368

Наибольшее значение при этом имеет отклонение напряжения на дуге

kс.н + kп.сkс.т

где kт.с =i / ∆Uс – коэффициент, характеризующий влияние изменения напряжения питающей сети на первоначальное отклонение тока дуги i (см. рис. 2.9).

kс.н + kп.сkс.т

На принципе саморегулирования дуги построены распространенные аппараты для механизированной сварки под флюсом и в защитных газах.

2.1.3. Система стабилизации напряжения дуги при сварке плавящимся электродом

Сварочные аппараты, использующие принцип саморегулирования дуги, просты, надежны и не требуют квалифицированного ухода. Однако в некоторых случаях возникающие под действием тех или иных возмущений отклонения размеров шва выходят за допустимые пределы. Для устранения этого недостатка применяют системы регулирования дуговой сварки с обратными связями. Одной из таких систем является система стабилизации напряжения дуги.

Причинами, вызывающими изменение напряжения на дуге, чаще всего являются изменения напряжения питающей сети, профиля поверхности свариваемого изделия или сопротивления тракта подачи сварочной проволоки.

Система стабилизации напряжения дуги обеспечивает изменение скорости подачи электродной проволоки таким образом, чтобы напряжение на дуге оставалось неизменным.

31

Принципиальная схема такой системы приведена на рис.2.10. В процессе сварки напряжение на дуге сравнивается с заданным значением в блоке сравнения (БС), который формирует сигнал управления, пропорциональный отклонению напряжения на дуге от заданного значения. Этот сигнал подается на тиристорный привод (ТП), управляющий работой двигателя (Д) механизма подачи электродной проволоки, который включает в

себя также редуктор (Р) и подающие ролики.

При этом скорость вращения двигателя зависит от величины отклонения напряжения на дуге от заданного значения, и скорость подачи электродной проволоки изменяется таким образом, чтобы разность между напряжением на дуге и заданным напряжением стремилась к нулю, т.е. напряжение на дуге было постоянным.

Рис. 2.10. Система стабилизации напряжения дуги при сварке плавящимся электродом

Аналитическое выражение для характеристики устойчивого горения дуги в данной системе можно найти так же, как для аналогичной характеристики системы саморегулирования, решая совместно уравнения плавления электрода и скорости подачи электрода.

Скорость плавления электрода выражается формулой

32

где kрег = ∆Vп / ∆Uд – коэффициент передачи регулятора.

В установившемся режиме Vп = Vпл, и совместное решение уравнений (2.16) и (2.17) дает

Эта формула представляет собой уравнение статической характеристики устойчивого горения дуги в системе стабилизации напряжения дуги.

Рассмотрим теперь совместное расположение вольт-амперной характеристики источника питания и статической характеристики системы стабилизации напряжения дуги, построенной по уравнению (2.18) (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Характеристика системы стабилизации дуги при сварке плавящимся электродом

Угол α =arctg [kс.т /(kрег +kс.н )] – угол наклона статической

характеристики системы стабилизации напряжения дуги к горизонтальной оси. Этот угол тем меньше, чем выше коэффициент

передачи регулятора kрег. При kрег → ∞ угол α = 0 и Uд = const.

33

Систему стабилизации напряжения дуги целесообразно использовать в тех случаях, когда предъявляются повышенные требования к точности стабилизации напряжения на дуге, например при наплавке легированного слоя, при сварке и наплавке под керамическими флюсами и т.п.

2.1.4. Система стабилизации напряжения дуги при сварке неплавящимся электродом

Особенностью динамических процессов в сварочном контуре с неплавящимся электродом является отсутствие эффекта саморегулирования дуги, свойственного системе с плавящимся электродом.

В результате этого системы стабилизации напряжения на дуге при сварке неплавящимся электродом отличаются от аналогичных систем для сварки плавящимся электродом более жесткими требованиями к их точности, а также режимом работы исполнительного двигателя. В этих системах двигатель всегда работает в режиме непрерывного реверса, и управляющим воздействием для него является не только величина подводимого напряжения, но и его полярность.

Схема системы стабилизации напряжения на дуге при сварке неплавящимся электродом приведена на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Схема системы стабилизации напряжения дуги при сварке неплавящимся электродом

34

В процессе сварки напряжение на дуге в блоке сравнения (БС) сравнивается с заданным значением напряжения. Сигнал с выхода блока сравнения, пропорциональный разности этих двух напряжений с учетом знака, подается на тиристорный привод (ТП), управляющий двигателем (Д). Двигатель с помощью механизма вертикального перемещения горелки (МВПГ) изменяет расстояние горелки (Г) от изделия, стремясь сохранить напряжение на дуге постоянным.

2.1.5. Системы автоматического регулирования питающей системы

К системам регулирования параметров дугового сварочного процесса с обратными связями относятся и системы автоматического регулирования источника питания сварочной дуги. Системы этого типа отрабатывают действующие на них возмущения путем управления параметрами источника питания.

При сварке плавящимся электродом системы автоматического регулирования питающей цепи применяются для улучшения качества регулирования основной системы саморегулирования, так как она не отрабатывает возмущения, действующие на питающую систему (возмущения по напряжению сети, изменению сопротивления сварочной цепи из-за нагрева).

При сварке плавящимся электродом хорошо зарекомендовали себя системы автоматического регулирования питающей цепи со сварочным выпрямителем на тиристорах. С помощью обратных связей по току и напряжению в таких выпрямителях формируется жесткая вольт-амперная характеристика. Этот источник питания особенно эффективен при сварке плавящимся электродом на больших плотностях тока (сварка в СО2 ), так как при этом повышается интенсивность процессов саморегулирования в дуге и обеспечивается стабилизация напряжения на выходных клеммах источника питания при колебаниях напряжения сети.

35

Формирование жесткой характеристики источника питания при большом коэффициенте усиления в цепи обратной связи возможно с помощью одной отрицательной обратной связи по напряжению дуги. По такой схеме реализуется, например, жесткая вольт-амперная характеристика выпрямителя ВДУ-504.

При сварке неплавящимся электродом регуляторы с автоматическим регулированием питающей цепи представляют собой систему автоматического регулирования энергетических параметров дуги с воздействием на управляемый источник питания с обратными связями по напряжению и току дуги.

2.1.6.Системы автоматического регулирования проплавления при дуговой сварке

Качество сварного соединения обусловливается его механическими свойствами, зависящими от геометрических размеров и формы сварного шва. Стабилизация геометрических размеров шва способствует повышению качества сварного соединения. Но не во всех случаях это условие можно считать единственным критерием качества. Например, при сварке материалов, склонных к закаливанию или образованию горячих или холодных трещин, важным фактором является также поддержание заданного термического цикла в процессе сварки, обеспечивающего необходимую скорость охлаждения металла. Только при этом условии можно получить требуемую структуру сварного шва и околошовной зоны.

В рассмотренных выше системах, компенсирующих технологические возмущения, действующие на питающую систему и сварочную дугу, для получения качественного сварного соединения обеспечивалось условие постоянства тепловой мощности дуги благодаря стабилизации ее электрических параметров. Однако на процесс сварки могут влиять технологические и конструктивные возмущения, которые действуют непосредственно на сварочную ванну и не могут быть скомпенсированы с помощью систем автоматической стабилизации параметров режима сварки.

36

Для компенсации этих возмущений наиболее приемлемым способом является введение в систему регулирования обратной связи по некоторому обобщенному параметру, на который в процессе сварки влияют как конструктивные, так и технологические возмущения. В качестве такого параметра можно принять температуру металла сварочной ванны или околошовной зоны, которую можно регулировать изменением погонной энергии в системе «источник питания – дуга – сварочная ванна». Задача регулирования при этом сводится к стабилизации подвижного температурного поля.

С точки зрения теории автоматического регулирования температурное поле как объект регулирования описывается апериодическим звеном, постоянная времени которого определяется характеристиками свариваемого металла (теплоемкость, теплопроводность и т.д.). Температуру можно измерить лишь на некотором расстоянии от сварочной дуги, что обусловливает появление погрешностей измерения относительно реальной температуры под дугой и запаздывания в передаче сигнала управления.

Для измерения температуры обычно используются бесконтактные датчики, действие которых основано на измерении интенсивности излучения с поверхности металла. Применение бесконтактных датчиков позволяет приблизить точку измерения температуры к сварочной дуге. Однако имеются ограничения на приближение площадки визирования датчика температуры к сварочной дуге, так как полезный сигнал «забивается» помехами, вызванными прямым или отраженным излучением дуги. Иногда удобен вариант размещения площадки визирования датчика с обратной стороны шва, при этом необходимо обеспечивать защиту датчика от пыли, повреждения расплавленным металлом, температурного воздействия окружающей атмосферы. Необходимо также проектировать устройства, упрощающие операцию визирования датчика на точку измерения температуры.

37

При наличии информации о качестве проплавления для построения системы регулирования в каждом конкретном случае необходимо правильно выбрать регулирующее воздействие. В простейшем случае это может быть один параметр, например ток сварки (в непрерывном и импульсном режимах), скорость сварки, скорость подачи электродной проволоки и т.д. В более сложных случаях требуется комбинированное управление, например, ток и скорость сварки и т. д. При выборе регулирующего воздействия необходим также всесторонний анализ его влияния на качество сварного соединения, в частности на форму шва, структуру металла, характеристики зоны термического влияния.

2.1.7. Автоматическое направление электрода по стыку при дуговой сварке

Автоматизация направления электрода по стыку свариваемых деталей – достаточно сложная задача, основной трудностью решения которой является создание датчиков, улавливающих положение стыка и надежно работающих в условиях сварочного производства.

Для решения этой задачи используются следующие спосо-

бы:

–применение систем программного управления с записью кривизны стыка на какой-либо носитель информации;

–слежение за криволинейным стыком с помощью программирующей и отрабатывающей следящих систем, работа которых объединена через запоминающее устройство;

–слежение за кривизной стыка с помощью фотоэлектрического датчика, работающего по программной линии, наносимой специальными методами эквидистантно линии стыка.

При использовании систем программного управления с записью кривизны стыка на какой-либо носитель информации применяется режим обучения при подготовке программы. При этом часто программа кривизны стыка записывается с помощью

38

датчика положения стыка при холостом (без зажигания дуги) проходе стыка.

При слежении за криволинейным стыком с помощью программирующей и отрабатывающей следящих систем, работа которых объединена через запоминающее устройство, программа, отражающая кривизну свариваемого стыка, записывается с помощью следящей системы, которая обеспечивает непрерывное слежение за стыком, а отклонения линии стыка от траектории движения преобразуются в электрические сигналы. Эти сигналы поступают в запоминающее устройство и являются программой для последующей отрабатывающей системы, обеспечивающей направление рабочего органа по стыку.

Схема такой системы приведена на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Схема слежения за криволинейным стыком с помощью программирующей и отрабатывающей

систем, работа которых объединена через запоминающее устройство

Система работает следующим образом. Информация о кривизне стыка передается с датчика (Д) на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразовывает ее в цифровую форму, и записывается в запоминающее устройство (ЗУ). Далее

39

эта информация поступает на блок задержки (БЗ), который обеспечивает задержку передачи информации из запоминающего устройств на период времени перемещения сварочной горелки (Г) на тот участок стыка, где находился датчик в момент записи данной информации о кривизне стыка. Цифровой сигнал с выхода блока задержки преобразуется в аналоговый управляющий сигнал с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), усиливается усилителем (У) и поступает на исполнительное устройство (ИУ), которое корректирует положение сварочной горелки относительно стыка.

Длительность задержки сигнала в БЗ зависит от расстояния между датчиком и сварочной горелкой и скорости движения сварочной горелки.

Слежение за кривизной стыка с помощью фотоэлектрического датчика, работающего по программной линии, основано на использовании в качестве программы опорной линии, наносимой эквидистантно стыку непосредственно на свариваемой поверхности или на укладываемой для этой цели бумаге.

Опорная линия наносится на детали на расстоянии 100– 150 мм с помощью специального карандаша, краски или резца. Ширина ее обычно составляет 2–3 мм.

Наиболее простыми и часто применяемыми в производстве системами слежения за стыком при дуговой сварке являются системы поперечной коррекции электрода относительно линии стыка. При этом решается частная задача – слежение за прямолинейным стыком или криволинейным стыком малой кривизны.

Функциональная схема такой системы приведена на рис.2.14. В системе можно использовать любые датчики, работающие непосредственно по стыку, при этом допускается удаление датчика на расстояние 50–200 мм от сварочной горелки. При этом в системе появляется методическая ошибка ε = kl /1000,

где k – кривизна стыка, мм/м; l – расстояние датчика до сварочной горелки, мм.

40