книги из ГПНТБ / Севбо П.И. Комплексная механизация и автоматизация сварочного производства

§ 9. АВТОМАТИЗАЦИЯ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ КАК ЧАСТЬ КОМПЛЕКСНОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

В сварочном производстве наиболее распространенными и мас­ совыми видами сварки являются электродуговая и контактная. По­ этому особое внимание следует уделять автоматизации именно этих сварочных процессов. Важнейшими объектами автоматизации в этих процессах, кроме основных рабочих операций, являются операции регулирования и управления.

Теория автоматического регулирования и управления разрабо­ тана Б. Е. Патоном, В. К. Лебедевым, Н. Н. Иващенко, А. А. Ива­ новым и др. [12, 13, 28, 29, 31]. Поэтому не имеет смысла подробно останавливаться на общих принципах построения систем автомати­ ческого регулирования и управления, их классификации и т. д. Мно­ гие современные сварочные автоматы и машины снабжены (хотя и не полностью) регуляторами сварочного процесса, например, авто­ маты для дуговой сварки — системами автоматической стабилиза­ ции напряжения (или длины) дуги, контактные машины для точеч­ ной сварки типа МТП — электронными регуляторами времени, обес­ печивающими автоматическую работу машины и последовательность отдельных операций цикла сварки с плавным регулированием длительности этих операций, и т. д.

В проблеме комплексной автоматизации сварочного производ­ ства наибольшее значение имеют задачи автоматического выполнения тех операций регулирования и управления, которые не охвачены обычной схемой стандартного, серийно выпускаемого сварочного оборудования и в то же время необходимы для возможности сопря­ жения со смежными технологическими операциями.

Прежде чем перейти к рассмотрению этих неавтоматизированных операций сварочного цикла, необходимо отметить ряд специфиче­ ских особенностей автоматизации сварочных процессов, отличаю­ щих ее от автоматизации других технологических процессов в ме­

и соответствующих рабочих операций, в частности, с точностью рабо­ чих движений станка и размеров обрабатываемых изделий. В сва­ рочных процессах по сравнению с обработкой металлов резанием (токарной, фрезерной, строгальной) требуется гораздо меньшая точ­ ность стабилизации и регулирования параметров режима обработки. Например, требуемая точность движения сварочной дуги по шву примерно на порядок ниже необходимой точности рабочих движений

120

металлорежущих станков: для дуговой сварки допустимо отклоне­ ние электрода от оси шва в пределах от ± 1,0 до ± 1,5 мм, а для ре­ зания на станках — отклонение резца от ± 0,10 до ± 0,5 мм.

Аналогично обстоит дело с точностью готовых сварных изделий; допуски на их размеры также на порядок больше допусков на изде­ лия токарной или фрезерной обработки. Таким образом, в свароч­ ном производстве как сам технологический процесс, так и готовые изделия по своей точности гораздо грубее многих других производ­ ственных процессов металлообработки и их продукции. Отсюда сле­ дует, что по классу точности системы автоматического регулирова­ ния и управления, применяемые в металлорежущих станках, го­ раздо выше и поэтому далеко не всегда целесообразны для свароч­ ных станков и аппаратов. Этим объясняется неудача, постигшая конструкторов, применивших систему числового программного уп­ равления движением металлорежущих станков в сварочных и на­ плавочных станках без всяких коррективов. Излишняя точность этой системы естественно сопровождается излишней сложностью обору­ дования и сложностью его эксплуатации. Поэтому ее применение в сварочном производстве оказалось невыгодным. Лишь после того, как удалось резко упростить систему числового программного управления и создать импульсно-шаговую систему с большой вели­ чиной шага и небольшим объемом информации в программе [41], эта система приобрела права на успешное внедрение в сварочном про­ изводстве.

Из-за резко отличных классов точности следует осторожнее при­ менять в сварочном производстве конвейерное оборудование автома­ тических линий, выпускаемое нашей промышленностью в основном для обработки металлов резанием. В сварочных линиях нет особой необходимости в высокой точности останова, направляющих уст­ ройств, базовых плоскостей, которые обязательны для таких точных методов обработки, как фрезеровка, расточка и строжка деталей, на­ пример блоков автомобильных двигателей. Не говоря уже о слож­ ности и высокой стоимости этих устройств, они требуют и более квалифицированного обслуживания, не свойственного сварочному производству. Кроме того, такое оборудование может оказаться слишком чувствительным к различного рода загрязнениям окружаю­ щего воздуха, характерным для сварочных цехов (газы от дуговой сварки, флюсовая пыль, брызги металла и др.). Поэтому, несмотря на высокое совершенство этих точных систем и устройств, их приме­ нение в сварочном производстве далеко не всегда целесообразно.

Итак, первая особенность заключается в сравнительно невысо­ ких требованиях, предъявляемых к точности сварочного техноло­ гического процесса и готовых сварных изделий. Эта особенность в общем случае облегчает задачу автоматизации сварочного процесса.

121

Однако существует и другая особенность, не менее характерная для сварочного производства, но с точки зрения его автоматизации действующая в противоположном — отрицательном — направлении. Дело в том, что точность изготовления заготовок (деталей) и точность их сборки под сварку по сравнению с точностью обработанных дета­ лей машин и их узловой сборки, во много раз ниже (допуски соот­ ветственно в 10—20 раз шире) и часто выходят за пределы допусти­ мых для автоматической сварки. Вместе с тем, повышение точности заготовительных и сборочных работ в сварочном производстве со­ пряжено с большими трудностями и может оказаться невыгодным, так как существенно увеличивает их трудоемкость и ставит под сом­ нение общую целесообразность автоматизации, если из-за нее прихо­ дится резко повышать класс точности заготовок и их сборки. Таким образом, при разработке сварочных автоматов и станков конструк­ тору приходится сталкиваться с новым затруднением: в большинстве случаев нельзя применять жесткие (без обратных связей) программы автоматического управления процессом, в частности, управления траекторией движения сварочной дуги, так как отклонения разме­ ров заготовок и собранного под сварку изделия выходят за пределы допустимых. Между тем введение обратных связей весьма сущест­ венно усложняет систему автоматического управления. Кроме того, для многих случаев автоматизированной сварки проблема обрат­ ных связей вообще еще не решена.

Здесь уместно продолжить аналогию с другими видами обработ­ ки металлов, имеющими больший опыт автоматизации, например, с механической обработкой резанием. Если при точении и фрезеро­ вании заранее задают нужные размеры готовой детали с необходи­ мыми допусками и размеры заготовки не влияют на точность готовой детали, то при дуговой сварке (при изготовлении сварного изделия) изменить фактические размеры заготовок невозможно, так как они уже определены предыдущими технологическими операциями (за­ готовительными и сборочными) и, следовательно, заранее определя­ ют все линии швов с их неточностями по направлению, по зазору, депланации кромок ит. д. Указанные неточности, как правило, выше допустимых по условиям автоматической сварки, и с этим прихо­ дится считаться.

Таким образом, в первом случае (при механообработке) управле­ ние движением можно автоматизировать по заранее заданной жест­ кой программе, а во втором случае (при сварке) жесткая програм­ ма, как правило, не приемлема: необходимо слежение и обратные связи, корректирующие программу по фактическим отклонениям из­ делия от номинала (прямолинейности швов, величины зазоров, де­ планации кромок и т, д.), либо необходимы устройства с предвари­ тельной записью и запоминанием фактических линий и размеров

122

швов, зазоров, депланаций с тем, чтобы последующее движение ав­ томата происходило по записанной программе, индивидуальной для каждого изделия.

Наконец, имеется еще третья особенность, отличающая свароч­ ный процесс от технологических процессов механической обработки металлов и усложняющая задачу его автоматизации. В процессе сварки вследствие неравномерности нагрева изделия возникают зна­ чительные температурные деформации свариваемых деталей, иска­ жающие форму шва и затрудняющие программное управление про­ цессом. Даже если заранее будут учтены все неточности в размерах заготовок и в их сборке, температурные сварочные деформации из­ делия учесть очень трудно. Поэтому при ожидаемых значительных деформациях и невозможности определить их заранее система ав­ томатизации должна быть снабжена обратными связями, что обычно не требуется при механообработке.

Однако указанная отрицательная особенность сварки (наличие сварочных деформаций) во многих случаях может быть сведена к минимуму и даже вовсе исключена при использовании специальной технологии или предохранительных устройств, например жестких сборочно-сварочных кондукторов, удерживающих изделие от дефор­ маций во время сварки.

Таким образом, приходим к выводу, что сварочное производство, сравнительно простое и грубое по классу точности, нуждается в более сложной системе автоматического управления по сравнению с про­ граммными токарными или фрезерными станками, выпускающими гораздо более точную продукцию. Итак, для сварочных процессов, как правило, требуются хотя и менее точные, но более сложные си­ стемы автоматического регулирования и управления.

§10. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ

Основные задачи автоматизации дугового сварочного процесса можно свести к следующим: автоматическое регулирование свароч­ ной дуги с целью стабилизации ее основных электрических пара­ метров (напряжения, тока); направление перемещения дуги или электрода по оси шва или по заданной траектории с необходимой точ­ ностью; возбуждение дуги в начале шва и выключение ее в конце; заварка кратеров в начале и в конце шва.

Наиболее сложны и ответственны первые две задачи. Автоматическое регулирование и стабилизация сварочной дуги.

В комплекте оборудования для автоматической сварки плавящимся электродом основным рабочим органом является сварочная головка, осуществляющая непрерывную подачу электродной проволоки в зо­ ну сварки и автоматическое регулирование дуги.

123

В промышленности получили распространение сварочные голов­ ки двух типов, отличающиеся между собой способом регулирования и стабилизации дуги: головки, в которых автоматическое регули­ рование напряжения или тока дуги осуществляется путем воздей­ ствия на скорость подачи электрода (рис. 26, о); головки с постоян­ ной, независимой скоростью подачи (рис. 26, б).

Головки первого типа часто называют головками с зависимой скоростью подачи. Они подают электродную проволоку со скоростью,

0 1 2 3 4 5 6 7

Дианimp электрода; т

Рис. 26. Простейшие электросхемы сварочных головок и области их при­ менения.

зависящей от напряжения дуги. С увеличением длины дуги повыша­ ется ее напряжение, в связи с чем электродвигатель, подающий про­ волоку, увеличивает число оборотов и восстанавливает заданную длину дуги, а следовательно, и ее напряжение. При случайном укорочении дуги напряжение падает, вращение двигателя и подача проволоки замедляются, благодаря чему снова восстанавливается нормальная длина дуги и ее напряжение. Таким образом, головка первого типа представляет собой автоматический регулятор напря­ жения дуги.

В головках второго типа (рис. 26, б) электродная проволока подается с постоянной скоростью, не зависящей от напряжения дуги. Тем не менее при определенных условиях происходит естественный процесс саморегулирования дуги: при случайном уменьшении дли­ ны дуги скорость плавления проволоки возрастает и становится больше скорости подачи, вследствие чего дуговой промежуток уве­ личивается до тех пор, пока не достигнет заданного значения; при увеличении длины дуги выше заданной скорость плавления пони­ жается и соответственно уменьшается дуговой промежуток, пока не будет восстановлена его номинальная величина. Такой процесс саморегулирования объясняется тем, что скорость плавления про­

124

порциональна сварочному току, величина которого зависит от напряжения дуги, а следовательно, и от ее длины (ток увеличивается

спадением напряжения и наоборот).

Врезультате эксплуатации сварочных головок с постоянной ско­ ростью подачи электродной проволоки, использующих эффект са­ морегулирования дуги [4], установлены пределы значений тока, вернее плотностей тока, ниже которых процессы восстановления заданного режима сварки недопустимо затягиваются (рис. 26, в, кривая А), а также предельные значения токов и плотностей тока, ниже которых устойчивость горения дуги становится недостаточной для получения качественных сварных соединений (кривая Б). При­ веденные кривые соответствуют сварке переменным током под флю­ сами АН-348 и ОСЦ-45.

Вопределенных условиях процесс саморегулирования дуги про­ исходит и при газоэлектрической сварке (в среде защитных газов).

При значениях тока, лежащих выше кривой А, получены хоро­ шие результаты при сварке с постоянной скоростью подачи электрод­ ной проволоки. При значениях тока, находящихся ниже кривой Б, устойчивый процесс сварки под флюсом переменным током вообще невозможен. При питании дуги постоянным током кривая Б на рис. 26, в несколько опускается, т. е. сварка возможна при более низких значениях тока.

Заштрихованная площадь между кривыми А и Б характеризует область тех значений тока, при которых нельзя получить устойчи­ вые результаты при сварке аппаратами с саморегулированием дуги. Таким образом, при сварке под флюсом на переменном токе электро­ дами диаметром до 3 мм аппараты с постоянной скоростью подачи могут работать почти при всех применяемых на практике значениях тока. Следовательно, для сварки электродной проволокой диамет­ ром 1—3 мм целесообразно применять сварочные аппараты с по­ стоянной скоростью подачи, использующие принцип саморегули­ рования. При сварке электродами 4—6 мм также можно применять аппараты с постоянной скоростью подачи, но с некоторыми ограни­ чениями режимов сварки. При сварке электродами диаметрами бо­ лее 3 мм в заштрихованной области режимов и ниже необходимо применять аппараты с автоматически регулируемой скоростью по­ дачи электрода (рис. 26, б).

Большинство сварочных головок, выпускаемых в СССР, рабо­ тают по принципу саморегулирования — с постоянной скоростью подачи электрода. Настройка на заданную скорость подачи произ­ водится плавно или ступенчато путем изменения числа оборотов подающих роликов сварочной головки.

В первом случае это осуществляется регулированием числа обо­ ротов двигателя механизма подачи или с помощью механического

125

вариатора, во втором — сменными шестернями редуктора или ко­ робкой скоростей. Наиболее простыми являются те головки, в ко­ торых скорость подачи настраивается сменными шестернями. Од­ нако применение этой системы исключает возможность плавного ре­ гулирования скорости подачи и усложняет переключение аппарата с одного режима сварки на другой.

Система бесступенчатого, плавного регулирования позволяет легко и быстро изменять режим сварки на ходу. Поэтому эта система целесообразна при индивидуальном и мелкосерийном характере про­ изводства. Для крупносерийного и массового производства изде­ лий с однотипными швами, когда не требуется частое изменение ре­ жима сварки, более целесообразны сварочные головки со сменными шестернями, так как они предельно просты и надежны в эксплуа­ тации.

Итак, автоматическая стабилизация сварочной дуги (в основном напряжения, реже — тока или мощности) предусмотрена в каждом серийном автомате для сварки плавящимся электродом. Она осу­ ществляется за счет естественного саморегулирования дуги при до­ статочно высоких плотностях тока на электроде либо с помощью спе­ циального регулятора путем автоматического изменения скорости подачи электрода в зависимости от напряжения дуги. В обоих случа­ ях система автоматического регулирования дуги (напряжения, то­ ка) обеспечивается самим сварочным автоматом. Поэтому она не является объектом специального проектирования при разработке комплексной автоматизации сварочного производства и, следова­ тельно, ее можно не рассматривать, тем более, что эти системы и ре­ гуляторы достаточно подробно разработаны и описаны во всех учеб­ ных пособиях и специальной литературе по сварочному обрудованию [29]. В дальнейшем будем рассматривать лишь те элементы автоматизации, которые не содержатся в обычных сварочных автома­ тах серийного производства.

Стабилизация вылета электрода. Автоматические регуляторы дуги (напряжения, тока), как правило, не учитывают влияния из­ менений вылета электрода на сварочный процесс. Однако известно, что при сварке в С02 на повышенных плотностях тока (свыше 150 а/мм2) вылет электрода является одним из важнейших параметров режима, в значительной мере предопределяющим стабильность процесса, величину сварочного тока, характер переноса электрод­ ного металла и т. д. В реальных условиях автоматической сварки из­ менения вылета электрода всегда возможны вследствие неточности подготовки и сборки изделий, нестабильности траектории движения сварочной дуги в вертикальном направлении, износа токоподводя­ щих наконечников и т. д. Они бывают также при многослойной сварке и сварке криволинейных швов.

126

Простейшим средством стабилизации вылета электрода является механическая система «плавающей» головки, при которой сварочная головка или сварочный трактор опирается своими роликами или щупом непосредственно на свариваемое изделие вблизи зоны свар­

ки и таким образом копирует все вертикальные неровности шва, вызывающие в обычных условиях (при отсутствии копирования) изменение вылета электрода. Система «плавающей» головки или «пла­ вающего» электродного мундштука весьма проста и надежна, но применение ее не всегда возможно, часто она слишком неточна

127

и несовершенна; она, например, не реагирует на влияние износа токоподводящего наконечника, изменяющего вылет электрода; не учитывает разности уровней сварки многослойного шва; копирует изделие и шов не в самой зоне сварки, а на некотором удалении от нее, что вносит свои погрешности, и т. д.

Несколько более совершенна электромеханическая система ко­ пирования (рис. 28). Она лишена недостатка, связанного с дистан­

ционным расположением копирного ролика или щупа относительно электрода. Дистанционное расположение датчика (ролика, щупа и др.) обусловлено необходимостью удалить его из зоны действия сва­ рочного нагрева.

При обычном способе копирования (рис. 27) датчик или меха­ нический копир 1 (ролик, щуп), расположенный впереди дуги, не­ медленно передает сигнал на исполнительный орган, который пе­ ремещает головку раньше, чем электрод приблизится к месту, где среагировал датчик. При достаточно большом расстоянии между датчиком и электродом и при значительной кривизне изделия это вносит существенную погрешность в копирование.

Особенностью системы (рис. 28), исключающей эту погрешность,

128

является наличие в ней запоминающего устройства, которое вос­ принимает сигналы датчика и передает команду исполнительному механизму, например электроприводу подъема сварочной головки, не одновременно, а через определенный промежуток времени, за который сварочный аппарат пройдет путь, равный расстоянию между датчиком и электродом. Благодаря этому отсутствует погрешность,, вносимая дистанционным расположением датчика.

Система работает следующим образом (рис. 28). Датчик 2 пере­ дает сигнал через преобразователь-усилитель 5 и магнитную за-, писывающую головку 9 на запоминающее устройство, в качестве ко­ торого применена бесконечная магнитная лента 8. При движении маг^ нитной ленты через определенный промежуток времени запись попадает под магнитную считывающую головку 7, которая воспри­

статом 3.

В качестве запоминающего устройства можно использовать бу-, мажную ленту. В этом случае сигнал с датчика передается через пре­ образователь-усилитель 5 автоматическому самопишущему уст­ ройству, которое наносит на бумажную ленту линию, соответст­ вующую изменениям линии шва. Через определенный интервал времени фотоследящая система регистрирует этот сигнал и передает его исполнительному механизму 4 для перемещения сварочной го­ ловки 11.

Во всех случаях движение запоминающего устройства (магнит­ ной или бумажной ленты) должно быть строго синхронизировано с движением сварочного автомата или свариваемого изделия. Для это­ го ленточный барабан может быть жестко соединен с ободом ко­ леса 10 автомата.

Если лента 8 движется относительно магнитных головок 9 и 7 со скоростью сварки, то расстояние между головками 9 и 7 (записы-. вающей и считывающей) должно быть равно расстоянию между датчиком и электродом с поправкой на время срабатывания пускорегулирующей аппаратуры.

Отрицательная особенность систем копирования с запоминанием заключается в их структурной и конструктивной сложности. В этом' отношении система «плавающей» головки и «плавающего» мундшту-^ ка гораздо проще и надежнее.

Общим недостатком описанных систем стабилизации вылета электрода (методом механического копирования «плавающей» голов­