Автоматизация сварочных процессов

2.2.Автоматизация управления контактной сваркой

2.2.1.Характеристика объекта автоматического управления при контактной точечной (шовной) сварке

Объект автоматического управления при контактной сварке– технологической процесс, который характеризуется электрическими и тепловыми полями, а также пластическими деформациями в зоне сварки.

Управляющие и возмущающие воздействия, определяющие формирование сварного соединения, прикладываются к сварочной машине и непосредственно к зоне сварки. Основные параметры процесса точечной (шовной) сварки: сварочный ток Iсв; время сварки tсв, а для шовной сварки время импульса tи и время паузы tп между импульсами сварочного тока; усилие сжатия электродов Fсж; размеры рабочей поверхности электродов и роликов; для шовной сварки режим характеризуется скоростью перемещения Vсв свариваемых деталей.

Обеспечение необходимого уровня показателей качества сварных соединений и прежде всего их прочности требует задания и поддержания установленных значений большинства параметров сварочного режима с точностью не менее ±5 %. Так, снижение тока сварки на 10 % может привести к уменьшению диаметра ядра и, соответственно, прочности соединений при сварке сталей на 20…25 % от номинального значения. Такие параметры, как сварочное и ковочное усилия сжатия электродов, допускают изменение в пределах 10…15 % от номинальных значений без существенного ухудшения качества сварных соединений.

Сварочный ток Iсв – один из основных параметров, определяющий режим сварки и качество сварного шва. Способ амплитудного задания и регулирования Iсв заключается в изменении его действующего значения при переключении ступеней сварочного трансформатора. Наибольшее распространение полу-

51

чил способ фазового регулирования действующего значения тока при изменении фазы включения тиристорного контактора.

Время сварки tсв в сварочных машинах переменного тока задается при включении тиристорного контактора на требуемое время, кратное числу периодов питающей сети.

Усилие сжатия Fсж электродов при механическом приводе задается системами рычагов, а при пневматическом и гидравлическом приводах регулируется редукторами давления. Если машина имеет электромагнитный привод сжатия, то Fсж определяется током в обмотке электромагнита. С позиций автоматизации наиболее удобным является электромагнитный привод, применяемый только для машин малой мощности.

На сварочную машину действуют следующие возмущения:

–колебания напряжения питающей сети;

–изменение сопротивления контура машины;

–изменение усилия сжатия электродов вследствие изменения давления в воздушной сети;

–изменение геометрических размеров поверхности электродов (диаметра электрода при точечной сварке и ширины ролика при шовной сварке);

–изменение скорости при шовной сварке.

К возмущениям, действующим непосредственно на сварное соединение, относятся:

–изменение толщины или других размеров свариваемых деталей;

–изменение сопротивления контакта деталь-деталь вследствие наличия различных оксидных пленок и окалины;

–шунтирование сварочного тока ранее сваренными точками в зависимости от величины шага между ними или случайными контактами вследствие неровности свариваемых листов.

Возмущения, оказывая различное влияние на отдельные этапы процесса сварки, параметры режима и работу сварочной машины, приводят к нарушению условий образования сварного соединения и ухудшению его качества.

52

Колебание напряжения питающей сети – возмущение,

действующее на сварочную машину. В соответствии с законом Джоуля–Ленца количество тепла Q , выделяемое при контакт-

ной точечной (шовной) сварке,

где r(t) – сопротивление зоны сварки; k – коэффициент пропорциональности; Uэл – величина межэлектродного напряжения, изменение которой непосредственно связано с колебаниями сетевого напряжения.

Наиболее опасным является уменьшение напряжения питания, приводящее к непровару и соответствующей потере прочности сварной точки. При повышении напряжения могут возникать выплески жидкого металла, прожоги и т.п.

Изменение сопротивления вторичного контура сварочной машины (активного и индуктивного) в процессе сварки приводит к изменению сварочного тока и выделяющейся в зоне сварки энергии, что влияет на качество сварки. Изменение активного сопротивления обусловлено нагревом и износом токоведущих частей сварочного контура, ослаблением или окислением контактов, прежде всего в местах болтовых соединений, а также скользящих контактов в шовных машинах.

При введении в контур машины значительных ферромагнитных масс увеличивается индуктивное и активное, а следовательно, и полное сопротивление контура. Это объясняется увеличением активных потерь на гистерезис и вихревые токи. Особенно значительное увеличение сопротивления контура и, следовательно, уменьшение тока наблюдается при сварке изделий, которые надевают на хобот машины, например при сварке обечаек из ферромагнитных материалов. Изменение активного и индуктивного сопротивлений контактных машин – одно из наиболее опасных возмущающих воздействий, часто встречающихся в производственных условиях.

53

Изменение усилия сжатия электродов в сварочных маши-

нах, имеющих пневматический и пневмогидравлический привод сжатия, зависит от колебаний давления в пневмосистеме и влияет на сопротивление свариваемых деталей и на пластическую деформацию металла в зоне сварки. При повышении давления увеличивается площадь соприкосновения электрода с деталью, что влечет за собой уменьшение плотности тока и приводит к непровару. Снижение давления сопровождается увеличением сопротивления зоны сварки и, как следствие, повышением вероятности появления выплесков и разбросом прочностных свойств соединения.

Существенным возмущающим воздействием, влияющим на усилие сжатия электродов, является изменение силы трения в подвижных частях привода сжатия вследствие износа механизмов при отсутствии профилактики и ремонта. Чаще всего это приводит к уменьшению усилия сжатия на электродах.

Изменение геометрических размеров рабочей поверхности электродов происходит вследствие естественного износа электродов. Степень износа зависит от многих факторов: режима сварки; свариваемого материала; чистоты его поверхности; интенсивности охлаждения; стойкости материала, из которого изготовлены электроды и т.п. В результате износа электродов увеличивается площадь контактной поверхности, уменьшаются плотность тока и размеры литого ядра, что приводит к непровару.

Изменение сопротивления свариваемых деталей вследствие отклонений в условиях обработки их поверхностей может происходить от образца к образцу и от одной партии изделий к другой. Особенно это заметно на материалах, покрытых окалиной или оксидными пленками, которые не удаляются перед сваркой. Сопротивление свариваемых деталей может изменяться также вследствие изменения толщины листов или диаметра круглых заготовок, например прутков или проволоки. Разброс значений сопротивления деталей приводит к изменению тепловыделения

54

в зоне сварки и, как следствие, значительному разбросу прочностных характеристик сварных швов.

Шунтирование сварочного тока наблюдается прежде всего при последовательной постановке точек. В этих условиях величина тока, протекающего через свариваемую точку, может изменяться вследствие ответвления некоторой части тока через ранее сваренные точки. Кроме того, ответвление тока может происходить через контакты, образуемые, например, неровностями поверхности свариваемых листов.

Суммарное значение тока во вторичном контуре изменяется вследствие шунтирования незначительно, однако сварочный ток, протекающий непосредственно через свариваемую точку, может снижаться до недопустимого уровня. С увеличением толщины деталей и уменьшением отношения шага точек к их диаметру степень шунтирования возрастает.

Анализ основных возмущений при точечной (шовной) сварке показывает, что качество сварки и ее основной показатель – прочность сварного шва – могут значительно снизиться при действии возмущений на сварочную машину и зону сварки. При относительно малом значении отдельных возмущений одновременное воздействие на объект в случае их неблагоприятного сочетания также может привести к недопустимому снижению качества сварки. Этим можно объяснить периодическое появление дефектных соединений даже при строгом соблюдении технологии сварки.

Степень влияния и вероятность проявления рассмотренных возмущений различны и могут по-разному отражаться на качестве сварных соединений в зависимости от условий сварки, строгости соблюдения технологической дисциплины, степени износа оборудования и т.п. Так, наиболее часто встречающимся и трудно устраняемым возмущением является колебание напряжения сети, в то время как изменения сопротивления сварочного контура при надлежащей эксплуатации оборудования и

55

при сварке немагнитных материалов могут быть практически устранены.

Для предупреждения вредного влияния возмущений на качество сварных соединений широко применяют методы и устройства автоматического регулирования. Основная задача регуляторов – стабилизация параметров режима сварки либо их изменение по программе, обеспечивающей протекание процесса в оптимальных условиях.

Создание систем автоматического регулирования точечной и шовной сварки связано с некоторыми трудностями, главная из которых – невозможность непосредственного измерения в процессе сварки основного показателя качества – диаметра ядра точки. Кроме того, трудности возникают из-за особенностей процесса сварки: кратковременности и прерывистого характера сварочного процесса; высоких энергетических параметров оборудования; сильных помех, создаваемых мощными электромагнитными полями сварочного контура.

Быстродействие – важнейшее требование к регуляторам процессов контактной сварки, поскольку в течение короткого промежутка времени (порядка 10–2 с) должны быть осуществлены операции изменения регулируемой величины, сравнения ее с заданным значением и выработки управляющего воздействия.

2.2.2. Автоматическое регулирование процессов точечной и шовной сварки

Системы автоматического регулирования процессов точечной и шовной сварки должны обеспечивать стабилизацию или программное изменение параметров процесса сварки. При этом одной из основных задач является выбор параметра регулирования.

Несмотря на то, что ни один из отдельно взятых параметров не может полностью характеризовать процесс сварки, в ряде случаев применение систем автоматического регулирования по

56

некоторым параметрам позволяет обеспечить заданное качество сварки.

К первой группе относятся электрические параметры: сварочный ток, падение напряжения на электродах сварочной машины, мощность, энергия, сопротивление участка цепи между электродами.

Ко второй группе относятся физические параметры, характеризующие процесс формирования сварного соединения: температура, интенсивность инфракрасного излучения, перемещение электродов под действием теплового расширения.

Автоматическое регулирование сварочного тока. В маши-

нах для контактной сварки наибольшее применение получила схема питания переменным током промышленной частоты. При этом ток измеряют специальными измерительными преобразователями, в качестве которых используют шунты, трансформаторы тока, датчики Холла.

Значение сигнала с датчика в процессе сварки сравнивается с эталонным, а полученный сигнал ошибки используется для управления фазовращателем, устанавливающим такой угол включения тиристоров, при котором среднее значение сварочного тока равно заданному.

Применение регуляторов тока позволяет устранить влияние на качество сварки колебаний напряжения питающей сети, изменения сопротивления контура сварочной машины вследствие его нагрева или внесения ферромагнитных масс.

Регуляторы напряжения. В регуляторах напряжения на вход измерительного устройства подается напряжение, снимаемое с электродов сварочной машины. Измерение напряжения между электродами связано с определенными трудностями, заключающимися в том, что абсолютное значение напряжения обычно невелико – не превышает 0,5…1,5 В. В то же время на измерительную цепь действуют наводки от прохождения сварочного тока, которые складываются с измеряемым напряжением и вносят определенную погрешность. Для устранения этих

57

погрешностей используются специальные методы компенсации, что позволяет в определенных пределах уменьшить погрешность измерения напряжения на электродах сварочной машины. В остальном принцип действия регулятора напряжения аналогичен принципу работы регулятора тока.

Регуляторы мощности и энергии. Выходное напряжение измерительного узла регулятора мощности должно быть пропорционально произведению сварочного тока Iсв на падение напряжения между электродами Uэл:

P = IсвUэл .

Особенность регулятора – наличие устройства для перемножения напряжений, пропорциональных Iсв и Uэл. В регуляторах энергии множительное устройство обеспечивает перемно-

жение трех величин: Iсв, Uэл, tсв.

Дальнейшее использование сигналов, пропорциональных мощности или энергии, осуществляется так же, как и в регуляторах тока и напряжения.

Стабилизация мощности или энергии позволяет исключить влияние многих возмущений, включая износ электродов.

Регуляторы температуры и инфракрасного излучения при-

электродной области. Температурное поле в зоне сварки – одна из основных характеристик процесса, определяющая качество сварки. В настоящее время отсутствуют технические средства для измерения температуры непосредственно в ядре свариваемой точки, поэтому в качестве регулируемой величины используют температуру приэлектродной области. Температуру измеряют термопарой, которую помещают в электрод сварочной машины так, чтобы она касалась поверхности свариваемого материала.

Косвенное измерение температуры можно осуществить бесконтактным способом на основе использования датчиков инфракрасного излучения, устанавливаемых таким образом, чтобы в их поле зрения располагалась приэлектродная область.

58

Стабилизаторы температуры приэлектродной области и ее излучения позволяют компенсировать влияние многих возмущений, поскольку в этих случаях регулируемые величины непосредственно связаны с качественным показателем процесса – температурным полем. Недостаток этих регуляторов – зависимость показаний датчиков от степени загрязнения поверхности свариваемых деталей.

Регуляторы перемещения электродов под действием теп-

лового расширения металла. В процессе точечной сварки в результате нагрева и последующего расплавления металла под электродами происходит местное увеличение толщины свариваемых деталей. Металл в зоне сварки расширяется, и происходит раздвижение электродов сварочной машины. Этот эффект используется в качестве показателя, характеризующего размер сварной точки. Между величиной перемещения электродов и объемом расплавленного металла существует взаимосвязь, которая используется при построении автоматических регуляторов. Приращение линейного размера свариваемых деталей при сварке составляет 8…10 % от их суммарной толщины.

Расширение деталей вызывает перемещение электрододержателя вместе с подвижной частью сварочной машины. Величина этого перемещения измеряется датчиком, жестко связанным с неподвижной частью сварочной машины. Подвижный элемент датчика связывается с электрододержателем. В процессе сварки этот электрододержатель под действием сил теплового расширения перемещается вверх на величину ∆h. Величина сигнала с датчика перемещения сравнивается с заданной, и сигнал рассогласования используется в автоматическом регуляторе для управления временем протекания сварочного тока.

В некоторых случаях интерес представляет измерение не только перемещения ∆h, но и скорости его изменения dh/dt, поскольку эта величина характеризует скорость нагрева. Для этого сигнал с выхода датчика дифференцируется и подается в узел сравнения. Если под действием возмущений скорость нагрева выходит за установленные пределы, то сигнал рассогласования

59

изменяет величину сварочного тока так, чтобы обеспечить оптимальный размер ядра точки.

Использование регуляторов перемещения электродов позволяет компенсировать влияние основных возмущений на качество сварного соединения. Основной их недостаток – невозможность работы при выплесках металла, а также зависимость их точности от стабильности сил трения подвижной части машины.

Регуляторы сопротивления. В процессе сварки электрическое сопротивление участка цепи между электродами (зоны сварки) изменяется по сложному закону, причем к концу сварки его величина Rк меньше, чем в начале. Кроме того, для малоуглеродистых сталей кривая сопротивления имеет максимум Rмакс, смещенный ближе к началу нагрева. По величине конечного сопротивления или по его относительному изменению Rот

= =(Rмакс – Rк)/Rср, где Rср – среднее сопротивление за время сварки, можно судить о размерах сварной точки.

В некоторых регуляторах для увеличения помехозащищенности в качестве параметра регулирования используется интегральное значение сопротивления.

Поскольку непосредственное измерение сопротивления в процессе сварки представляет значительные трудности, используют косвенный метод, при котором отдельно измеряют падение напряжения между электродами и сварочный ток, а затем делят первое на второе, в результате чего формируется сигнал, пропорциональный величине сопротивления зоны сварки. Этот сигнал используется для управления фазовращателем и тиристорным контактором.

2.2.3. Контактная стыковая сварка как объект управления и задачи ее автоматизации

При сварке сопротивлением ток проходит через плотно сжатые детали в месте будущего сварного соединения. В каждом элементарном объеме металла выделяется теплота, количество которой пропорционально квадрату плотности тока, удельному сопротивлению металла и времени протекания тока. При сварке оплавлением детали плотно не сжимаются, а лишь дово-

60