проміжку при­зводить до зростання струму. Оскільки за початкового інтервалу часу діаметр контакту краплі з ванною d_K набагато менше від діаметра електрода d_e, то електродинамічні сили продовжують відштовхувати краплю від ванни. Надмірне зростання окремих крапель і їх зміщення з осі електрода сприяють викиданню таких крапель під час чергового замикання дугового проміжку за межі ванни під дією електромагніт­них сил. Втрати металу при цьому досягають 15 %.

Причиною розбризкування металу є також газодинамічний удар при вибухоподібному руйнуванні перемички між електродом і зва­рювальною ванною під впливом електродинамічних сил, які набува­ють свого максимуму у цій стадії короткого замикання.

Для того щоб усунути надмірне зростання крапель і забезпечити їхні однакові розміри, доцільно живлення дуги здійснювати імпуль­сами струму з постійною амплітудою і тривалістю (рисунок 2.28, а—в). У міру зростання краплі струм плавно зменшується, запобі­гаючи тим її зміщенню з осі електрода. Після утворення краплі через дугу пропускають невеликий струм , який не перешкоджає її зближенню з ванною. У перший момент часу після утворення контакту

(інтервал часу t₂) доцільно ще більше зменшити струм, забезпечивши найліпші умови для розширення площі контакту. Після того як діаметр контакту d_K стане більшим від діаметра електрода d_e, струм можна збільшувати. У цьому випадку електромагнітні сили будуть сприяти прискоренню перетікання металу краплі у ванну.

У кінцевій стадії короткого замикання електрод і ванну з'єднує перемичка діаметром d_n < d_e. У цьому випадку сили поверхневого натягу починають сприяти її дальшому стисканню і руйнуванню. При певному співвідношенні між h, d_n і d_e перемичка може зруйнува­тися без участі електромагнітних сил. Ця властивість перемички дає змогу знизити струм у кінцевій стадії короткого замикання практично до нуля без погіршення стабільності перенесення металу (інтервал часу t₁). Відсутність дії електродинамічних сил у кінцевій стадії переходу краплі до ванни усувають викиди металу за її межі. Після збудження дуги провадиться плавне зростання струму. Це знижує дію плазмових потоків на поверхню ванни і тим перешкоджає вики­данню з неї металу. Керування плавленням і перенесенням металу за описаним способом багаторазово знижує його втрати, у кілька разів зменшує відхилення глибини провару і висоти шва, у 2—3 рази зменшує звуковий тиск, утворюваний дугою.

Щоб керувати плавленням і перенесенням металу під час зва­рювання в СО₂, потрібні джерела живлення, які забезпечують швид­кості змінювання струму у зварювальному колі близько (2...4) X X 10⁶ А/с.

Такі швидкості можна дістати за допомогою інверторних джерел живлення або транзисторних регуляторів. Можливе також викорис­тання традиційних джерел, оснащених спеціальними тиристорними приставками, які дають змогу різко зменшити струм у зварювальному колі у кінцевій стадії короткого замикання [9].

При зварюванні у вуглекислому газі плавленням і перенесенням металу можна також керувати, діючи на швидкість подавання дроту. Б. Є. Патоном та його співробітниками було запропоновано подавати дріт імпульсами з бажаною частотою перенесення крапель. Протягом тривалості імпульсу відбувається плавлення електрода і утворення краплі, а під час різкого гальмування дроту крапля інерційними силами відривається від електрода і переноситься до зварювальної ванни. Стадія короткого замикання з руйнуванням перемички на максимальному струмі відсутня, що знижує втрати металу. Зменшенню втрат сприяє також стабілізація маси крапель. Щоб подавати дріт, використовується досить простий електромаг­нітний привод, в якому відсутні обертові частини. До недоліків такого способу керування слід віднести збільшену вібрацію тримача.