книги из ГПНТБ / Львов Н.С. Автоматизация контроля и регулирования сварочных процессов
.pdfпозволяет автоматически установить по окончании сварки за данный вылет электрода, повысить качество сварки, снизить утомляемость сварщика и повысить производительность труда.
«Выбег» электродной проволоки по окончании сварки особен но неприятен при сварке коротких швов, так как требует либо частой зачистки конца электрода, либо манипуляции по ревер сированию его подачи. Автоматическое реверсирование двигате ля подачи может быть осуществлено при помощи реле, которое питается разрядом конденсатора. Конденсатор этот включается на реле после принудительного обрыва дуги, а скорость разряда его и, следовательно, вылет электрода устанавливаются пере менным резистором [38].
Плавное уменьшение силы тока в конце процесса сварки можно получить путем механического растягивания дуги с по мощью электромагнита, включаемого в сварочную цепь1 .
В ряде случаев заварку кратера осуществляют, сочетая сни жение тока сварки с введением дополнительной нагрузки в сва рочную цепь. Например, концевой участок шва формируется с
помощью источника ИПП-500В-РЗ |
(см. рис. |
17). Команда на |
завершение сварки подается контактом 18Р30. |
При этом сраба |
|
тывает реле РК, через замкнувшийся |
контакт |
2РК получает пи |
тание реле РМ, включается двигатель МШ, шунт идет вниз и ток плавно падает. При достижении минимальной силы тока силового трансформатора путевой выключатель ВМ-1 обесточи вает реле РМ и движение шунта прекращается. Одновременно с этим выключатель ВМ-2 включает реле времени РВ, которое
без выдержки времени обесточивает контактом 1РВ реле РО. |
|
Это реле своим замыкающим контактом включает |
балластный |
реостат в цепи сварочной дуги. Подача присадочной |
проволоки |
прекращается при разрыве дуги по команде реле, |
контроли |
рующего ток дуги. Через некоторое время реле времени обесточивает реле PC. Отключение этого реле выключает при вод перемещения электрода, что возвращает схему в исходное состояние. Скорость снижения тока в источнике устанавли вается сменными шестернями в приводе двигателя МШ и
спомощью регулятора напряжения РН.
Вдругих системах регулирования на начальном участке шва предлагается (при неизменной скорости сварки) плавно увели чивать ток сварки и скорость подачи проволоки, а на конечном участке их так же плавно уменьшать.
Вустановившемся процессе сварки скорость подачи прово локи и ток сварки стабилизируются. Обеспечивается это за счет введения обратных связей (рис. 18). Для того чтобы снизить влияние колебаний скорости двигателя на скорость подачи, воз никающих из-за непостоянства силы сопротивления гибкого на правляющего канала, по которому проталкивается проволока,
1 П е н т е г о в И. В. Авторское свидетельство № 245232 (БИ № 22,1970).
используется положительная обратная связь по моменту нагруз ки. Сигнал, пропорциональный току якоря двигателя (моменту нагрузки), снимается с резистора R13 и регулируется. Скорость подачи стабилизируется с помощью отрицательной обратной связи по напряжению якоря двигателя, глубина связи устанав ливается потенциометром R11.
Рис. |
18. |
Функциональная схема регулирования тока сварки |
|
|
|
|
и скорости подачи проволоки |
|
|
Система стабилизации тока сварки также содержит две кор |
||||
ректирующие |
обратные связи — |
по напряжению на |
обмотке |
|
управления |
wy |
регулирующего |
дросселя насыщения (уровень ее |
|
устанавливается потенциометром R8) и непосредственно |
по току |
|||
сварки. Эта цепь состоит из трансформатора тока Тр и выпря мительного моста.
Формирование начального и концевого участков шва обеспе чивается с помощью интегрирующего устройства. Скорость на
растания и спада тока сварки и скорости |
подачи |
проволоки |
||||||
определяются |
напряжениями, |
снимаемыми |
с потенциометров |
|||||
R H |
И |
RC, постоянными |
времени цепочек R1—С |
и R2—С |
(резисто |
|||
ры R1 и R2 на рис. |
18 не показаны, они включены |
между пол |
||||||
зунками R H |
И |
R C и контактом |
I P ) и положением ползунка на |
|||||
потенциометре |
R4. |
|
|
|
|
|||
Все цепи преобразования в системе выполнены по схеме: модулятор-усилитель переменного тока — усилитель-выпрями тель (модулирующая частота 500 гц). Диапазон регулирования тока сварки 0—400 а, выходной каскад фазочувствительного
усилителя на обмотку управления дросселя выполнен на тран зисторах типа КТ802А. Скорость подачи регулируется в преде лах 50—600 м/ч с помощью двигателя Д-25-1, включенного на выходе фазочувствительного усилителя на транзисторах П-201. Применение описанных систем стабилизации позволяет повы сить точность поддержания тока сварки в 15—20 раз, а скоро
сти подачи |
в 5—8 раз. Время нарастания и спада этих парамет |
ров можно |
регулировать в пределах от 0 до 20 сек [82]. Сущест |
венные неудобства |
представляет использование |
частоты 500 гц |
в системе, а также |
ее относительно громоздкая |
схема. |
Рис. 19. Схемы релейного (а) и транзисторного (б) интеграторов
Для тех же целей — плавного увеличения скорости сварки и скорости подачи проволоки на начальном участке шва и плав ного спада скорости подачи на конечном участке — в МВТУ им. Баумана разработаны устройства в двух вариантах — ре лейном и транзисторном. На рис. 19, а показана схема интегра тора, выполненного на шаговом искателе ШИ и релейном гене раторе импульсов.
В исходном состоянии, пока пусковая цепь реле РН не по лучила питания, щетки шагового искателя стоят на нуле, а ге нератор на реле РЗ и Р4 обесточен. При этом цепь управления приводами сварки и подачи разорвана на горизонте П шагово го искателя. При пуске автомата генератор получает питание через размыкающий контакт 2Р2. Через определенный интервал времени, зависящий от положения переключателя П2 и, следо вательно, от выбранной постоянной времени, реле РЗ срабаты
вает. Оно замыкает контакт 1РЗ, |
в результате чего с выдерж |
кой времени срабатывает реле Р4. |
Это ведет к размыканию |
контакта 1Р4 и отпусканию реле РЗ. Далее, размыкание кон такта 1РЗ обесточивает реле Р4, а реле РЗ вновь включается, и процесс генерации импульсов продолжается.
Каждое срабатывание реле Р4 сопровождается подачей пи тания на обмотку шагового искателя ШИ, в результате чего щет ки его движутся по ламелям. Ламели горизонтов Г1 и Г2 иска теля подключены к цепочке резисторов R, причем на первом горизонте по мере движения щеток введенное сопротивление уменьшается (на втором — увеличивается, но он пока отклю чен). На предпоследней ламели движение искателя прекращает ся, так как реле Р2 размыкающим контактом 2Р2 снимает пи тание с генератора и готовит его н. о. контактом 2Р2 к приему питания по цепи от концевого реле РК (удерживается реле Р2 замыкающим контактом 1Р2). Отсюда следует, что напряжения, подаваемые с потенциометров R1 и R2 постепенно нарастают, увеличивая скорость сварки и скорость подачи от нуля до за данного значения.
При подаче команды «Стоп» получает питание цепь реле РК. Своими контактами 1РК, 2РК, ЗРК оно отключает горизонт нарастания Г1 и подключает горизонт спада Г2, отключает пе реключатель П2 и подключает переключатель П1, устанавли
вающий другую частоту генерируемых импульсов |
(т. е. |
скорость |
||||||
спада |
скорости подачи), отключает |
от интегратора |
цепь |
уп |
||||
равления скоростью сварки |
(потенциометр |
R1). |
Движение |
ще |
||||
ток искателя продолжается также до последней ламели, |
где |
|||||||
реле |
Р1 срабатывает и своим контактом 1Р1 снимает |
питание |
||||||
с |
генератора. |
|
|
|
|
|
|
|
|
На рис. 19, б показана |
схема транзисторного |
интегратора |
|||||
в |
котором использован микромодуль |
МГ-8, |
а в |
качестве |
инте |
|||
грирующего элемента конденсатор С. Получить линейную функ цию нарастания напряжения Uc = klt/C на нем можно только в том случае, если напряжение питания значительно выше того уровня, до которого необходимо заряжать конденсатор, а сопро тивление, через которое происходит заряд, заменено на токостабилизирующий элемент. Таким элементом является транзистор ТЗ, включенный по схеме с общей базой, при этом ток коллек-
1 Схема предложена В. М. Макаровым.
тора практически не зависит ог напряжения на коллекторе. Унифицированная микросхема МГ-8 используется как потоко вый повторитель — ее выводы следует соединить с другими эле ментами устройства так, как показано на рисунке. Для того чтобы обеспечить стабильную работу микросхемы, напряжение
питания |
ее |
стабилизировано |
стабилитроном Д, |
а |
напряжение |
||
с конденсатора С подается на вход через |
высокоомный делитель |
||||||
R10-R11. |
Заданную крутизну |
выходного |
напряжения |
можно ус |
|||
тановить с помощью потенциометра R12, время нарастания ре |
|||||||
гулируется |
в диапазоне |
0—100 сек. Выходное |
сопротивление |
||||
устройства |
несколько сот |
ом. |
|
|
|
|
|
Необходимость заварки кратера возникает при сварке прямошовных труб большого диаметра, когда с целью экономии металла стремятся уменьшить отрезаемую часть, в пределах которой находится кратер шва. Устройство для автоматической заварки кратера, при сварке труб диаметром 1220 мм на Челя бинском трубопрокатном заводе разработано в ИЭС им. Е. О. Патона. Оно воздействует на сварочный процесс путем отклю чения дуги, уменьшения скорости перемещения свариваемой тру бы и скорости подачи электродной проволоки и приводится в действие двумя фотореле, которые контролируют положение конца трубы относительно электрода ![67].
Определенные трудности представляет заварка кратера при импульсно-дуговой сварке, особенно если в источнике питания используются тиратроны.
Известны установки, например, в которых заданное перекры тие шва обеспечивается системой кулачок — концевой выклю чатель — шаговый искатель. После завершения полного оборота
Рис. 20. Схема транзи сторного интегратора для управления импульсным источником
при сварке кулачок замыкает контакт концевого вылючателя, а он включает шаговый искатель, который с помощью .управляю щего реле отсчитывает заданное переключателем число свари ваемых точек перекрытия, а затем отключает привод вращения
иприходит в исходное состояние.
Увыпрямителя ИПИД-300 также нет специального устрой ства для автоматического снижения тока. Управлять углом за-
64
жигания имеющихся в нем тиратронов можно с помощью фазо регулятора. Сделав активное плечо фазорегулятора регулируе мым, можно управлять током по заданной программе и полу чить плавный спад его по заданному закону и с необходимой скоростью. Если же в качестве переменного резистора исполь зовать транзистор, то управление устройством упрощается.
Для согласования параметров транзистора 77 со схемой имеющегося в ИПИД-300 фазовращателя он подключен в ак
тивное плечо не |
непосредственно |
[72], |
а через согласующий |
|
трансформатор |
Tpl (рис. 20). Заданное значение |
тока сварки |
||
устанавливается |
потенциометром |
R5. |
Напряжение, |
которое с |
него снимается, управляет через транзистор Т2 сопротивлением транзистора 77. Для заварки кратера необходимо нажать на кнопку Кн. При этом контакт IP реле Р разомкнётся, а контакт 2Р замкнется. Конденсатор С1, шунтирующий вход эмиттерного повторителя на Т2, отключается от потенциометра R5 и разря
жается через транзистор ТЗ. Скорость разряда, а |
следователь |
но, и скорость спада тока сварки устанавливаются |
резистором |
R3. |
|
3.ДИСТАНЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ
СПОМОЩЬЮ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Впоследние годы в промышленности все шире используется телевизионная техника. В СССР выпускается серийно более десяти типов ПТУ (установок промышленного телевидения) [33]. Связь между передающей камерой и видеоприемным устройст вом осуществляется по кабельной линии протяженностью 300— 1000 'м. И в сварочном производстве применение телевидения дает положительный эффект.
Телекамеры с трансфокатором и устройствами дистанционноуправления, установленные на различных участках сварочного цеха, позволят начальнику цеха иметь информацию о ходе ра боты и состоянии оборудования и принимать оперативные ре шения.
При сварке в труднодоступных местах или там, где пребы вание для человека опасно, применение дистанционно управляе мого сварочного манипулятора с телевизионной системой конт роля облегчает условия работы. В этом случае одна передаю щая камера может иметь в поле своего зрения зону сварочной
дуги и давать возможность сварщику-оператору |
контролировать |
визуально и корректировать режим дуги, другая |
камера долж |
на иметь некоторый пространственный обзор, с |
тем чтобы в |
него попадали все подвижные узлы аппаратуры |
и места обяза |
тельного контроля. |
|
Для более полного представления о ходе процесса необхо димо наблюдение с двух позиций. Это можно сделать с помо щью одной передающей камеры, если снабдить ее системой оп тических призм [86].
5—80 |
65 |
При телевизионном контроле зоны сварки для передающей камеры неблагоприятны температурные условия, создаваемые дугой и разогретым изделием, возможны попадания на нее брызг расплавленного металла, влияют внешние электромагнит ные наводки. Телекамеры серийных ПТУ не приспособлены для работы при температуре окружающей среды выше +150° С. Для ослабления воздействий можно использовать воздушное, а еще лучше водяное (проточное) охлаждение, защиту оптики камеры стеклом из плавленого кварца, не меняющего своих свойств при температуре до 1000° С и ослабляющего ультрафиолетовое из лучение дуги. Для защиты от внешних магнитных полей камеру помещают в двойной экран из дюралюминия и мягкой стали.
Наиболее сложной задачей при визуальном и телевизионном контроле зоны сварки является сглаживание большой контраст ности между изображением дуги, раскаленного электрода, сва рочной ванны, свариваемого изделия и сварочного оборудова ния. Коэффициент яркостного контраста показывает превыше ние яркости светящейся поверхности излучающего элемента с наибольшей интенсивностью, т. е. столба сварочной дуги Вд, над псевдояркостью отражающих поверхностей Ви
|
|
к я = |
В д ~ В и |
< |
1500, |
|
|
|
|
|
|
Ви |
|
|
|
|
|
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ви |
= ар — |
6acosi|r, |
|
|
||
|
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
вд = — * * — |
и вд |
= —1*— |
• |
|
||
где Bg и В'д |
|
S1 COS фх |
|
|
s2 cos cp2 |
|
|
|
— |
яркости дуги по линии визирования и в направ- |
|||||||
|
|
лении освещения изделия в нитах; |
|
|||||
1ф — |
сила света дуги в се; |
|
|
|||||
S| и s2 |
— |
площади светящейся поверхности дуги в м2; |
||||||
Фі и ф2 |
— |
углы, образуемые направлением светового по |
||||||
|
|
тока с нормалью к площадке светящейся по |
||||||
а |
|
верхности, в |
рад; |
|
|
|
|
|
—• коэффициент |
поглощения лучистого потока ду |
|||||||
|
|
ги окружающими |
ее газами; |
|
|
|||
р — |
коэффициент |
отражения поверхности изделия; |
||||||
s — обозримая площадь изделия в м2; |
рад. |
|||||||
•)> — |
угловое |
положение |
поверхности изделия в |
|||||
Наличие контраста исключает |
возможность |
в процессе |
свар |
|||||
ки без использования специальных средств одинаково четко ви деть дугу, сварочную ванну, свариваемый стык, электрод и при садочную проволоку.
Можно указать два метода решения этой задачи. При одном используются одновременно две передающие камеры с постоян ными полями визирования — первая защищена нейтральным
фильтром и имеет в поле зрения дугу и сварочную ванну, а из
поля зрения другой |
эти сильносветящие объекты исключены. |
|
Более рационален, по мнению автора, |
второй метод. Суть его |
|
состоит в том, чтобы |
путем подбора |
цветовых светофильтров |
притушить мощное излучение дуги и ванны, переведя тем самым их изображение из видимой области спектра в инфракрасную. Изображения холодных или слабо нагретых объектов можно так же сместить в эту зону путем дополнительного подсвета их лам пой накаливания. В сочетании с видиконом с максимумом чув ствительности в инфракрасной области можно надеяться полу чить на одном экране изображение всей зоны сварки, не заби
тое |
излучением дуги. |
Использование, |
например, |
видикона |
ЛИ-411 в сочетании с |
соответствующим |
светофильтром позво |
||
ляет |
снизить контрастность излучения дуги в 5—10 |
раз [77]. |
||
Некоторый эффект снижения контрастности дает подсвечи вание зоны дуги лампами накаливания (прожекторами), в этом случае переход к яркой дуге несколько сглаживается. Такой ме тод используется в консольной установке с дистанционным уп равлением для сварки под флюсом внутренних кольцевых сты ков корпусов диаметром более 800 мм [71]. Корректируют поло жение электрода относительно стыка поперечным перемещением всей консоли по изображению закрепленного на головке указа теля. Телеэкран установлен на пульте управления. В передающей камере используется видикон ЛИ-23 с объективом Ю-3. Изобра жение на экране увеличено в 3 раза — это позволяет получить точность направления электрода по стыку не ниже ±0,7 мм.
Хороший эффект снижения коэффициента контрастности да ет конструктивно простое устройство'. Возле сварочной дуги устанавливается сферический рефлектор из хромированного ма териала, отражающий излучение дуги на поверхность сваривае мого изделия. Подсвет оказывается настолько сильным, что яркостный контраст снижается в 100—300 раз и на экране теле визора становятся видимыми детали свариваемого шва.
Высказывались также идеи о снижении контрастности с по мощью оптического клина, механически перемещаемого в соот ветствии с яркостью излучения дуги, или фотохромной пленки, меняющей свою оптическую плотность в зависимости от интен сивности излучения в ультрафиолетовой области спектра. Одна ко реализация обоих методов технически сложна и не решает задачу снижения контраста в изображении дуги и ее окруже ния.
При малых расстояниях между свариваемым швом и опера тором вместо телевидения могут быть использованы оптический перископ (эндоскоп) или волоконная оптика 136]. Последняя может оказаться незаменимой при контроле формирования кор ня шва при сварке неповоротных стыков труб малого диаметра.
1 Е ф и м о в И. И. и С о л н ц е в |
А. А. Авторское свидетельство № 252549 |
(БИ №29, 1969). |
|
5* |
67 |
Нельзя обойтись без телевидения и при |
автоматизации конт |
|
роля сварных соединений |
методами рентгеновской, бетатронной |
|
и гаммадефектоскопии. |
В сочетании с |
электроннооптическим |
преобразователем (ЭОП) |
телевизионная |
установка позволяет |
при рентгеновском контроле преобразовать невидимое изобра жение в видимое и визуально контролировать внутреннюю структуру сварного шва и околошовной зоны на экране телеви зора. Такая установка разработана в ВЭИ и состоит из рентге новского аппарата РУП-200-20-5 с трубкой ЭБДМ-300, преобра зователя РУМ-4 (усиление по яркости почти 1000-кратное) и телевизионной системы ПТУ-101 с суперортиконом ЛИ-17. По добная установка может быть встроена в технологический цикл.
Для поточного контроля качества сварных швов труб боль
шого диаметра с толщиной |
стенки до |
30 мм |
со скоростью до |
2 м/мин ЦНИИЧерметом |
совместно |
с рядом |
заводов создана |
рентгено-телевизионная установка РЭТУ-1. Состоит она из рент геновского аппарата АРКТ-150-10, электроннооптического уси лителя яркости рентгеновского изображения УРИ-135 и систе
мы ПТУ-111. Испытана установка |
на Челябинском трубопрокат |
ном заводе на трубах диаметром |
820 мм с толщиной стенки |
9—12 мм [63]. |
|
ГЛАВА III
АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ
Различные задачи автоматизации процесса дуговой сварки 5—10 лет назад решались с помощью отдельных систем и уст ройств. Так создавались следящие системы для перемещения электрода только поперек стыка, системы регулирования только длины дуги, системы стабилизации только отдельных электри ческих параметров процесса. Между тем, чтобы ни автоматизи ровали в отдельности—• положение, скорость, параметры режи ма дуги, — в конечном счете, все это отражается на качестве сварного соединения. Необходимость комплексного подхода к автоматизации процесса сварки очевидна, ибо сварочный про цесс относится к категории сложных объектов и может быть представлен только в виде многосвязной системы [48, 49, 56]. Системы регулирования все чаще осуществляются как комлексные и комбинированные, в которых контролируются и регули руются не только позиционные параметры процесса, но и одно временно параметры режима дуги. Некоторые разработанные системы настолько громоздки (по содержанию, а не конструк тивно), что не поддаются классификации. Поэтому принятое ниже разделение систем на группы в ряде случаев можно рас сматривать условно — по преобладающему признаку.
1. АВТОМАТИЧЕСКАЯ ОРИЕНТАЦИЯ ЭЛЕКТРОДА ОТНОСИТЕЛЬНО ИЗДЕЛИЯ
Системы, обеспечивающие заданную ориентацию электрода относительно свариваемого изделия, целесообразно разделить на две группы: первая — следящие системы, осуществляющие ориентацию только в направлении, перпендикулярном продоль ной оси стыка; вторая — двух- и трехкоординатные следящие системы ориентации головки, а также комбинированные систе мы, обеспечивающие не только необходимую ориентацию элект рода, но и регулирование некоторых других механических и электрических параметров процесса при условии, однако, что