2.8 Системи магнітного керування формуванням і кристалізацією зварних швів

Електромагнітні дії (ЕМД) застосовують для поліпшення якості швів, керуючи джерелом нагрівання (дугою) чи процесами масо­теплоперенесення у зварювальній ванні. При зварюванні з ЕМД регулюючі дії прикладаються безпосередньо до тієї частими об'єкта керування, у якій, власне, і відбувається формування зварного шва (див. рисунок 2.1). Взаємодія зовнішнього керуючого магнітного поля (КМП) із зварювальним струмом призводить до появи масових пондеромоторних сил:

де — вектор густини зварювального струму; В — ндукція КМП.

Змінюванням індукції і частоти зміни полярності (реверсування) КМП відносно зварювального струму можна регулювати потрібні переміщення дуги або рідкого металу зварювальної ванни. В обох випадках створюються умови для керування формуванням і кристалі­зацією зварних швів і визначуваними ними показниками якості ме­талу швів [5, 32]. Системи з використанням ЕМД як керуючих мають мінімальну інерційність, оскільки на відміну від САК з дією, на­приклад на швидкість подавання електрода, розміру його вильоту (див. 2.3, 2.4) не вимагають застосування електромеханічних виконав­чих пристроїв.

Коливання дуги впоперек або вздовж шва зовнішнім поперечним щодо дуги реверсованим КМП (рисунок 2.33) застосовують для поліп­шення підігрівання зварюваних кромок, забезпечення доброго перекриття валків при наплавленні, зміни глибини провару.

Щоб здійснювати електромагнітне переміщення (ЕМП) рідкого металу, слід використовувати поздовжнє щодо електрода КМП, яке взаємодіє з радіальною складовою зварювального струму І_зв у ван­ні (рисунок 2.34, а). Дуга при зварюванні у поздовжньому КМП починає обертатися з переходом до конусної форми, що сприяє підвищенню просторової стійкості і розширенню технологічних можливостей дуги. Об'єктами керування при ЕМП є масотеплоперенесення у зварюваль­ній ванні і кінетика її кристалізації.

Встановлено, що оптимальними є переміщення розплаву зварю­вальної ванни, при яких відбуваються періодичні, з якомога біль­шими частотою і розмахом коливання температур перед фронтом кри­сталізації на всій його протяжності. Для цього потрібно, щоб за час /_р між двома послідовними реверсуваннями проходження потоку роз­плаву його тепловий фронт переміщувався по всій довжині частини ванни, яка кристалізується, без переходу через її поздовжню вісь (рисунок 2.34, б, в). Оптимальним умовам ЕМП відповідають подрібнення і підвищення однорідності структури, запобігання утворенню пор, одержання швів, які мінімально схильні, до утворення кристаліза­ційних тріщин, стабілізація механічних властивостей на рівнях їхніх максимальних значень, дістаних при таких самих способах зварювання, але без ЕМП [11]. Зварювальна ванна, що характеризу­ється малим

Рисунок 2.33 – Зварювальна дуга у КМП

Рисунок 2.34 – Створення електромагнітних сил у розплаві зварювальної ванни при ЕМП (а) і схеми руху розплаву вздовж протилежних кромок при «прямій» (б) і «зворотній» (в) полярностях КМП (за­штриховані області відповідають ділян­кам кристалізації у відповідні півперіоди КМП)

об'ємом розплаву і високою густиною у ньому електрич­ного струму, є ідеальним об'єктом для застосування ЕМП, оскільки потрібні для досягнення заданих характеристик переміщення сили F можна дістати при відносно малих індукціях КМП. Це дає змогу застосовувати малогабаритні пристрої для утворення і введення КМП, що особливо важливо при дуговому зварюванні, враховуючи обмежену доступність зони зварювання і потребу збереження маневреності зва­рювального інструменту.

КМП утворюють електромагнітами ЕМ (рисунок 2.35), конструктивно сполученими зі зварювальними пальниками або струмопідвідними мундштуками зварювальних апаратів. Живлення ЕМ провадиться від джерела зниженої змінної напруги частоти мережі ДЖ через пере­ривач 77, керований регулятором РЦ циклу ЕМД. Задану програму зміни напруги живлення обмотки ЕМ і відповідно параметрів КМП забезпечують попереднім налагоджуванням регулятора РЦ. Зви­чайно пристрої РЦ, П та ДЖ об'єднують у конструктивно самостій­ному блоці БК керування ЕМД.

Найпростіші програми зміни амплітуди або частоти реверсування струму живлення ЕМ при керуванні зварювальною дугою значно ускладнюються при здійсненні ЕМП рідкого металу зварювальної ванни. Через те системи керування ЕМД універсального призначення повинні забезпечувати перш за все виконання заданих програм ЕМП, у тому числі при зварюванні як на постійному, так і на змінному струмі, а також при імпульсно-дуговому зварюванні (ІДЗ). Щоб розширити технологічні можливості зварювання з ЕМП, у блоках БК передбачено регулювання струму ЕМ (І_ем) і затримок у часі t₃ між послідовними групами імпульсів І_ем, а також синхронізацію початку

в

Рисунок 2.35 – Структура системи керу­вання ЕМД

Рисунок 2.36 – Система автоматичного регулювання ЕМП

ідпрацювання заданої програми зміни напруги джерела ЕМ з перед­нім фронтом імпульсу зварювального струму при ІДЗ [38].

Склад і роботу типової схеми керування ЕМД на основі програмова­ного елемента пам'яті.

Під час виготовлення відповідальних зварних конструкцій до­цільно застосовувати замкнені системи керування ЕМД із зворотним зв'язком за параметрами процесу кристалізації. Найінформативнішими і в той же час доступними для контролю параметрами є швид­кість кристалізації і температура розплаву поблизу меж зварю­вальної ванни. При дуговому зварюванні у середовищі захисних газів поверхня зварювальної ванни відкрита і ці параметри можуть вимірюватися за допомогою різних фотоелектричних перетворювачів.

На рисунку 2.36 подано функціональну схему системи автоматичного регулювання ЕМП із телевізійним датчиком переміщень фронту кристалізації [10], розроблену для зварювання в аргоні. Телекамеру ТК датчика з оптичною системою ОС закріплюють на зварювальній головці і формують у процесі зварювання телевізійне зображення частини зварювальної ванни, що кристалізується. Зміни розмірів ванни під час кристалізації її в умовах ЕМП (див. рисунок 2.34, б, в) перетворюються блоком обробки відеосигналу БОВС у напругу U_K, пропорційну поточному значенню швидкості кристалізації. До складу блоку керування ЕМД (БК) введено обчислювач розузгоджень ОР, у якому поточні значення U_K порівнюються з напругою 0_о, пропор­ційною заданій оптимальній швидкості кристалізації. Сигнал розузгодження = U_K— U_o використовується для керування регуля­торами циклу РЦ і індукції РІ ЕМД, вихідні сигнали яких встановлю­ють тривалість вмикання і кути відпирання тиристорів переривника П, визначаючи тим самим параметри t_p і В KПM. Потрібна інтенсив­ність ЕМП забезпечується послідовним збільшенням індукції В, а після досягнення її граничних значень за умовами стійкості дуги і якості формування шва — збільшенням тривалості t_p.