5.12 Автоматизація процесів високочастотного зварювання

Високочастотне зварювання швів великої довжини, що використо­вує властиві струмам високої частоти поверхневий ефект і ефект близь­кості, є безперервно послідовним стиковим зварюванням. Подібно до стикового зварювання воно має два різновиди, до одного з яких нале­жить зварювання кромок заготовок у пластичному стані, а до другого — ВЧ зварювання кромок із контактним оплавленням. Оплавлення кро­мок очищує їхні поверхні, що стикуються, від оксидів, а закриття стику з дальшим осадженням кромок дає змогу здобути зварні шви високої якості.

Осередок ВЧ зварювання (рисунок 5.57) містить ділянку попереднього підігрівання кромок заготовки, що сходяться під гострим (3—7°) кутом, із протяжністю , ділянку контактного оплавлення кромок на сумар­ну ширину _опл і ділянку осаджування, що завершується в осьовій пло­щин і валків шовнообтискної зварювальної кліті. В процесі високочас­тотного зварювання кромок заготовки в пластичному стані контактне оплавлення кромок і відповідна йому ділянка осередку зварювання від­сутні.

С табільна якість зварного шва забезпечується сталістю температури нагрівання кромок у місці їхнього сходження Т_сх під час високочастот­ного зварювання кромок у пластичному стані або сталістю сумарної ширини оплавленого шару _опл металу кромок під час ВЧ зварювання з контактним оплавленням.

Рисунок 5.57 – Схема осередку високочастот­ного зварювання

До основних збурень, що діють на процес високочастотно­го зварювання, належать: неста­більність товщини стрічки заго­товки б, зміни швидкості v руху заготовки (швидкості зварюван­ня), коливання напруги живиль­ної промислової мережі U_м, які порушують режим роботи зварю­вального ВЧ генератора. Додат­ковими збуреннями є зміни кута сходження кромок, відстані dmax між кромками у місцях К_с підведення струму і довжини ді­лянки підігрівання l_під, які з'яв­ляються через спрацьовування розпірної шайби або ножа, тобто із змі­ною їхньої ширини б_н. Порівняно висока швидкість високочастотного зварювання 60 м/хв і більше ускладнює роботу оператора із корекції режиму зварювання. Процес ВЧ зварювання як об'єкт керування описується системою диференціальних рівнянь у часткових похідних електромагнітного та теплового полів осередку зварювання. Рівняння статики ВЧ зварювання щодо показників якості (температури у місці сходження кромок Т_сх і ширини оплавленого шару _опл металу) вико­ристовуються для вибору керуючих дій і аналізу процесу як об'єкта керування з самовирівнюванням [19].

Оскільки оплавлення кромок супроводжується світінням парів ме­талу і оксидних плівок, а інтегральне випромінювання з ділянки оплав­лення пропорційне її довжині, це випромінювання можна використати як регульований параметр процесу. При сталості кута сходження кромок довжина ділянки оплавлення пропорційна ширині оплавленого шару _опл кромок. Із шириною зони розігрівання кромок та їхньою тем­пературою при використанні підпружинення валків зварювальної кліті пов'язана висота грата, який формується. Для незмінної у процесі зва­рювання ширини стрічки-заготовки при зварюванні в кліті з підпружи­неними валками за показник якості може правити відхилення діаметра звареної труби.

Складність контролю фізичних параметрів процесу ВЧ зварювання, що впливають на його якісні показники (температуру і ширину шару оплавленого металу), вимагає виявлення параметрів процесів, стабілі­зація яких веде до практичної незалежності якісних показників звар­ного з'єднання від найпоширеніших збурень. Такими параметрами є: середня потужність Р, що виділяється в осередку зварювання, активна складова спадання напруги U_a на осередку зварювання, зварювальний струм І та деякі інші. Ці параметри можна контролювати простими і надійними технічними засобами.

а — інтегруючий підсилювач; б — підсилювач-обмежник; ПР — пояс Роговського

Рисунок 5.58 – Основні елементи блоку вимірювальних перетворювачів регуля­тора

Стабілізація активної складової спадання напруги ефективна при компенсації збурень за товщиною заготовки і зазора d_max; стабіліза­ція середньої потужності використовується для компенсації нестабіль­ності довжини ділянки попереднього підігрівання l_під і зазора d_mах Аналогічний ефект ослаблення впливу збурень забезпечується стабі­лізацією активної складової напруги під час зварювання оплавленням.

У більшості практичних випадків дії збурень піддаються товщина заготовки і швидкість υ її переміщення. Компенсація збурень за швидкістю забезпечується застосуванням регуляторів, що реалізують закон керування, до якого вводиться функція, пропорційна швидкості переміщення заготовки. Так, у разі використання регульованим па­раметром активної складової спадання напруги на осередку зварювання закон керування має вигляд

Регулятор енергетичних параметрів режиму ВЧ зварювання при­значено для трубозварювального стану «159-529», у зварювальному агре­гаті якого використовується комбіноване індукційне підведення струму до кромок прямошовної трубної заготовки. Система підведення струму до кромок містить внутрішньотрубний і охоплюючий індуктори, ввімк­нені паралельно. Живлення індукторів зварювального агрегату здійс­нено від електромашинних високочастотних генераторів із частотою генерованого струму 10 кГц, керованих через обмотку збудження, що живиться від керованого однофазного мостового тиристорного випрям­ляча. Спадання напруги на елементах високочастотного кола контролю­ється за допомогою стандартних понижувальних трансформаторів на­пруги. Як датчик струму використано пояс Роговського та інтегруючий підсилювач.

Основними елементами блоку вимірювальних перетворювачів регу­лятора енергетичних параметрів є інтегруючий підсилювач (рисунок 5.58, а), амплітудний обмежник (рисунок 5.58, б) і перемножувальний пристрій. Як останній використовують перемножувальні мікросхеми типу 525ПС.

Рисунок 5.59 – Схеми вимірювальних перетворювачів регульованих параметрів

Інтегруючий підсилювач формує сигнал, пропорційний струму у ви­сокочастотному колі, а підсилювач-обмежник — напругу (U_вих прямо­кутної форми, амплітуда якої пропорційна

Варіанти комбінацій елементів блоку вимірювальних перетворюва­чів наведено на рисунку 5.59. Сигнал, пропорційний середній потужності Р, формується як середнє значення напруги на виході перемножуваль-ного пристрою М (рисунок 5.59, а) при перемноженні миттєвих значень сигналу, пропорційного струму з виходу інтегратора І і сигналу, про­порційного спаданню напруги на контрольованій ділянці високочастот­ного кола. У схемі на рисунку 5.59, б сигнал, пропорційний контрольова­ному струму з виходу інтегратора І, обмежується по амплітуді підси­лювачем-обмежником О, а перемножувальний пристрій М перемножує змінну напругу прямокутної форми, синфазну контрольованому стру­му, зі спаданням напруги на контрольованій ділянці високочастотного кола. При цьому миттєве значення напруги на виході перемножуваль­ного пристрою М має вигляд почергових півперіодів синусоїдальної напруги, пропорційної миттєвому значенню спадання напруги на кон­трольованій ділянці високочастотного кола з початковою фазою φ, що дорівнює куту зсуву фаз між напругою і струмом контрольованого кола.

Середнє значення напруги на виході перемножувального пристрою

де k₂ — коефіцієнт пропорційності, пропорційний активній складовій спадання напруги на контрольованій ділянці високочастотного кола (U_a = U cos φ). Реактивну складову спадання напруги (U_p = U sin φ) формують при подаванні на вхід обмежника 0 сигналу з виходу пояса Роговського (рисунок 5.59, в). Розглянуті комбінації елементів дають змогу здійснювати фазочутливе випрямлення. На рисунку 5.59, г показано схему двопівперіодного випрямляча, складеного з обмежника 0 і перемножу­вача М. Для формування сигналів, пропорційних активній і реактив­ній складовим контрольованого струму, використовують відповідно схеми, показані на рисунку 5.59, д, е. Схему за рисунком 5.59, є використову­ють для формування сигналу, пропорційного куту зсуву фаз між спа­данням напруги на ділянці високочастотного кола і струмом, що про­тікає.

Виконавчим пристроєм регулятора править однофазний мостовий тиристорний випрямляч із нульовим вентилем, що використовується для живлення обмоток збудження високочастотного електромашинного генератора. Тиристорні випрямлячі керуються системою імпульсно-фазового керування (СІФК) — рисунок 5.60. Вимога лінійності характе­ристики СІФК і керованого випрямляча виконується формуванням пилкоподібної напруги косинусоїдальної форми.

Миттєве значення на­пруги на конденсаторі С4

В результаті порівняння U_м із напругою керування U_к, здійснюва­ного тригером Шмітта, на транзисторах VT6, VT7, VT8 формуються відпираючі тиристори імпульси, фаза яких пропорційна напрузі керу­вання U_к і напрузі живильної промислової мережі з амплітудою U_т:

(5.24)

Середнє значення напруги на навантаженні однофазного мостового тиристорного випрямляча з нульовим вентилем (або його аналога з дво­ма тиристорами і двома некерованими діодами)

Якщо кут відпирання тиристорів залежить від U_к відповідно до формули (5.24), то результуюча характеристика СІФК і випрямляча визначається лінійним рівнянням

(5.25)

Як випливає з рівняння (5.25), другою важливою властивістю СІФК є інваріантність середнього значення напруги на навантаженні керова­ного випрямляча (і середнього значення струму збудження генератора) щодо напруги живильної мережі. Для формування пилкоподібної на­пруги в СІФК використано два інтегруючих кола R5C2 (індуктивність дроселя L1 мала і не виявляє впливу на інтегрування) і (R16 + + R17) С4, які живляться від випрямляча на діодах VD2—VD5. Якщо початкові умови для кола R5C2 сталі і визначаються спаданням напруги на транзисторі VT2 при його відпиранні, то початкові умови для інтегруючого кола (R16 + R17) С4 дорівнюють напрузі на конденсаторі С2 зі зворотним знаком у кінці півперіода напруги

Рис. 5.60 – Принципова схема системи імпульсно-фазового керування

Рис. 5.43. Принципова електрична схема задатчика переміщення

мережі. За рівності ємностей конденсаторів С2 і С4 напруга на

конденсаторі С4 на початку півперіода пропорційна середньому значенню напруги жи­вильної мережі і спадає до нуля до кінця півперіода. Транзисторний ключ VT2 відпирається імпульсами з колектора транзистора VT1, які сформувалися в нулях синусоїди живильної мережі. При відпиранні транзистора VT2 конденсатор С2 розряджається на конденсатор С4 через діод VD7, дросель L1 і відкритий транзистор VT2. Зворотному перезарядженню конденсатора С2 перешкоджає" діод VD7, тому енергія, накопичена конденсатором С2, передається цілком конденсатору С4. Полярність напруги на конденсаторі С4 щодо загальної точки негатив­на. Стала часу інтегрування для кола з конденсатором С4 добирається резистором R17 так, щоб в кінці півперіода напруга на конденсаторі С4 спадала до нуля. Для встановлення нульових початкових умов при від­пиранні транзистора VT2 використано ключ на транзисторі VT5, що відпирається продиференційованим колом C1R9, переднім фронтом ім­пульсу на VT2. Наведеною схемою СІФК реалізується вимога по керо­ваному обмеженню мінімального кута відпирання тиристорів. Із цією метою використано одновібратор на транзисторах VT3 і VT4, що запу­скається через резистор R15 імпульсами в нулях напруги живильної мережі з колектора VT1. Тривалість імпульсів прямокутної форми на виході одновібратора встановлюється реостатом, увімкненим між віль­ним виводом резистора R3 і загальною точкою схеми. Амплітуда пил­коподібної напруги на конденсаторі С4 при номінальному значенні напруги живильної мережі дорівнює 5 В. Імпульси з колектора VT1 і з виходу одновібратора, що підсумовуються з пилкоподібною напругою, вдвічі перевищують за амплітудою цю напругу, тому під час коливань напруги живильної мережі і змін напруги керування СІФК мінімаль­ний кут відпираючих тиристори імпульсів виявляється завжди не мен­шим кутової тривалості імпульсу на виході одновібратора, яка, у свою чергу, обмежена тривалістю імпульсів на колекторі транзистора VT1. Імпульси відпирання тиристорів підсилюються за потужністю транзи­сторами VT9 і VT10.

Розроблений регулятор розраховано для роботи з високочастотними зварювальними агрегатами, що здійснюють зварювання з контактним оплавленням кромок трубної заготовки. Контактне оплавлення супро­воджується пульсаціями струму і спаданням напруги на пристрої підво­ду струму, які накладаються на сформовані блоком вимірювальних пе­ретворювачів регульовані параметри, в результаті чого вироблювані регулятором керуючі дії можуть бути неадекватними діючим на процес зварювання збуренням.

П роцес оплавлення є стаціонарним випадковим процесом, який ха­рактеризують математичні сподівання параметрів.

Рисунок 5.61. Схема підсилювача сигналу розузгодження

Найзручніше за час усереднення брати тривалість півперіода напруги живильної мережі, тобто проміжки часу, коли система автоматичного регулювання втрачає керованість. Із цією метою підсилювач D1 сигналу розузгодження (рисунок 5.61) побудовано як півперїодний інтегратор із ключем із набору D2, який шунтує конденсатор С1 у колі зворотного зв'язку підсилюва­ча D1. Ключі набору D2 відпираються продиференційованим заднім фронтом імпульсу відпирання тиристорів із колектора транзистора VT9 (див. рисунок 5.60). Три інших ключі набору D2 увімкнені паралель­но конденсатору С4 СІФК і розряджають його після того, як сформу­ється імпульс відпирання тиристора, чим запобігаються повторні ім­пульси після того, як тиристор відкрився.

Як операційні підсилювачі в регуляторі використовуються мікро­схеми КР 544 УД2А. Набір із 4 ключів (D2 на рисунку 5.61) містить мікро­схема К 547 КП1А. Один із входів підсилювача сигналу розузгодження ввімкнено до виходу вимірювального перетворювача регульованого па­раметра, а інший — до джерела задавального сигналу (наприклад, до потенціометра).

Функціональну схему системи автоматичного регулювання енерге­тичних параметрів режиму високочастотного зварювання наведено на рисунку 5.62. Система містить два зворотних зв'язки за збуреннями. Пер­ший з них компенсує вплив збурення за напругою живильної мережі

, що діє на мостовий керований випрямляч ВК, який живить обмот­ку збудження електромашинного високочастотного генератора ВЧГ.

Р — середня потужність; U_а — активна скла­дова спадання напруги Рисунок 5.62 – Функціональна схема системи автоматичного регулювання енергетичних параметрів режиму високочастотного зва­рювання

Інший зв'язок за швидкістю пе­реміщення v (швидкістю зварю­вання) заготовки реалізується за допомогою тахогенератора ТГ і функціонального перетворюва­ча ФП. До блоку вимірюваль­них перетворювачів CAP вхо­дять: магнітний пояс МП (пояс Роговського), вимірювач актив­ної складової спадання напруги ВАН, вимірювач активної скла­дової струму ВАС, інтегратор ЕРС пояса МП на операційному підсилювачі ОП2 і перемножува-льний пристрій М, сигнал на ви­ході якого пропорційний серед­ній потужності. Сигнал розу-згодження формується на виході операційного підсилювача ОП1 і надходить на керуючий вхід СІФК.

Електромашинні високочастотні генератори використовуються у зварювальних агрегатах при зварюванні виробів (зокрема, труб) із ста­лі завтовшки понад 3 мм. При зварюванні труб із кольорових металів використовуються лампові високочастотні генератори. Так, для зварю­вання прямошовних алюмінієвих трубок із алюмінієвої стрічки завтов­шки 0,5 мм застосовується ламповий ВЧ генератор із робочою частотою 1,76 мГц. Керування потужністю генератора здійснюється зміною на­пруги струму розжарення генераторної лампи VT за посереництвом ке­рованого дроселя DK у колі первинної обмотки розжарювального транс­форматора TV. Вторинна обмотка дроселя І ввімкнена до симистора, зміною кута відпирання якого регулюється струм розжарення генера­торної лампи. До переваг керування потужністю розжарення генера­торної лампи слід віднести значно меншу потужність розжарювального трансформатора порівняно з анодним і його однофазність (анодний — трифазний трансформатор). Інерційність розжарення генераторної лампи така сама, як і інерційність анодного фільтру.

Систему автоматичного регулювання висоти грата і діаметра тру­би призначено для стабілізації висоти грата і діаметра трубки в умовах зміни геометричних і фізико-механічних характеристик стрічки, з якої формується трубна заготовка. Висоту грата контролюють на ділянці між зварювальною кліткою і гратознімачем. Як датчик висоти грата використовується фотоелектрична система, що містить освітлювач Л1 і фоторезистор R2 (рисунок 5.63). Систему встановлено на станині стана; в зону її візування введено прапорець П, з'єднаний із підпружиненою консоллю

Р исунок 5.63 – Принципова схема системи автоматичного регулювання висоти грата і діаметра трубки

рухомого валка зварювальної кліті. Для керування симисто-ром VD1 використано систему імпульсно-фазового керування СІФК, керовану негативною напругою таким чином, що із збільшенням абсо­лютного значення керуючої напруги кут відпирання симистора VD1 зменшується. СІФК керується сумою напруг із потенціометра уставки R13 і з виходу підсилювача D1 відхилення регульованого параметра. Відхилення регульованого параметра формується у діагоналі вимірю­вального мосту, складеного з резисторів R3—R6 і фоторезистора R2. Балансування мосту здійснюється потенціометром R4 при середньому положенні прапорця П, що відповідає заданому діаметру зварюваної трубки. При зміні висоти грата або діаметра трубки прапорець пере­криває світловий потік від освітлювальної лампи Л1, баланс мосту по­рушується і СІФК змінює режим роботи генераторної лампи VГ.

Конструктивно CAP складається з трьох блоків. До першого вхо­дять: СІФК, симистор VD1, баластний опір R₆ і керований дросель DK. Цей блок розміщено в апаратній шафі високочастотного генера­тора. Блок датчика з освітлювальною лампою Л1 і фоторезистором R2 закріплено на станині зварювальної кліті, прапорець П з'єднаний із консоллю підпружиненого валка. Решта елементів схеми входить до третього блоку, встановленого у пульт оператора. Балансування вимі­рювального мосту контролюється мікроамперметром, виведеним на ли­цьову панель третього блоку, і здійснюється під час вимикання тумбле­ра S1. За показниками мікроамперметра оператор контролює роботу CAP у процесі зварювання. Під час налагоджування режиму зварюван­ня тумблер S1 вимикають, встановлюють потенціометр R13 уставки в середнє положення і в процесі зварювання вибирають автотрансформа­тором ТА потрібну для зварювання трубки заданого діаметра потуж­ність генератора. Після перевірки і корекції балансування вимірюваль­ного мосту вмикають тумблер S1 — тим самим замикається зворотний зв'язок за відхиленням діаметра звареної трубки.