Автоматизация сварочных процессов

Рис. 2.2. Вольт-амперная характеристика сварочной дуги

Вольт-амперная характеристика источника питания, подключенного к сварочной дуге, приведена на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Вольт-амперные характеристики дуги и источника питания, подключенного к дуге

Рабочая точка на этой характеристике – точка В. В этой точке выполняется условие устойчивости горения дуги:

мическое сопротивление источника питания.

Условие (2.1) получено из анализа устойчивости процесса горения дуги с использованием критерия А. Гурвица.

21

Передаточная функция системы «источник питания – дуга» имеет следующий вид:

где Т – постоянная времени сварочной цепи; p – комплексная переменная.

Таким образом, процесс является инерционным, т.е. при скачкообразном изменении напряжения на дуге ток изменяется по экспоненте.

Если для упрощения рассматривать процесс сварки под флюсом или дуговую сварку при средних плотностях тока, то

характеристику дуги можно считать горизонтальной, т.е. ∂Uд /

∂Iд = 0.

Тогда Ky-1 = ∂Iд/∂Uд = Kп.с – коэффициент питающей системы (тангенс угла наклона вольт-амперной характеристики источника питания к оси ординат). Коэффициент питающей системы имеет знак «–» для падающей внешней характеристики источника питания. При этом передаточная функция имеет вид

Для анализа особенностей технологического процесса дуговой сварки как объекта регулирования рассмотрим обобщенную схему сварочного процесса (рис. 2.4).

Сварочный контур при дуговой сварке включает в себя источник питания, дугу и сварочную ванну.

Все элементы контура с учетом функциональной связи между ними образуют двухконтурную электрогидродинамическую систему. Воздействие на систему любого из указанных возмущений вызывает изменение параметров во всех элементах контура.

Обеспечение условий стабильного горения дуги в этой системе является одним из основных условий протекания процесса сварки в требуемом режиме. При этом под стабильным горением дуги понимается возможность ее горения в условиях действия на нее возмущений.

22

Рис. 2.4. Схема сварочного контура при дуговой сварке: Fи.п , Fд и F0 – возмущения, воздействующие

на источник питания, дугу и сварочную ванну соответственно

Рассмотренное ранее условие

является необходимым, но недостаточным условием стабильности горения дуги в реальных условиях сварки.

Существенное влияние на процесс сварки могут оказывать следующие возмущения.

1. В контуре I:

а) изменения длины дуги, вызываемые неровностями на поверхности изделия, капельным переносом металла и другими причинами;

б) изменения «вылета» электрода вследствие возможных колебаний расстояния между токоподводящим мундштуком и изделием;

в) изменения напряжения холостого хода источника питания и сопротивления сварочной цепи, вызываемые колебаниями напряжения сети, нагревом обмоток, нестабильностью контактов и другими причинами;

23

г) изменение момента на валу двигателя подачи электрода или двигателя перемещения сварочного автомата вдоль стыка, что приводит к изменению скорости подачи электродной проволоки или скорости сварки

2. В контуре II:

д) изменения геометрии сборки стыка под сварку, зазора, угла разделки кромок;

е) структурная и химическая неоднородность свариваемого металла;

ж) изменения толщины свариваемого металла по длине стыка;

з) изменения состояния свариваемой поверхности металла (наличие на поверхности окисных пленок, масла и других вредных покрытий);

и) эрозия и изменения химического состава электрода в процессе сварки;

к) смещение электрода и стыка друг относительно друга. Перечисленные возмущения, вызывая отклонения от номина-

ла основных параметров режима (тока, напряжения, скорости сварки), изменяют условия ввода тепла в зону стыка. При этом появляются дефекты, такие как непровары, подрезы, наплывы и т.д.

Изменение силы сварочного тока влияет на глубину и форму провара, долю основного металла в металле шва, на усиление в шве.

В ряде случаев это вызывает также изменения и в химическом составе шва, а следовательно, и в его механических свойствах.

Изменение напряжения на дуге влияет на ширину шва, особенно на угловых швах, а при сварке стыковых соединений приводит к изменениям формы шва, что вызывает непровар кромок и образование наплывов металла.

Непостоянство скорости сварки вызывает изменение погонной энергии дуги, формы шва, глубины проплавления. При значительных изменениях скорости сварки вследствие гидроди-

24

намических явлений в сварочной ванне возможно образование пор и подрезов в сварном шве.

Таким образом, качественное сварное соединение в условиях действия возмущений можно получить только при условии принудительной стабилизации параметров режима в процессе сварки.

2.1.2. Саморегулирование дуги с плавящимся электродом

Особенностью электрических дуг при сварке плавящимся электродом является присущее им свойство самовыравнивания энергетического состояния в условиях возмущающих воздействий. Это явление называется саморегулированием дуги.

Процесс саморегулирования электрической сварочной дуги широко используется в оборудовании для механизированной сварки плавящимся электродом и позволяет без применения специальных систем автоматического регулирования обеспечить достаточно стабильное формирование сварного шва при воздействии на процесс сварки различных возмущений.

Упрощенная принципиальная схема сварочного оборудования системы саморегулирования дуги представлена на рис. 2.5. Схема содержит источник питания сварочной дуги и устройство подачи электродной проволоки, состоящее из двигателя, редуктора и подающих роликов.

Процесс саморегулирования сварочной дуги заключается в следующем.

Любое отклонение длины дуги вызывает в соответствии с ее регулировочной характеристикой (рис. 2.6) изменение напряжения на дуге.

В свою очередь, изменение напряжения при полого падающей характеристике источника питания приводит к значительному отклонению тока дуги.

25

Рис. 2.5. Упрощенная схема системы саморегулирования сварочной дуги

Это вызывает пропорциональное изменение скорости плавления электрода, в результате чего при постоянной скорости подачи электрода длина дуги достигает заданного значения.

Рис. 2.6. Регулировочная характеристика дуги

Изменение напряжения на дуге при падающей характеристике источника питания противоположно изменению тока. Но так как оно оказывает и противоположное влияние на скорость плавления электрода, то в результате этого процесс саморегулирования ускоряется.

Количественную оценку процесса саморегулирования сварочной дуги можно дать путем сопоставления характеристики

26

источника питания и статической (регулировочной) характеристики устойчивого горения дуги в системе саморегулирования.

Аналитическое выражение для характеристики устойчивого горения дуги в системе саморегулирования можно найти, решая совместно уравнения плавления электрода и скорости подачи электрода

где Vпл – скорость плавления электрода; Vп – скорость подачи электрода; kс.т – коэффициент саморегулирования по току дуги; kс.н – коэффициент саморегулирования по напряжению на дуге.

В установившемся режиме сварки скорость плавления рав-

где Iз – значение задающего параметра тока, который имел бы место, если бы скорость плавления зависела только от тока дуги.

Выражение (2.8) представляет собой уравнение статической характеристики устойчивого горения дуги при заданной скорости подачи электрода. Каждому значению Vп соответствует вполне определенная характеристика устойчивого горения дуги (рис. 2.7).

27

Рис. 2.7. Статистические характеристики устойчивого горения дуги в системе саморегулирования

Участок характеристики, отмеченный штриховой линией, соответствует физически не реализуемым режимам горения дуги из-за низкого напряжения.

Эта характеристика является геометрическим местом точек возможных режимов сварки при действии системы саморегулирования дуги. Наклон характеристики вызван влиянием напряжения дуги на скорость плавления электрода. Режим сварки определяется точкой А пересечения характеристик источника питания и дуги.

Рассмотрим теперь отработку системой саморегулирования возмущения по длине дуги. Если по какой-либо причине дуга удлинилась, напряжение ее возрастает и режим дуги определяется точкой Б. Это приводит к уменьшению тока дуги и соответственному уменьшению скорости плавления электрода. При этом скорость плавления Vпл будет меньше скорости подачи электрода Vп, что при постоянной скорости подачи (Vп = const) вызовет уменьшение длины дуги до заданного значения. Таким образом, согласно принципу саморегулирования режим сварки возвратится из точки Б в точку А, где Vп = Vпл. Причем с уменьшением наклона характеристики источника питания отработка этого возмущения происходит интенсивней.

28

При случайном укорочении дуги (точка В) возрастание тока сопровождается увеличением скорости плавления, приводящим к восстановлению исходного режима.

Рассмотрим работу системы саморегулирования при действии возмущения по скорости подачи электрода. Это возмущение может быть вызвано изменением сопротивления на валу электродвигателя подачи электродной проволоки или сваркой по наклонной поверхности.

В этом случае скорость подачи электрода определяется выражением

где Vп.з – заданная скорость подачи электрода; [Vп ] – возмуще-

ние по скорости подачи.

Решая уравнение (2.10), получим

т.е. при данном возмущении регулировочная характеристика системы перемещается параллельно себе на величину [Vп ] / kс.т

(рис. 2.8).

Рис. 2.8. Отработка системой саморегулирования возмущения по скорости подачи электрода

29

Величину статических ошибок по току ∆ Iд и напряжению ∆Uд можно определить из треугольника (1,2,3), считая, что на участке 1–2 вольт-амперная характеристика источника питания прямолинейна:

kп.сkс.т + kс.н

где kп.с = dI / dU – коэффициент питающей системы, определя-

ющий наклон вольт-амперной характеристики источника питания.

Как видно из выражения (2.13), величина статической ошибки по напряжению уменьшается с уменьшением наклона характеристики источника питания.

Рассмотрим теперь влияние возмущений по напряжению питающей сети на работу системы саморегулирования. Измене-

ние напряжения питающей сети [Uс ] приводит к уменьшению

напряжения холостого хода источника питания, и его характеристика перемещается почти эквидистантно самой себе (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Отработка системой саморегулирования возмущения по напряжению питающей сети

30