2.5.2. Системы автоматического регулирования длины дуги при сварке неплавящимся электродом

При сварке неплавящимся электродом отсутствует самовыравнивание энергетического состояния дуги. Следствием этого является зависимость напряжения и тока дуги от ее длины. Устранение ошибок U_dl и I_dl достигается с помощью САР длины дуги. Основной источник информации о длине дуги — ее напряжение. Использование обратной связи по напряжению дуги позволяет построить замкнутую САР, которую называют системой АРНД с неплавящимся электродом.

В контуре с неплавящимся электродом напряжение дуги связано определенной функциональной зависимостью с длиной дуги:

где U_Д – напряжение дуги, В; L_Д – длина дуги, мм; I_СВ – сварочный ток, А; a, b, c, d – коэффициенты, учитывающие геометрические и физические особенности дуги и имеющие соответственно размерность В; В/мм; В*А; В*А/мм.

АРНД представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования с воздействием на пространственное положение электрода относительно поверхности изделия.

Функциональная схема системы АРНД (рис. 2.9) состоит из сварочного контура источник питания – дуга – сварочная ванна и внешнего регулятора. В регулятор входит суммирующий элемент 1, в котором текущее напряжение дуги U_Д сравнивается с эталонным напряжением U_Э. Разность ΔU_Д = U_Э – U_Д усиливается в блоках 2 и 3 по напряжению и мощности. Усиленный по мощности сигнал питает исполнительный двигатель 4, который через редуктор 5 обеспечивает вертикальное перемещение сварочной горелки 6 до устранения рассогласования между U_Д и U_Э, т.е. до ΔU_Д = 0. Для лучшего демпфирования системы в ней используется скоростная обратная связь, реализованная на тахогенераторе 7.

Структурная схема (рис. 2.10) системы АРНД представляет собой математическую модель системы, заданную передаточными функциями. Она состоит из модели сварочного контура с передаточными функциями дуги W_Д, источника питания W_И и сварочной ванны W₀, математической модели регулятора с передаточными функциями усилителей сигнала рассогласования I и II, исполнительного двигателя III, редуктора IV, корректирующей обратной связи V.

Рис. 2.9. Функциональная АРНД при дуговой сварке неплавящимся электродом.

Рис. 2.10. Структурная схема системы АРНД.

Выходные координаты системы х₁, х₂, …, х_n – это геометрические параметры сварочной ванны (шва). Возмущение по длине дуги приводится к возмущению по напряжению дуги через градиент столба дуги К_Д (В/мм). Сигналом обратной связи является рассогласование ΔU_Д = U_Д – U_Э, регулирующим воздействием – перемещение Δl_P сварочной горелки, которое является функцией сигнала рассогласования ΔU_Д.

2.5.3. Системы автоматического регулирования вылета (арв) электрода

В случае плавящегося электрода системы с постоянной скоростью подачи, а также системы АРНД не отрабатывают возмущений по вылету электрода. В то же время при автоматической сварке вылет электрода – один из важнейших параметров режима, от его величины зависят: энергетические характеристики, стабильность и характер переноса электродного металла.

Основное влияние вылета на энергетические характеристики сварочного контура состоит в том, что изменения вылета сопровождается перераспределением мощностей между анодом (обратная полярность) и вылетом так, что сумма их остается примерно постоянной.

Мощность, необходимая для плавления электрода:

Р_э = Р_в + Р_д = const;

Р_в = I²_д R_в; Р_д = U_дI_д,

Тогда, при увеличении вылета ток дуги уменьшится.

Простейшим решением по стабилизации вылета является механическая система с плавающей сварочной головкой, опирающейся посредством копирных роликов или щупа непосредственно на свариваемое изделие. Чтобы повысить чувствительность копирующих устройств, их снабжают измерительными преобразователями (например, потенциометрическими), преобразующими перемещения элемента в электрический сигнал.

При многопроходной сварке в случаях, когда высоту каждого укладываемого в разделку валика можно с определенной точностью установить заранее, применяют систему программного регулирования вылета. Она содержит электромеханическое программное устройство, обеспечивающее подъем сварочной головки на заранее установленную величину по мере заполнения разделки.

Общая особенность рассмотренных систем – отсутствие обратных связей по фактическому значению вылета электрода и электрическим параметрам дуги. Поэтому эти системы нечувствительны к изменениям вылета вследствие колебаний напряжения дуги, скорости плавления электрода и т.д.

Основная трудность при разработке замкнутых систем автоматического регулирования вылета электрода – получение информации о величине вылета.

Система АРВ с фотоэлектрическим датчиком (рис.2.11). В поле зрения фотодатчика располагается переходная область между концом плавящегося электрода и столбом дуги. Световой поток от этой области преобразуется датчиком в электрический сигнал U_д, который сравнивается в сравнивающем устройстве СУ с эталонным сигналом U₀ . При изменении расстояния между токоподводом и изделием будет изменяться (вследствие саморегулирования длины дуги) длина не расплавившейся части электрода, а световой поток будет уменьшаться (при увеличении вылета) либо возрастать (при уменьшении вылета).

Рис. 2.11. Система АРВ электрод с фотоэлектрическим датчиком.

Сигнал рассогласования, выделенный в СУ, после усилителя УП используется для управления двигателем М. Последний осуществляет подъем или опускание токоподводящего мундштука вместе с закрепленным на нем датчиком до тех пор, пока в поле зрения датчика вновь не окажется переходная зона «электрод—дуга». Точность такой системы --  0,25 мм.