Автоматизация сварочных процессов

дятся до соприкосновения. Благодаря большой плотности тока в местах соприкосновения металл быстро нагревается, элементарные контакты между деталями превращаются в жидкие перемычки, которые под действием электродинамических сил или в результате перегрева разрушаются. Необходимый для сварки разогрев деталей обеспечивается путем перемещения деталей навстречу друг другу таким образом, чтобы процесс возникновения и разрушения элементарных контактов был непрерывным.

Рассмотрим стыковую сварку оплавлением. В начале сварки в контакт вступают твердые поверхности деталей, и площадь их соприкосновения невелика. Затем поверхность их соприкосновения резко увеличивается из-за непрерывного относительно движения деталей и пластической деформации контактирующих неровностей.

Во время оплавления образование элементарных контактов не подчинено какому-то определенному закону. Количество и размеры одновременно существующих контактов могут колебаться при оплавлении в широких пределах.

Оплавление считают устойчивым, если оно не превращается в короткое замыкание. Однако при постоянной или плавно нарастающей скорости подачи деталей оплавление периодически прерывается. Такой процесс также считают устойчивым, поскольку после кратковременных разрывов сварочной цепи возобновляется оплавление, не переходящее в неустранимое короткое замыкание.

Для получения требуемой зоны разогрева металла во время оплавления необязательно стремиться к тому, чтобы процесс оплавления был непрерывным. Достаточно, чтобы он был устойчивым. Большая часть машин для стыковой сварки работает с постоянной или плавно нарастающей скоростью подачи одной из оплавляемых деталей. Оплавление в данном случае будет устойчивым, если созданы условия для саморегулирования этого процесса.

61

Рассмотрим сущность саморегулирования процесса оплавления при контактной сварке.

Полезная мощность сварочной машины зависит от проводимости оплавляемого сварочного контакта, сопротивления короткого замыкания, включающего в себя сопротивления проводящих частей свариваемых деталей, и напряжения на вторичной обмотке трансформатора:

где U2 – напряжение на вторичной обмотке сварочного трансформатора; I – сила сварочного тока; χ – коэффициент искажения сварочного тока (для синусоидального тока χ = 1); ϕ – сдвиг фаз между напряжением и первой гармоникой тока; Rк.з – сопротивление короткого замыкания.

Из приведенной формулы видно, что полезная мощность сварочной машины Pк максимальна для синусоидального тока, когда χ = 1. Этого предела система достигает при переходе оплавления к короткому замыканию, так как при коротком замыкании коэффициент искажения сварочного тока близок к единице.

Зависимость полезной мощности Рк от проводимости сварочного контакта Gк приведена на рис. 2.24.

62

Рис. 2.24. Зависимость полезной мощности контактной сварочной машины от проводимости сварочного контакта

Допустим, что заданной скорости оплавления и определенному тепловому состоянию деталей должна соответствовать мощность Pк0 , которой, в свою очередь, соответствует прово-

димость Gк0 . Если по каким -то причинам в рассматриваемый

момент времени проводимость изменилась на величину Gк, то соответственно изменяется и мощность:

∆Pк = m ∆Gк ,

где m – коэффициент пропорциональности.

Увеличение мощности приводит к ускорению нагрева, разрушению элементарных контактов и, как следствие, к изменению проводимости контакта. При небольшом изменении проводимости имеет место соотношение

d ∆dGt к = k ∆Pк ,

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от многих факторов (рельефа оплавляемой поверхности, температуры и др.).

Из приведенных соотношений вытекает, что d ∆dGt к = k m ∆Gк ,

откуда

∆Gк =C exp(−k mt) ,

где С – постоянная интегрирования.

Из этого выражения следует, что оплавление при заданной скорости подачи детали может быть устойчивым при условии 1 > 0, так как при t → ∞ ∆Gк → 0. Коэффициент k всегда положителен. Следовательно, условие устойчивости m > 0. Это условие свидетельствует о том, что оплавление устойчиво, если увеличению проводимости сварочного контакта соответствует

63

повышение мощности. Поэтому зона устойчивого оплавления находится слева от максимума кривой Рк = f(Gк), а зона, в которой оплавление не может существовать длительно, – справа от максимума.

Таким образом, условия саморегулирования процесса оплавления металла выполняются только левее максимума рассмотренной кривой.

По результатам исследования установлено также, что устойчивость оплавления возрастает по мере снижения сопротивления короткого замыкания сварочной машины (так как при этом увеличивается коэффициент m в рабочей точке) и увеличения напряжения на свариваемых деталях.

При контактной сварке деталей больших сечений эффективно применение регуляторов напряжения. С их помощью легко обеспечить кратковременное повышение напряжения в периоды, когда оплавление протекает неустойчиво, т.е. предотвратить короткое замыкание цепи.

Хорошие результаты при регулировании оплавления дает применение импульсного режима движения детали. При этом способе на основное поступательное движение детали, которое совершает подвижный зажим сварочной машины, накладывается дополнительное колебательное движение с частотой в несколько десятков Гц. В этом случае про исходит периодическое уменьшение зазора между деталями и механическое разрушение контактов.

Для увеличения устойчивости процесса оплавления применяется также нелинейный закон сближения деталей (например, параболический). При этом скорость сближения мала в начале процесса и резко повышается в конце процесса.

Рассмотренная физическая сущность процессов в объекте регулирования при контактной сварке позволяет конкретизировать регулируемые и регулирующие переменные, используемые в дальнейшем в системах автоматического регулирования в качестве задающих и управляющих воздействий.

64

При стыковой сварке оплавлением оценочным параметром качества процесса можно считать частоту разрыва жидких перемычек сварочного контакта. Стабильность частоты разрыва перемычек в зоне контакта является необходимым и достаточным условием устойчивости оплавления. В момент разрыва перемычки в контакте наблюдаются пульсации сварочного тока. Поэтому, измеряя пульсации сварочного тока, можно получить информацию о качестве процесса оплавления сварочного контакта. При этом способе не исключается также контроль за качеством оплавления по температуре вблизи зоны контакта, по полному сопротивлению между электродами и по напряжению между электродами. Основными регулирующими параметрами процесса являются: непрерывное, импульсное или колебательное перемещение подвижной детали, напряжение между электродами, комбинация обоих параметров.

2.3. Автоматизация управления электронно-лучевой сваркой

2.3.1. Характеристика объекта управления при электронно-лучевой сварке

Процесс образования сварного шва как объект автоматического управления при электронно-лучевой сварке характеризуется выходными переменными – показателями качества процесса сварки и шва и возмущающими воздействиями.

Для контроля качества электронно-лучевой сварки используют прямые показатели качества – геометрические размеры и сплошность сварного шва, его расположение относительно поверхности сопряжения свариваемых деталей. Вариации параметров режима сварки наиболее четко отражаются в изменении геометрических характеристик шва. Кроме того, механические характеристики шва и вероятность появления в нем дефектов находятся в определенной связи с формой поперечного сечения

65

шва. Поэтому при оценке качества швов прежде всего определяются глубина и ширина проплавления.

Для того чтобы контролировать и автоматически регулировать качество сварки, используют параметры различных физических процессов, сопровождающих электронно-лучевую сварку: ток эмиссии и ионный ток из области сварки, ток через свариваемую деталь, тепловое, ультрафиолетовое и рентгеновское излучения из области сварки, сквозной ток через свариваемую деталь и др.

К управляющим воздействиям относятся: ускоряющее напряжение, ток электронного луча, угол сходимости луча, его радиус и расстояние от поверхности детали до наименьшего сечения (фокуса) луча, скорость сварки. Угол сходимости луча, его радиус и расстояние от поверхности детали до фокуса луча регулируются изменением тока фокусирующей катушки электронной пушки. Режим сварки задается величинами тока луча, тока фокусировки и скоростью сварки. Ускоряющее напряжение в большинстве электронно-лучевых сварочных установок не регулируется.

Основной проблемой при электронно-лучевой сварке является трудность воспроизведения качества сварных швов. Это связано с тем, что параметры режима сварки, установленные исходя из условия получения заданного качества шва, не удается выдерживать даже для одного протяженного шва, тем более при поочередной сварке различных заготовок. Причина этого – действие различных возмущений на сварочную установку. Одним из наиболее трудно контролируемых возмущений являются изменения эмиссионной способности катода электронной пушки и электронно-оптических свойств катодного узла пушки из-за износа катода и периодических регламентных работ поего замене.

Вследствие действия возмущений может изменяться ток электронного луча, энергия ускоренных электронов, положение фокуса луча относительно поверхности свариваемого изделия, закон распределения плотности тока по сечению луча и др.

66

В современных энергетических агрегатах электроннолучевых установок, выпускаемых промышленностью, имеются встроенные локальные регуляторы параметров режима сварки: стабилизаторы ускоряющего напряжения, тока электронного луча и тока фокусирующей катушки электронной пушки. Эти регуляторы позволяют исключить влияние на качество сварки тех возмущений, которые воздействуют на параметры режима: колебания напряжения сети, температуры установки и др.

Конечная цель автоматического регулирования процесса электронно-лучевой сварки – обеспечение заданного качества сварного шва. Однако локальные стабилизаторы параметров режима сварки непосредственно не используют информацию о качестве шва. Они устраняют влияние на качество некоторых возмущений, например колебаний питающего сетевого напряжения, изменений параметров установки вследствие нагрева, старения. Поэтому их можно рассматривать лишь как местные контуры обратной связи в общей разомкнутой системе автоматического управления качеством сварных швов. Более совершенными являются системы автоматического управления процессом электроннолучевой сварки с обратной связью по параметрам, характеризующим качество процесса формирования шва.

2.3.2. Стабилизация процесса формирования шва при сварке со сквозным проплавлением

При автоматическом управлении процессом электроннолучевой сварки в ряде случаев достаточно измерять во время сварки один из наиболее важных параметров, характеризующих качество швов,– глубину проплавления. Наиболее просто это осуществляется при сквозном проплавлении. С тыльной стороны свариваемого изделия (рис. 2.25) устанавливается изолированный коллектор электронов, соединяемый с «землей» через измерительный резистор.

При полном проплавлении свариваемой детали в нем образуется сквозной парогазовый канал, часть электронов пучка

67

проходит сквозь деталь и попадает на коллектор. Образующееся при этом падение напряжение на резисторе сравнивается с заданным, и сигнал рассогласования воздействует на блок регулирования какого-либо параметра режима сварки, например тока луча.

Рис. 2.25. Управление процессом электронно-лучевой сварки со сквозным проплавлением: ПУ – питающее устройство, БУ – блок управления, У – усилитель

Регулятор стабилизирует заданное значение сквозного тока, являющегося одним из показателей процесса электроннолучевой сварки, что гарантирует 100%-ное проплавление при большинстве возмущений, действующих на процесс. Зазор в стыке перед сваркой должен быть достаточно мал, чтобы заметно не влиять на сквозной ток. Другие параметры качества сварного шва (подрезы, высота верхнего валика, провисание корня шва и т. д.) регулируются подбором значений сквозного тока, а также настройкой динамических характеристик регулятора в случае его достаточного быстродействия. Особенно эффективно применение регуляторов сквозного тока при электроннолучевой сварке деталей с переменной толщиной. В этом случае

68

отпадает необходимость в предварительном жестком программировании режима сварки.

2.3.3. Контроль и стабилизация фокусировки электронного пучка

Контроль и стабилизация фокусировки электронного пучка является важной задачей, так как этот параметр режима электрон- но-лучевой сварки оказывает наибольшее влияние на геометрию сварного шва, в первую очередь на его глубину (рис.2.26).

Рис. 2.26. Зависимость глубины проплавления от тока фокусирующей линзы электронной пушки: Iф.о – ток острой фокусировки

Максимальная глубина проплавления достигается при «острой» фокусировке электронного пучка. «Острая» фокусировка, т.е. фокусировка, обеспечивающая максимальную глубину проплавления, достигается при заглублении фокуса электронного пучка на глубину, приблизительно равную половине требуемой глубины проплавления.

При малых токах электронного пучка контроль фокусировки может осуществляться визуально по размерам светящегося пятна на поверхности свариваемого изделия, однако точность такого контроля в большинстве случаев является недостаточной, так как при увеличении тока пучка до рабочих значений в

69

результате действия многих факторов изменяется положение плоскости фокусировки.

Контроль острой фокусировки при рабочих режимах элек- тронно-лучевой сварки может осуществляться по величине тока отраженных из зоны сварки электронов.

На рис. 2.27 приведена схема контроля фокусировки электронного пучка по току отраженных электронов.

Рис. 2.27. Контроль фокусировки по току отраженных электронов: а – схема регистрации тока отраженных электронов; б – отражение электронов при разной глубине канала; в – волновой фильтр

При нахождении области соударения электронного пучка с металлом вблизи поверхности свариваемого изделия ток отраженных электронов велик и приближенно определяется коэффициентом отражения электронов от металла. В случае нахождения области соударения пучка с металлом в глубине канала проплавления, образующегося в металле при сварке с высокой плотностью мощности электронного пучка, значительная часть

70