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

только от вылета электрода. Этим же недостатком обладают стаби­ лизаторы и регуляторы дуги, работающие по жесткой программе без обратных связей.

В связи с этим в последние годы разработаны системы стабили­ зации режима сварки, использующие метод автоматического изме­ нения вылета электрода в зависимости от напряжения дуги. Причем исполнительным органом в этих системах служит специальный элект­ ропривод подъема и опускания мундштука или всей сварочной го­ ловки. По данным исследований Ю. Н. Кутепова [18, 19] такие системы при сварке в углекислом газе позволяют получить повышен­ ную точность стабилизации сварочного тока и напряжения, дости­ гающую ± 5%.

Эти системы, однако, еще не получили широкого распростране­ ния по следующим причинам: во-первых, вследствие их сложности и громоздкости из-за наличия специального исполнительного механиз­ ма с электроили пневмоприводом, расположенным непосредствен­ но на сварочной головке; во-вторых, из-за отсутствия в стра­ не серийного производства сварочной аппаратуры такого типа с ав­ томатическими регуляторами вылета электрода.

При автоматической сварке плавящимся электродом для стаби­ лизации его вылета можно применять описанные простые и доста­ точно надежные электромеханические роликовые копиры (рис. 27), которые осуществляют направление электрода по шву в двух на­ правлениях: в горизонтальном и вертикальном. Ролики 1, входя в разделку для шва, водят электродный мундштук по шву в горизон­ тальной плоскости. Эти же ролики, воздействуя на контакты 2 (при подъеме или опускании), управляют механизмом вертикального подъема сварочной головки и таким образом копируют шов в вер­ тикальной плоскости, т. е. стабилизируют вылет электрода.

Точность такой стабилизации недостаточна для аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом. Она, однако, вполне приемлема при автоматической сварке или наплавке плавящимся (проволоч­ ным) электродом, особенно если сварка или наплавка производится автоматом тяжелого типа, который трудно или невозможно осуще­ ствить в виде плавающей сварочной головки.

Системе электромеханических копиров (рис. 27) свойственны те же недостатки, что и системе «плавающей» головки или «плавающе­ го» мундштука.

Однако при сварке на средних и мощных режимах, в особенности швов большого сечения, а также при наплавочных работах, особен­ но при толстослойной наплавке, например наплавке лопастей гид­ ротурбин, эти недостатки несущественны, и точность стабилизации вылета не выходит за пределы допустимой.

При аргонодуговой сварке неплавящимся электродом требова­

130

ния к стабилизации вылета электрода гораздо выше и поэтому воп­ рос этот следует рассматривать отдельно, тем более, что в данном случае он связан и со стабилизацией дуги (напряжения, тока).

Стабилизация дуги и вылета электрода при аргонодуговой свар­ ке неплавящимся электродом. Для аргонодуговой сварки непла­ вящимся (вольфрамовым) электродом промышленность выпускает сварочные аппараты без автоматических регуляторов. При сварке этими аппаратами периодическая коррекция длины дуги (и ее на­ пряжения) обычно производится сварщиком вручную, что неприем­ лемо для комплексной автоматизации сварочного производства.

Простейшим устройством для автоматической стабилизации ду­ гового промежутка, а следовательно, и напряжения дуги при арго­ нодуговой сварке вольфрамовым электродом может служить опи­ санная система механического копирования шва, осуществляемого^ с помощью «плавающей» головки (горелки). Благодаря своей прос­ тоте и надежности эта система получила довольно широкое распро­ странение в промышленности. Однако она все же не свободна от указанных выше недостатков, заключающихся главным образом в невысокой точности стабилизации и нечувствительности к случай­ ным колебаниям тока и напряжения.

Поэтому в настоящее время созданы более совершенные следящие системы автоматической стабилизации напряжения или длины дуги применительно к аргонодуговой сварке вольфрамовым электродом.

поддержания заданной длины дуги, используются фотоэлектриче­ ские датчики. Например, в двухкоординатной фотоследящей системе, разработанной ВНИИПТмаш, процесс слежения за длиной дуги заключается в изменении освещенности фоторезисторов датчика при вертикальном смещении сварочной головки от заданного положе­ ния [5].

Более широкое применение находят системы для поддержания заданного напряжения, разрабатываемые по типу компенсацион­ ных схем с источником эталонного напряжения. Схемы электриче­ ских следящих систем для аргонодуговой сварки целесообразно разрабатывать на полупроводниковых элементах, обладающих долговечностью, надежностью и малыми габаритами.

В принципиальной схеме следящей системы на полупроводниках, разработанной В. В. Смирновым [38], используется компенсацион­ ный метод измерений, заключающийся в сравнении напряжения дуги постоянного тока с падением напряжения на резисторе при прохождении по нему тока от источника эталонного напряжения, собранного на кремниевых стабилитронах, питаемых от выпрями­

теля. В зависимости от разностного напряжения осуществляется реверсивное регулирование тока в якоре исполнительного электро­ двигателя. Для улучшения динамических свойств системы в схеме предусмотрена скоростная обратная связь. Точность поддержания заданного напряжения дуги и постоянная времени системы соот­ ветственно равны ± 0 ,1 5 в и 0,3 сек.

В основу пневматического метода стабилизации длины дуги по­ ложен принцип измерения расхода газа (воздуха или аргона), про­ текающего через зазор, образованный между свариваемой поверх­ ностью изделия и выходным соплом пневмодатчика, жестко закреп­ ленного на сварочной головке на определенной высоте от изделия. Выходное сопло датчика вместе с поверхностью свариваемого изде­ лия образует управляемый дроссель, сечение которого определя­ ется длиной сварочной дуги. По данным В. В. Смирнова при за­ данном зазоре между соплом и изделием, равным 0,5 мм, точность работы пневматической системы составляет в среднем ± 0,2 мм, при постоянной времени— 1,5 сек.

Эти схемы просты и в отличие от электронной системы на полу­ проводниках не требуют особой наладки, так как монтируются из стандартных пневматических блоков. Кроме того, они менее чувст­ вительны к колебаниям температуры окружающей среды. Недо­ статком пневматических следящих систем, как и механических ко­ пировальных, является погрешность слежения, возникающая за счет расположения датчика на некотором расстоянии от сварочной дуги (30—35 мм). От этого недостатка свободны комбинирован­ ные электропневматические системы.

В электропиевматической следящей системе в отличие от элект­ рической происходит преобразование первичного электрического сигнала в пневматический. Это преобразование осуществляется с помощью поляризованного реле типа РП-5, в котором контактные группы заменены двумя соплами. Реле является частью электропневматического преобразователя, выполненного на элементах уни­ фицированной системы промышленной пневмоавтоматики УСЭППА.

Электропневматическая следящая система, как и электрическая, работает по компенсационному методу. При изменении заданного напряжения сварочной дуги разностное напряжение поступает на обмотку поляризованного реле, в результате чего происходит пере­ мещение его якоря — заслонки — относительно двух пневматических сопел, одно из которых является соплом управления, а другое — соплом обратной связи.

Для устранения автоколебаний, которые могут возникнуть в электропневматическом преобразователе, и для обеспечения каче­ ственного переходного процесса в преобразователе предусмотрена отрицательная обратная связь.

132

Колебания напряжения дуги при электропневматической системе слежения не превышают ±0,2 ѳ. Время переходного процесса— 1,5 сек.

Применение элементов пневмоавтоматики по сравнению с элект­ рическими методами дает возможность решать некоторые задачи автоматизации сварочных процессов более простыми и надежными средствами, особенно если учесть долговечность стандартных эле­ ментов унифицированной системы УСЭППА.

Наряду с положительными качествами пневмоавтоматики необхо­ димо подчеркнуть и ее недостатки, заключающиеся в некоторой не­ точности слежения (поскольку датчик расположен в стороне от ду­ ги) и недостаточном быстродействии по сравнению с электроникой. Поэтому следует отметить, что выбор электрического, пневмати­ ческого или комбинированного (электропневматического) варианта зависит от возможностей производства, назначения устройства или сварочного автомата и условий их использования в общей автомати­ ческой линии.

Автоматическое направление электрода по стыку. Вторым и весьма важным объектом автоматизации дугового сварочного про­ цесса (после операции регулирования и стабилизации дуги) являет­ ся операция направления электрода (сварочной дуги) по геометри­ ческой оси шва, по линии стыка соединяемых деталей или по задан­ ной сложной траектории движения электрода.

При автоматической сварке точность направления дуги по линии шва приобретает первостепенное значение для качества сварного соединения, так как неточное положение конца электрода, а следо­ вательно, и дуги относительно оси шва вызывает смещение шва от линии стыка и соответствующий непровар корня шва.

Несмотря на ответственность этой операции, в подавляющем большинстве она осуществляется вручную с помощью так называе­ мого корректора и указателя. Указатель расположен впереди дуги над свариваемым стыком и жестко связан с электродным мундшту­ ком. Во время сварки оператор следит за положением указателя относительно стыка и в случае его смещения от оси стыка восста­ навливает правильное положение указателя, а следовательно, и электрода поворотом рукоятки корректора (механизма поперечного перемещения сварочной головки или электродного мундштука).

Такая система коррекции направления электрода крайне несо­ вершенна, требует напряженного внимания оператора и в то же вре­ мя ставит качество сварки в зависимость от индивидуальных осо­ бенностей оператора, его внимательности и добросовестности, тем более, что дефекты, вызванные смещением шва, не всегда можно об­ наружить обычными методами визуального контроля.

Кроме того, система ручного направления или вернее коррек­ ции направления дуги по шву вообще неприемлема при скоростях

133

сварки выше 1 мімин, так как при больших скоростях оператор уже не в состоянии следить за указателем и быстро реагировать на слу­ чайные отклонения стыка от линии движения автомата.

Механические роликовые копиры. Для комплексной автомати­ зации сварочного процесса, как правило, необходимы програм­ мные или следящие устройства автоматического направления дуги по оси шва. В серийных сварочных головках и автоматах подобные устройства (рис. 27) существуют пока только в виде копирующих роликов, движущихся впереди дуги по разделке шва, по углу шва или по стыковому зазору. Эти ролики следят за отклонениями шва и, будучи жестко связаны с электродным мундштуком, соответственно отклоняют (ведут) электрод. Копир (рис. 27) одновременно осуще­ ствляет копирование и по вертикали.

Роликовыми копирами снабжаются почти все серийные свароч­ ные автоматы. Некоторые из них имеют копирные ролики, явля­ ющиеся одновременно и ходовыми. Такие системы самокопирования представляют собой, например, сварочные тракторы типа ТС-17 (ИЭС) или ССГ-3 (ЦНИИТмаш), у которых два задних колеса явля­ ются ведущими, а передние движутся по разделке или по углу шва, направляя весь трактор по линии шва.

Известен и другой метод автоматического направления электро­ да по шву с помощью копирных роликов, когда ролики движутся не по разделке шва, а по копнрной эквидистантной линейке, уста­ новленной параллельно шву. В этом случае отсутствуют погрешнос­ ти, связанные с тем, что ролики расположены впереди дуги на некотором расстоянии. Недостатком этой системы является трудоем­ кость установки копирной линейки или изделия относительно ли­ нейки, если эта операция не автоматизирована.

Система роликовых копиров или скользящих копирных косты­ лей-щупов очень проста и надежна в эксплуатации, но она недоста­ точно совершенна и точна в выполнении своей основной функции.

Во-первых, она не учитывает случайных нарушений взаимного расположения электрода и сварочной дуги относительно копирую­ щих роликов. Эти нарушения возможны из-за несимметричного из­ носа контактов, разбалтывания роликов и шарниров копирного устройства, местного искривления электродной проволоки поперек шва и т. д.

Во-вторых, так как копирные ролики или костыли, движущиеся по разделке шва, расположены впереди дуги на значительном рас­ стоянии от нее (до 150—200 мм), то они следят за швом не в том мес­ те, где в данный момент горит дуга, и, следовательно, вносят по­ грешность в копировании, равную разности отклонения линии шва под роликами и под дугой. Иногда эта разница может оказаться весьма существенной и недопустимой для качества сварного соеди­

134

нения. Вследствие этого применение обычных роликовых копиров недопустимо при сварке криволинейных швов, имеющих переменный радиус кривизны.

В-третьих, вследствие дистанционного расположения копирных роликов относительно дуги, сварку последнего участка шва (на длине до 150—200 мм) приходится вести без копира. При этом копир должен быть выключен соответствующим стопорным уст­ ройством.

Следует отметить, что роликовые копиры, как средство автома­ тического направления электрода по линии шва, применимы далеко не для всех типов швов. Их невозможно использовать для сварки стыковых швов, не имеющих зазора или разделки кромок; нецелесо­ образно —при сварке коротких швов, для которых последний — «бескопирный» — участок составляет значительную долю общей длины шва; невозможно— при сварке швов переменной кривизны; они нена­ дежны при многослойной сварке и т. д.

Таким образом, несмотря на довольно широкое распространение в сварочном производстве механических копиров, все же область их рационального применения ограничена, а точность направления дуги по шву далеко не всегда удовлетворяет требованиям обеспече­ ния качества швов.

Электромеханические следящие системы. В тех случаях, когда механические роликовые копиры не могут обеспечить требуемой точ­ ности направления дуги по шву, следует применять более совершен­ ные электромеханические следящие системы с фотоэлектрическими, электромагнитными или индуктивными датчиками. Эти системы еще не получили широкого распространения и многие из них все еще находятся в стадии разработки, лабораторных и промышленных ис­ пытаний [25].

Выше были отмечены некоторые специфические особенности ав­ томатизации дуговой сварки, обусловленные неточностью заготовок и сборки их под сварку. В связи с этим при решении задачи автома­ тического направления дуги по шву следует различать три случая сварки, в значительной мере определяющие выбор системы автома­ тического направления: 1) сварка соединительного шва, линия ко­ торого определена неточными операциями изготовления и сборки заготовок и, следовательно, имеет значительные отклонения от но­ минала; 2) сварка шва, соединяющего точно изготовленные и со­ бранные детали с незначительными отклонениями от номинальных размеров, например, сварка кругового шва, соединяющего обрабо­ танные на токарном станке детали, или сварка простроганных на станке деталей; 3) наплавочные работы, при которых отсутствуют заданные сборкой линии швов, точнее валиков наплавки, но, одна­ ко, требуется соблюдать определенный маршрут движения электрода.

135

В первом, наиболее распространенном, случае автоматическое направление дуги по оси шва, как правило, невозможно осуществить по жесткой программе, без обратных связей. В этом случае необхо­ дима гибкая система с обратной связью, корректирующей направ­ ление движения по фактическим отклонениям оси шва от номинала, следовательно, необходима следящая система. Простейшим, но да­ леко не совершенным представителем следящих систем может слу­ жить описанный механический роликовый копир (рис. 27) и система самокопирования.

Во втором и третьем случаях вполне удовлетворительно могут работать устройства с жесткой программой движения (без обратных связей), а при сварке точных круговых и прямолинейных швов небольшой протяженности сварочные автоматы могут хорошо рабо­ тать вообще без всяких специальных устройств для автоматиче­ ского направления электрода по шву. При сварке таких швов до­ статочны простейшие приспособления для первичной установки электрода над стыком.

Наибольший интерес представляют первые случаи сварки и предназначенные для них следящие системы для автоматического направления электрода по шву, так как они охватывают самый об­ ширный класс сварочных работ — сварку соединительных швов невысокой точности.

В зависимости от места расположения датчика, следящего за швом, все следящие системы можно разделить на три группы: I —■ системы с датчиком, жестко связанным с электродным мундштуком и расположенным на линии шва впереди дуги; II — системы с дат­ чиком, также жестко связанным с мундштуком, но расположенным не впереди дуги, а сбоку — на траверсе дуги. В этом случае датчик следит не за швом, а за копирной эквидистантной линией, заранее нанесенной на изделие параллельно шву и являющейся програм­ мой работы следящей системы; III — системы с датчиком, рас­ положенным на линии шва впереди дуги, но не имеющим непосред­ ственной жесткой связи с мундштуком. В этих системах информа­ ция, получаемая от датчика и отражающая положение оси стыка относительно некоторой базы, тем или иным способом запоминается на тот промежуток времени, за который сварочная головка прохо­ дит расстояние между мундштуком и датчиком. После этого инфор­ мация в виде определенного сигнала из устройства памяти поступа­ ет через усилитель-преобразователь на исполнительный орган сле­ дящей системы, управляющий поперечным движением сварочной головки. Таким образом, в системе третьей группы погрешность, связанная с дистанционным расположением датчика, отпадает, но появляются неизбежные погрешности записи и считывания в устройстве памяти.

136

Следящие системы первой группы обладают тем преимуществом перед системами второй группы, что не требуют дополнительной трудоемкой операции по нанесению копирной линии. Их преиму­ щество перед системами третьей группы заключается в отсутствии запоминающих устройств и сравнительной простоте схемы. Недостат­ ком систем первой группы является геометрическая погрешность сле­ жения, вносимая дистанционным расположением датчика впереди дуги.

Эта погрешность, свойственная и обычным роликовым копи­ рам, тем больше, чем больше расстояние датчика от дуги и чем боль­ ше кривизна шва, вернее, чем больше угол между фактической и номинальной линиями шва в месте сварки. Например, при угле рас­ хождения в 1° и расстоянии между электродом и датчиком 100 мм, геометрическая погрешность слежения достигает 1,8 мм.

Системы второй группы лишены этого недостатка, и датчик мо­ жет быть расположен на любом расстоянии от дуги, так как это рас­ стояние не влияет на погрешность слежения. Однако технико-эко­ номическая эффективность этих систем резко снижается из-за необ­ ходимости выполнения дополнительной операции по нанесению копирной линии. Кроме того, область применения этих следящих систем ограничена тем, что далеко не всегда возможно и допустимо нанесение копирной линии непосредственно на изделии, особенно, если она производится фрезой или резцом, как в производстве сварных труб.

Все перечисленные следящие системы страдают одним принци­ пиальным недостатком, заключающимся в том, что датчик контроли­ рует положение стыка не относительно сварочной дуги, а относи­ тельно сварочной головки или электродного мундштука, что не од­ но и то же. В некоторых случаях такая несовершенная взаимосвязь может внести существенные неточности в направлении дуги по сты­ ку, так как ось столба дуги далеко не всегда совпадает с осью элект­ родного мундштука и тем более сварочной головки. Причиной та­ кого несовпадения может служить, например, несимметричный износ контактов мундштука или его направляющей втулки, искрив­ ление электродной проволоки, вызывающее поперечное смещение ее конца, а следовательно, и дуги относительно оси мундштука, нежест­ кость конструкции сопряжения датчика с мундштуком и др. Подоб­ ные несовпадения не улавливаются и не корректируются ни одной из описанных выше следящих систем.

Более совершенной и точной была бы следящая система с дат­ чиком, контролирующим положение стыка относительно сварочной дуги, а не относительно электродного мундштука или сварочной головки, причем контроль их взаимного расположения следовало бы производить в зоне самой дуги (непосредственно или с помощью

137

опережающей записи положения). Подобные системы находятся пока в стадии поисковых лабораторных изысканий и еще далеки от широкого внедрения.

Основным и наиболее ответственным рабочим органом следящей системы является датчик, от конструкции и действия которого во многом зависит работа всей следящей системы. По методу слежения и ориентации можно различать три категории систем с датчиками: следящие за одной из кромок стыкового, нахлесточного или углово­ го соединения; следящие за стыком свариваемых кромок; следящие за специальной копирной линией, повторяющей линию шва.

Впервом случае, при слежении за одной из кромок стыка, реко­ мендуется применять простейшие системы с электроконтактными или реостатными датчиками.

Во втором случае, при слежении за стыком, также возможно при­ менение этих систем, но только при наличии разделки кромок или гарантированного зазора в стыке. Более универсальны и совершенны

вэтом случае следящие системы с бесконтактными электромагнит­ ными или индукционными датчиками, а для сварки открытой дугой — телевизионные системы.

Втретьем случае, при слежении за копирной линией, наиболее целесообразно применение следящих систем с фотоэлектрическим датчиком.

Остановимся вкратце на принципах действия перечисленных сле­ дящих систем для автоматического направления электрода по ли­ нии шва.

Следящие системы с электроконтактными или релейно-контакт­

ными датчиками. Системы с электроконтактными или релейно-кон­ тактными датчиками наиболее просты по своей конструкции и не требуют сложных устройств для переработки поступающей инфор­ мации. Следящая система, построенная на электроконтактном прин­ ципе, в сущности представляет собой реверсивный электродвига­ тель механизма поперечного перемещения сварочной головки (кор­ ректора) и переключающий контакт на конце рычага копирного ролика (рис. 27), движущегося по кромке или по стыку.

Эта система, как и все электроконтактные системы, проста по своей конструкции, но недостаточно надежна в действии, так как контакт, установленный в цепи рабочего тока двигателя, быстро обгорает от искрения и требует периодической чистки. Надежность системы можно повысить путем применения промежуточного реле, что позволяет уменьшить ток, проходящий через управляющие контакты системы. От искрения в контактах можно избавиться, используя схему сеточного контакта, содержащую электронную лампу или тиратрон. В этом случае управляющий контакт включа­ ют в сеточную цепь, работающую, как правило, на очень слабых

138

токах, которыми можно пренебречь, а промежуточное реле подклю­ чают к анодной цепи.

Динамические свойства, точность и чувствительность электроконтактных систем сравнительно невысоки; главной причиной этого является возникновение автоколебаний. Устранить их можно толь­ ко за счет снижения скорости отработки и чувствительности системы. Существуют и другие методы подавления автоколебаний, напри­ мер с помощью внутренних корректирующих обратных связей, но эти методы требуют существенного усложнения всей структуры сле­ дящей системы.

Следящие системы с реостатными датчиками. Более совершенны и точны разработанные в ИЭС следящие системы с реостатными дат­ чиками для слежения по кромке стыкового или нахлесточного со­ единения (рис. 29). Система снабжена двумя взаимозаменяемыми дат­ чиками: задающим 2 и отрабатывающим 1. В качестве задающего датчика, следящего за кромкой, использован проволочный потенцио­ метр, на движок которого воздействует копирный ролик или щуп, постоянно упирающийся в кромку. При смещении кромки потен­ циометр задающего датчика изменяет напряжение в цепи управле­ ния; сигнал через блоки управления и усиления попадает на коррек­ тор сварочной головки, который, перемещая сварочную головку, одновременно передвигает шток — движок второго — отрабаты­ вающего датчика 1. Этот второй датчик выполнен также в виде про­ волочного потенциометра. Если изменения напряжения в обоих датчиках одинаковы, то следящая система находится в нулевом по­ ложении; если различны, то следящая система срабатывает. Для улучшения динамических характеристик системы применена об­ ратная связь по скорости вращения исполнительного двигателя.

Погрешность слежения этой системы не превышает ± 1,5 мм, что для большинства среднекалиберных швов не выходит за пре­ делы допустимых смещений электрода.

Следящие системы с электромагнитными датчиками. Из всех раз­ работанных в настоящее время и частично внедренных электромеха­ нических следящих систем самый обширный класс составляют систе­ мы, основанные на принципе электромагнитного слежения. Их пре­ имущество перед описанными системами заключается в возможности автоматического направления электрода по стыку даже в том случае, если стык не имеет ни разделки, ни гарантированного зазора. Конт­ роль положения свариваемого стыка осуществляется с помощью электромагнитного датчика (индуктивного или индукционного), для питания которого используется переменный ток низкой (до 20 кгц) или высокой (до нескольких сотен кгц) частоты. Приемным — чув­ ствительным элементом датчика является катушка индуктивности, принцип действия которой основан на зависимости индуктивного

139