книги из ГПНТБ / Львов Н.С. Автоматизация контроля и регулирования сварочных процессов

матора Tpl. Размыкание контактов поляризованного реле мо­ жет произойти только при одновременном обесточивании обеих обмоток — измерительной и дополнительной, что возможно лишь при почти полном отсутствии тока в дополнительной обмотке. Следовательно, контакт подгорать не будет. Якорь двигателя зашунтирован еще одной обмоткой РП-3 того же реле РП. При соответствующем сопротивлении резистора R9 эта обмотка при достижении напряжения реакции якоря, равного примерно по­ ловине номинального, заставляет реле РП отпустить, если даже обмотка измерительная еще не обесточена. Таким способом в системе подавляются автоколебания.

рочного тока конденсаторы фильтра разряжаются через обмотку реле РП, и последнее включает двигатель на подъем сварочной головки. Регулятор длины дуги вступает в действие с помощью реле РТ, как только зажигается дуга и возникает ток сварки. Описанная система позволяет поддерживать напряжение на ду­ ге с точностью до ± 0 , 5 % [79].

Системы автоматического регулирования проплавлення с

контролем и изменением электрических и временных парамет­ ров процесса. Глубина проплавлення основного металла при по­ стоянной скорости сварки определяется током сварки, который зависит от скорости подачи и вылета электродной проволоки. Необходимость стабилизации тока сварки особенно актуальна при полумеханизированной сварке стыковых и тавровых одно­ сторонних соединений, когда доступ к другой стороне шва не­ возможен. И если при этом прожоги возможны практически только при больших зазорах, то вероятность появления непроваров велика, так как сварщик стремится работать на удлинен­ ных вылетах электрода.

Наиболее объективным критерием качества сварки, когда со­ храняются неизменными условия теплоотвода, могло бы слу­ жить количество энергии, выделяемой на свариваемом изделии. Однако из-за различия вольт-амперных характеристик различ­ ных источников питания сварочной цепи реализация метода контроля процесса по этому параметру затруднена.

Универсальное устройство для автоматического управления тепловым процессом при электрической сварке1 предложено ВНИИЭСО. Измерительным устройством в нем служит магнит­ ный усилитель, управляемый током нагрузки (рис. 32, а) . Уси­ ленное и выпрямленное напряжение через делитель, составлен­ ный из кремниевого стабилитрона Д и резистора R, подается На вход генератора Г, где преобразуется в импульсы, частота которых пропорциональна входному напряжению.

1 Б л и н о в И. М., З а й ц е в М. П. и З и л ь б е р г А. Г. Авторское свиде­ тельство № 198482 (БИ № 14, 1967).

Зависимость эта аппроксимируется производной в рабочей точ­ ке, так что на вход генератора подается напряжение, пропор­ циональное удвоенному току. При выборе резистора делителя ста­ тическое напряжение на стабилитроне Ucr в рабочей точке

равно UR. Так как UCT — const, то изменение напряжения на ре­ зисторе оказывается удвоенным. При допустимых пределах из­ менения напряжения сети от +10 до —15% неизбежная при аппроксимации ошибка составляет 2%, что вполне приемлемо.

Представляет интерес устройство, работающее на принципе контроля тока короткого замыкания при дуговой сварке от источника постоянного тока с регулирующими транзисторами в сварочной ц е п и О н о обеспечивает быстродействующую защиту регулирующих транзисторов от перегрузок и коротких замыка­ ний и позволяет выбирать их число без запаса на ток короткого замыкания, исходя только из рабочего режима.

В рабочем режиме напряжение, полученное в результате алгебраического сложения большего напряжения на дуге с меньшим напряжением смещения, снимаемым с резистора R3, оказывается приложенным положительным потенциалом к базе управляющего транзистора Т2 (рис. 32,6), поэтому он закрыт.

' Т р о ф и м о в Н. М. и Ш и м к о И. М. Авторское свидетельство № 206768 (БИ № 1, 1967).

где tu — время импульса; Т — период.

Временной принцип управления процессом дает хорошие ре­ зультаты при сварке модулированным током. С помощью муль­ тивибратора периодически замыкается и размыкается цепь об­ мотки возбуждения генератора. Сила тока сварки при этом

а) В)

Рис. 33. Схемы систем регулирования с использованием информации о скорости подачи проволоки (а) и о сме­ щении электрода со стыка (б)

плавно нарастает и спадает. Установлено, что может быть най­

дачи пропорциональны ток сварки и напряжение дугового про­ межутка). В устройстве напряжение тахогенератора ТГ, прямо пропорциональное скорости подачи проволоки, складывается с напряжением, снимаемым с потенциометра R1, который под­ ключен параллельно дуговому промежутку, и подается на регу­ лятор напряжения РН сварочного генератора СГ.

сования, который, воздействуя на регулятор РН, устанавливает на выходе генератора СГ новый уровень напряжения и, следо­ вательно, новое значение сварочного тока, необходимое для поддержания на дуге оптимального напряжения при данной скорости подачи. Так как различным диаметрам электродной проволоки при одной и той же силе тока сварки соответствуют собственные оптимальные напряжения на дуге, то необходимо

1 О с е л е д ь к о В, Г. Авторское свидетельство № 200687 (БИ № 17, 1967).

мого от отдельного источника. На нем задается дополнительное напряжение, являющееся поправкой при переходе от одного диаметра электрода к другому.

Заметим, что в описанной системе на самом деле контроли­ руется не скорость подачи электродной проволоки, а скорость вращения подающих роликов. В результате возможного про­ скальзывания эти скорости практически почти всегда отличают­ ся, поэтому возмущения по скорости подачи в системе остаются неучтенными. К сожалению, еще не разработано устройство для измерения фактической скорости перемещения электродной про­ волоки на выходе из подающего механизма.

При рассмотрении способов получения заданного проплав­ лення шва предполагают, что электрод ориентирован строго по оси стыка. Для обеспечения этого условия используют следя­ щие системы. В устройстве, функциональная схема которого приведена на рис. 33, б, результат достигается без следящей системы, а точнее — только при использовании ее измеритель­ ной части1 .

Датчик Д, закрепленный на сварочной головке, дает сигнал, пропорциональный смещению ее относительно оси стыка Ах. После необходимой обработки в усилителе-преобразователе УП он используется не для управления приводом следящей системы, сводя Дх к нулю (как это обычно делается), а для коррекции режима дуги путем воздействия на один из параметров процес­ са (скорость подачи электрода, силу тока или напряжение дуги, скорость сварки) через регулятор режима РР, источник пита­ ния СГ или привод хода головки ПХ. Таким образом, неточная

пропорцией.

Хорошее формирование шва при сварке неплавящимся элек­ тродом может быть получено путем регулирования скорости подачи присадочной проволоки. Если сделать ее зависимой от напряжения на дуге, то можно обеспечить более полное запол­ нение разделки стыка.

Системы автоматического регулирования режима при контро­ ле проплавлення. В последнее время большое внимание ученых и инженеров-сварщиков обращено на разработку систем элект­ родуговой сварки, обеспечивающих оптимальное проплавление и заданное формирование шва. Все типовые и серийные систе­ мы построены в предположении, что достаточно сохранять не­ изменное напряжение на дуге и качество шва будет обеспечено, поэтому контролировали только это напряжение и средства для

Устройство предложено А. П. Игошиным.

контроля непосредственно проплавлення не разрабатывали. Не­ сколько лет назад сложилось мнение, что без контроля конеч­ ного результата сварочного процесса — сварного шва в процессе его формирования — никакая система автоматического регули­ рования не в состоянии обеспечить заданное качество сварного соединения. Абсолютное решение этой проблемы пока не до­ стигнуто, однако несколько частных решений ее заслуживают внимания.

Известно, что проплавление и ширина шва b (в мм) зави­ сят от толщины металла б, его тепловых свойств, количества подводимой энергии и скорости перемещения сварочной ванны:

Отсюда следует, что постоянства ширины шва можно достичь изменением тока или скорости сварки.

Обычные системы, предназначенные для стабилизации или регулирования режима сварки и воздействующие на напряже­ ние дуги, сварочный ток, скорость сварки, скорость подачи электродной или присадочной проволоки, не полностью компен­ сируют возмущения по толщине свариваемых деталей, возму­ щения, связанные с изменением условий теплоотвода и пр. Еще более сложная ситуация создается при сварке объемных из­ делий.

При кривизне поверхности свариваемого изделия между ос­ новными параметрами процесса сварки Ug, I c e , Vce и геометри­ ческими размерами шва можно установить количественную связь. Так изменение ширины проплавлення с обратной сторо­ ны шва

2 мм вольфрамовым электродом диаметром 3 мм с подачей

96

мущений по напряжению на дуге, скорости сварки и кривизне поверхности.

При использовании источника с любой статической харак­ теристикой — крутопадающей или пологопадающей — измене­ ние длины дуги вследствие подъема или спуска поверхности

ристике Д/ меньше. Имея значения коэффициентов проплавле­

длине дуги вызывает такие изменения А/ и AUg, которые дают

гулирования (АРНД или АРТД) следует применить для ком­ пенсации возмущения. Если knc>kncsp, то нужна система АРНД, если наоборот —то АРДТ. Например, у сварочного пре­ образователя ПС-300М коэффициент knc — —6-^-8 а)в, поэтому более заметный эффект можно получить при использовании си­ стемы АРНД. При расчете системы регулирования необходимо учитывать инерционность проправления и то, что она зависит от толщины металла. Например, для стали Х18Н9Т толщиной 1,5 и 2 мм постоянная времени Тп равна 0,57 и 0,7 сек.

Используя теорию автоматического регулирования, можно получить расчетные зависимости для определения отклонений геометрических размеров шва от номинальных значений при воздействии характерных возмущений по длине дуги [5]. По ви­ ду этих зависимостей можно судить, что, если качество регу­

скорость отработки системы. Быстродействие регулятора должно быть тем выше, чем положе статическая характеристика источ­ ника питания дуги. При анализе систем саморегулирования и принудительного регулирования режима дуги необходимо рас­ сматривать их динамику при совместном действии возмуще­ ний, ибо метод суперпозиции не дает полного представления о ходе процесса [22].

Поскольку непосредственный контроль глубины проплавле­ ння и геометрических параметров шва в процессе сварки прак­ тически невозможен, необходимо отыскать какой-то косвенный параметр процесса, имеющий корреляцию с этими величинами. Имея такую корреляцию можно, контролируя найденный па­ раметр, осуществить автоматическое управление процессом и достичь заданного качества. Косвенным параметром может ока­ заться распределение температуры в сварочной ванне и вблизи

ее. Чем ближе к краю ванны расположена точка контроля тем­

ФС-К1, размещаемый под свариваемыми листами. По достиже­ нии заданного проплавлення излучение от пятна провара соз­ дает ток в фоторезисторе, необходимый для срабатывания реле, стоящего на выходе двухкаскадного транзисторного усилителя и прекращающего подачу электродной проволоки. Использова­ ние системы активного контроля позволило вдвое уменьшить разброс по диаметрам сварных точек и предотвратить про­ жоги.

Разработана система, предназначенная для получения задан­ ного соотношения между сварочным давлением, температурой и скоростью сварки при радиочастотной сварке труб. С целью упрощения постановки задачи в качестве контролируемого и ре­ гулируемого параметра избрана температура нагрева кромок, остальные параметры сохраняются неизменными. Контролирует­ ся температура с помощью фотодиода, визирование его на уча­ сток диаметром 0,8 мм на осевой линии шва обеспечивается фотоэлектрической следящей системой, в которой датчиком слу­ жат другие два диода. Сигнал датчика проплавлення сравни­ вается с уставкой, а сигнал ошибки, если он есть, управляет с помощью реверсивного электропривода перемещением короткозамкнутой катушки в регуляторе мощности, приближая тем са­ мым температуру в зоне сварки к заданной.

Для поддержания стабильной работы фотодатчик охлажда­ ется проточной водой, а в контролируемой зоне шва очищается от водяных паров, дыма и газов струей сжатого воздуха. Испы­ тания системы регулирования показали, что по сравнению с руч­ ной корректировкой разброс температур уменьшается в 2 раза. Для системы автоматического регулирования это слишком ма­ ло. По мнению автора, такой результат объясняется тем, что не была найдена оптимальная зависимость контролируемой тем­ пературы от других параметров процесса, не было достаточно тщательно выбрано место визирования.

Контроль температуры металла в околошовной зоне при сты­ ковой сварке алюминия, например, осуществляли с помощью термопары, закрепленной на держателе электрода и составлен­ ной из константанового прутка, скользящего по поверхности свариваемого изделия. Сигнал термопары после сравнения с за­ данным значением и соответствующего преобразования воздей­ ствует либо на двигатель скорости сварки, либо на регулятор тока сварки. Систему эту применяли для сварки алюминия толщиной до 10 мм [94]. Основной недостаток ее — ненадеж­ ность контакта термопары, достоинства — простота, малые • раз­ меры и малая чувствительность к изменению напряжения дуги.

98