книги из ГПНТБ / Чвертко А.И. Установки и станки для электродуговой сварки и наплавки

можность подачи четырех команд для управления сваркой. В качестве одного из немногих пока примеров позицион­ ной системы программного управления для электродуговой сварки может быть приведена система автоматического управления многопроходной электродуговой сваркой тол­ стостенных круговых соединений, разработанная в Инсти­ туте электросварки им. Е. О. Патона. Эта система может быть отнесена к программно-путевым позиционным. Она не является цифровой, но обладает качеством, присущим, главным образом, цифровым системам: при переходе на сварку изделия с другим сечением разделки достаточно толь­ ко сменить программоноситель. Кроме того, в логической схеме системы широко применены методы и средства вычис­

лительной техники.

Систему применяют для автоматизации многопроходной сварки роторов крупных паровых и газовых турбин и ком­ прессоров [13, 38].

Сварка выполняется на установке типа У378 (рис. 118), которая состоит из сварочного аппарата, консоли с приводом перемещения вдоль оси изделия, тележки с приводом, блока ввода программы, механизма отсчета оборота изделия, вращателя и шкафа управления. Установка комплектуется системой автоматического контроля температуры предвари­ тельного и сопутствующего подогрева и устройством для очистки поверхности наплавленного металла от шлаковой корки. Сварочный аппарат состоит из неподвижного кор­ пуса, который крепится к тележке, вертикальной штанги с приводом, двухкамерного флюсоаппарата для подачи флюса в зону сварки, подающего механизма и поворотного мундштука с приводом вращения мундштука вокруг вер­ тикальной оси.

В процессе многопроходной сварки при глубокой раздел­ ке после наложения очередного валика или слоя необходимо перемещать конец электрода по горизонтали поперек раздел­ ки либо по вертикали (рис. 119). Перемещение по горизон­ тали осуществляется путем поворота изогнутого мундштука, а по вертикали — путем подъема штанги сварочного ап­ парата.

192

Блок ввода программы [36] состоит из штока со считыва­ ющей головкой, кронштейна для крепления программоно­ сителя и водоохлаждаемого кожуха. В процессе заполнения разделки программоноситель неподвижен, а шток со счи­ тывающей головкой перемещается по вертикали вместе со штангой сварочного аппарата и мундштуком и получает горизонтальное перемещение от привода поворота мунд­ штука. Для увеличения точности отработки программы ли­ нейное горизонтальное перемещение считывающей головки

Рис. 119. Схема заплавления разделки при многопроходной сварке:

/ — п р о г р а м м о н о с и т е л ь ; 2 — ш т а н га с в а р о ч н о г о а п п а р а т а ; 3 — ш т о к ; 4 — м у н д ш т у к ; 5 — с в а р и в а е м ы е э л е м е н т ы с р а з д е л к о й ; 6 — о с в е ­ т и т е л ь ; 7 — ф б т о с о п р о т н в л е н н е и л и ф о т о д и о д .

в 6 раз больше соответствующего линейного перемещения конца электродной проволоки поперек разделки, что обес­ печивается передаточным отношением кинематической це­ пи, связывающей мундштук и считывающую головку.

Считывающая головка состоит из трех фотосопротивле­ ний, расположенных вдоль направления горизонтального перемещения штока, и осветителя, выполненного в виде трех ламп накаливания.

В системах, разработанных позже, вместо фотосопро­ тивлений применены фотодиоды. Это позволяет уменьшить разброс в точности остановки мундштука либо уменьшить размеры программоносителя.

Программоноситель представляет собой лист из непро­ зрачного материала толщиной 1 мм с прорезями, которые

расположены так же, как и валики, по ширине разделки. Конфигурация боковых кромок программоносителя опре­ деляется контуром боковых стенок разделки. Количество вертикальных прорезей зависит от размеров разделки. Шири­ на каждой вертикальной прорези позволяет одновременно за­ светить только одно из трех фотосопротивлений считываю­ щей головки. Только за пределами боковых кромок про­ граммоносителя возможна засветка одновременно двух фо­ тосопротивлений.

Механизм отсчета оборота состоит из самовыключающей­ ся муфты, электромагнита включения муфты и конечного выключателя. Муфта автоматически включается после отработки мундштуком очередного перемещения, т. е. в на­ чале наложения очередного валика, а отключается после выполнения изделием одного оборота, т. е. после наложения одного валика. В момент отключения муфты конечный выклю­ чатель подает в схему управления команду на перемещение электрода в новое положение. Каждое очередное включение муфты производится с выдержкой времени, необходимой для перекрытия накладываемого валика на 20—30 мм.

Команды, получаемые схемой управления от считыва­ ющей головки, приведены в табл. 6.

Таким образом, освещение среднего фотосопротивления вызывает остановку поворота мундштука и в зависимости от того, сочетается ли это освещение с. одновременным осве­ щением левого или правого фотосопротивления, схема полу­ чает сведения о том, какие перемещения необходимо выпол­ нить для перехода к наплавке следующего кольцевого ва­ лика. Число валиков, которое можно наплавлять в одном слое поперек разделки, может быть любым, но не менее двух.

Участки перехода мундштука от одного наплавленного валика к другому и перекрытия валиков равномерно рас­ пределены по окружности разделки. Это обеспечивается кон­ струкцией муфты отсчета оборота. Для повышения точности отсчета механизм выполнен таким образом, что эта муфта делает 6 оборотов на один оборот изделия, после чего от­ ключается и подает команду на перемещение мундштука в положение, соответствующее наплавке очередного кольце­ вого валика.

Наличие трех фотосопротивлений и логической схемы в системе управления позволяет автоматически переходить от наложения одного валика к другому как в пределах од-

194

Таблица 6

Команды для схемы управления от считывающей головки

ного слоя, так и между слоями, т. е. полностью автомати­ зировать процесс заполнения разделки.

Так как подъем мундштука производится по времени, то в схему управления подъемом введена корректирующая обратная связь, осуществляемая с помощью датчика высоты наплавленного металла. Испытания установки показали, что при соответствующем выборе времени включения дви­ гателя подъема надежная работа возможна и без указан­ ного датчика.

Рассмотренную систему автоматического управления многопроходной сваркой применяют для автоматизации сварки роторов паровых турбин типа ПВК-150. Если при старой технологии сварка такого ротора длилась непрерыв­ но 22 дня, то применение разработанной системы позволило сократить длительность операции до четырех дней, причем собственно сварка длится 36 ч. Таким образом, производи­ тельность увеличена в 5,5 раза.

Другим примером позиционной системы программного управления для электродуговой сварки является система,

Рис. 120. Комбинированная портальная установка с программным управ­ лением для сварки плоских панелей электрозаклепками в среде угле­ кислого газа и для точечной сварки.

примененная в ГДР [51] для сварки плоских секций кузовов железнодорожных вагонов-рефрижераторов. Установка с этой системой (рис. 120) состоит из портала, движущегося вдоль изделия, тележки, перемещающейся по траверсе пор­ тала поперек изделия, и трех сварочных головок. Портал обслуживает два рабочих места: в то время, когда на одном выполняется сварка, на другом производится укладка оче­ редного изделия. Сварка выполняется электрозаклепками в среде углекислого газа.

На этой же установке можно также производить точечную сварку сопротивлением. Во время сварки электрозаклеп­ ками верхний свариваемый элемент прижат к нижнему с помощью подвижных пневмоцилиндров, расположеннвіх на каждой из горелок соосно с каналом подачи электродной проволоки,

196

Система программного управления обеспечивает управ­ ление перемещением портала вдоль изделия, тележки пор­ тала поперек изделия и включением собственно сварки. Программоноситель — восьмидорожечная перфолента. Раз­ мер кадра — семь строк.

Система отработки перемещения — счетно-импульсная. Цена импульса 5 мм. Датчик перемещения фотоэлектриче­ ский. Отсчет импульсов производится относительно непо­ движной рейки с отверстиями, расположенными с шагом 5 мм.

После окончания вывода сварочных горелок в очередную позицию поступает команда, разрешающая включение сварки. Время выполнения сварной точки отсчитывается устройством, обеспечивающим постоянное время сварки, независимо от момента возбуждения дуги и случайных перерывов дугового процесса. Это обеспечивает стабильный уровень качества сварки. Установка с описанной системой дает значительный экономический эффект в условиях час­ той смены изделий, поступающих для сварки [51].

Программное управление только перемещениями изде­ лия или электрода не освобождает рабочего от выполнения многих функций по обслуживанию сварочного агрегата, а в процессе сварки лишь облегчает его задачу путем автома­ тизации перемещения электрода вдоль линии сварки.

Применение программного управления перемещениями дает наибольший эффект в том случае, когда оно сочетается с автоматическим управлением параметрами режима сварки на всем протяжении шва, включая начальный и конечный участки, т. е. возбуждением дуги, выводом параметров ре­ жима сварки по заданному закону на оптимальные значе­ ния, изменением параметров режима в зависимости от по­ ложения шва в пространстве, толщины металла и теплового режима в зоне сварки и, наконец, заваркой кратера по задан­ ному закону, обеспечивающему получение качественного шва на конечном участке стыка.

Параметры режима сварки для всех точек стыка могут быть определены заранее, либо подобраны опытным путем и введены в программу.

Наиболее важное значение имеет программирование ре­ жима при электродуговой сварке большого количества ко­ ротких швов, например при сварке тонкостенных трубок ма­ лого диаметра, трубных решеток теплообменников и т. д.

Задание программы изменения параметров режима свар­ ки в системах ЦПУ осуществляют так же, как и программы

197

перемещений — в цифровом коде. Отработка этой програм­ мы осуществляется с помощью систем управления свароч­ ным током и напряжением на дуге и регулируемого привода подачи электродной или присадочной проволоки.

Во многих случаях применяют более простые, но менее гибкие нецифровые методы задания программы изменения параметров режима сварки.

В последние годы программному управлению режимом электродуговой сварки придают большое значение как в

СССР, так и за рубежом, причем программноеуправление режимом применяют не только при сварке швов сложной конфигурации, но и прямолинейных, и круговых швов, в частности неповоротных стыков. Например, при сварке неповоротных стыков труб в ряде отраслей промышленности предъявляют высокие требования к постоянству сечения и размеров шва. Однако без специальных мер выполнить это требование трудно, так как при постоянном режиме сварки размеры шва изменяются вследствие изменения температу­ ры в зоне стыка из-за подогрева конечного участка стыка за счет распространения теплоты в направлении, противопо­ ложном направлению сварки [12]. Изменения тепловых ус­ ловий в зоне шва могут быть учтены и компенсированы путем программного управления сварочным током или скоростью сварки, но поддержание постоянного теплового режима в зоне стыка не всегда обеспечивает выполнения требований, предъявляемых к постоянству сечения и размеров сварного соединения, так как на эти параметры, кроме теп­ лового режима, влияют также сила тяжести расплавленного металла, давление дуги на сварочную ванну и поверхностное натяжение расплавленного металла, причем суммарное дей­ ствие этих факторов различно в разных точках неповорот­ ного стыка. Для компенсации указанных факторов предло­ жено [12] применять местную камеру с дополнительным дав­ лением газа, компенсирующим неблагоприятное действие внешних сил на расплавленный металл. В зависимости от расположения точки сварки на неповоротном стыке в каме­ ре создается избыточное давление или разрежение по задан­ ной программе.

В СССР интенсивно ведутся работы по созданию автома­ тических регуляторов напряжения дуги, систем стабилиза­ ции привода подачи присадочной или электродной проволо­ ки и привода сварочного движения, систем дистанционного управления и автоматического регулирования сварочного

198

тока [3, 11]. Создание и применение систем программного управления режимами сварки возможно только на базе таких систем и устройств.

Аналогичные работы широко ведутся и за рубежом. Сре­ ди фирм, специализировавшихся на разработке различных систем автоматического управления режимами электроду­ говой сварки, можно указать фирму Sciaky.

За рубежом для программного управления режимами применяют достаточно сложные комплексы, в которых про­ грамма изменения режимов и последовательность операций задаются на перфорированной ленте и отрабатываются с высокой точностью. Применение систем стабилизации за­ данной величины сварочного тока, скорости подачи электрод­ ной или присадочной проволоки и напряжения на дуге, ра­ ботающих с высокой точностью (погрешность не более 1%) позволяет сваривать с заданным уровнем качества весьма ответственные конструкции [47, 50].

УСТАНОВКИ И СТАНКИ ДЛЯ СВАРКИ ШВОВ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ И НАПЛАВКИ СЛОЖНЫХ КРОМОК

ИПОВЕРХНОСТЕЙ

СПРИМЕНЕНИЕМ КОМБИНИРОВАННЫХ ИНВАРИАНТНЫХ СИСТЕМ

Одна из основных причин, затрудняющих полную авто­ матизацию электродуговой сварки, — это зависимость текущих координат линии стыка кромок свариваемых эле­ ментов (относительно координатной системы сварочной ус­ тановки) от результатов совместного воздействия ряда случайных возмущений. Основные из них: погрешности изго­ товления свариваемых элементов и их сборки, погрешность фиксации изделия в сварочной позиции, деформации изде­ лия в процессе собственно сварки, перемещения центра зоны нагрева, связанные со свойствами электрической дуги, а для сварки плавящимся электродом —также износ элемен­ тов, ориентирующих электродную проволоку в зоне дуги, и изгиб свободного конца проволоки.

Если случайная составляющая координаты линии стыка превышает допуск (в направлении этой координаты) на сме­ щение центра зоны нагрева с линии стыка (или допуск на величину дугового промежутка при заданном вылете элек­ трода), то система автоматического управления траекторией

199

сварочного движения (АУТСД) должна быть инвари­ антной относительно всех или, по крайней мере, основных из указанных выше возмущений. Эта инвариантность си­ стемы АУТСД может быть обеспечена, если система является комбинированной и предусматривает отработку как расчет­ ной программы, общей для всех экземпляров изделия дан­ ного наименования, так и корректирующей программы, вырабатываемой индивидуально для каждого экземпляра изделия и предназначенной для компенсации случайных

Рис. 121. Функциональные схемы инвариантной системы АУТСД:

а — с с у м м и р о в а н и е м р е з у л ь т а т о в о т р а б о т к и р а с ч е т н о й и к о р р е к т и р у ю щ е й п р о г р а м м ; б —с с у м м и р о в а н и е м и н ф о р м а ц и и р а с ч е т н о й н к о р р е к т и р у ю щ е й п р о г р а м м и о т р а б о т к о й с у м м а р н о й п р о г р а м м ы ; / — р а с ч е т н а я п р о г р а м м а ( Р П ) ; 2 — с и с т е м а о т р а б о т к и Р П ; 3 — у с т р о й с т в о и з м е р е н и я в е л и ч и н ы Д К ; 4 — к о р р е к т и р у ю щ а я п р о г р а м м а (К П ) ; 5 — с и с т е м а о т р а б о т к и К П ; 6 — си с т ем а о т р а б о т к и с у м м а р н о й п р о г р а м м ы Р П - f К П .

возмущений. Функциональные схемы такой системы в об­ щем случае имеют вид, представленный на рис. 121.

С точки зрения конструктивной реализации систем АУТСД, а также технологии и организации производствен­ ного процесса на данной и смежных операциях классифи­ кацию систем АУТСД целесообразно производить, в первую очередь, по способу и месту подготовки корректирующей программы и виду средств, используемых для задания рас­ четной и корректирующей программ.

В зависимости от величины времени опережения т (рис. Г21) по сравнению с временем tCBсварки одного изделия можно различать системы АУТСД с подготовкой корректи­

200