176. Электрошлаковая сварка как объект автоматического управления.

Качество сварного соединения при электрошлаковой сварке (ЭШС) определяется соответствием комплекса механических свойств шва и околошовной зоны свойствам основного металла. Снижение качества сварного соединения и проявление в шве дефектов физического и металлургического характера – следствие нарушения установленной технологии и прежде всего параметров сварочного режима.

Режим ЭШС в сравнении с режимом дуговой сварки определяется значительно большим количеством параметров: током и падением напряжения на ванне I_ш и U_ш, поперечным сечением электрода F_э, глубиной шлаковой Н_ш и металлической Н_м ванн, «сухим» вылетом электрода h_э, положением конца электрода относительно зеркала металлической ванны l_ш, скоростью сварки V_св, скоростью поперечных перемещений электродов V_п, приближением а и выдержкой электродов у ползунов τ, родом тока и полярностью.

Особенность процесса ЭШС – возможность его устойчивого протекания при жестких и пологопадающих внешних характеристиках источников питания. При низком напряжении холостого хода уменьшается вероятность случайного возбуждения дуги между электродом и металлической ванной, упрощается настройка режима.

Другой важной особенностью процесса ЭШС является большая, чем при дуговой сварке, взаимосвязанность параметров режима. Так, сварочный ток I_ш зависит не только от U_ш, V_п, вылета электрода l_в, но и от зазора δ между кромками свариваемых деталей и скорости сварки. Однако все эти факторы оказывают слабое влияние на I_ш и главным регулирующим воздействием на сварочный ток считают скорость подачи электрода V_п.

Сокращение расстояния между торцом электрода и поверхностью металлической ванны, а также повышение температуры шлака приводят к возрастанию проводимости между электродом и металлической ванной и соответствующему увеличению тока.

Падение напряжения U_ш зависит от глубины погружения электрода в шлак, равной разности (l_в – h_э), удельного сопротивления шлака (ρ_ш), сопротивления вылета электрода. Увеличение U_ш сопровождается увеличением расстояния l_ш и уменьшением проводимости ванны. Избыток мощности идет на дополнительное расплавление основного металла. При снижении напряжения U_ш величина l_ш уменьшается и проводимость ванны возрастает. Снижается средняя температура шлаковой ванны, что может привести к непроварам. При малых U_ш возможен местный перегрев шлака и его вскипание, которое обычно сопровождается образованием дуги и нарушением процесса ЭШС. При заданном токе I_ш напряжение U_ш можно регулировать в значительных пределах изменением э.д.с. источника питания Е_и.п или сопротивления сварочной цепи. Однако в последнем случае теряются преимущества, определяемые применением при ЭШС источников питания с жесткой характеристикой. Поэтому регулирование процесса ЭШС воздействием на сопротивление сварочной цепи не применяется.

Глубина ванны Н_ш определяется уровнем зеркала металлической ванны относительно ползунов. Воздействием на скорость V_п или на скорость перемещения ползунов V_св можно регулировать уровень металлической ванны относительно ползунов и ее глубину Н_м. Для компенсации уменьшения величины Н_ш в результате вытекания из ванны части шлака могут использоваться системы дозирования флюса.

Остальные параметры режима либо нельзя регулировать в процессе сварки, либо они являются производными от сварочного тока, напряжения сварки и скорости подачи электродной проволоки. К точности воспроизведения поперечных колебаний электрода не предъявляются жесткие требования, поэтому стабилизация их с помощью автоматических устройств не производится.

Нормальный ход процесса ЭШС нарушают возмущения, возникающие:

1) вследствие изменений зазора между кромками (δ) в связи с низким качеством подготовки и сборки заготовок, сварочными деформациями;

2) непосредственно в зоне сварки в результате изменения физико-химических свойств шлака (ρ_ш), электродной проволоки и при электромагнитных явлениях;

3) вследствие изменения моментов нагрузки на валах приводных двигателей подачи электродной проволоки (υ_п.э.) и перемещения аппарата (υ_св), изменения вылетов (l_в, h_э) электродной проволоки, нестабильных контактов в токоподводящих мундштуках, изменений характеристик отдельных систем регулирования;

4) при изменениях напряжения сети (U_c) и параметров сварочной цепи;

5) в зоне сварки вследствие вытекания из ванны части шлака (h_ш) и непостоянства расположения формирующих шов ползунов относительно границы металл – шлак.

Анализ влияния различных возмущений на процесс ЭШС показывает, что практически невозможно компенсировать отклонение одного параметра без нарушения геометрических размеров шва, доли основного металла в шве, термического цикла и т.п. Поэтому для получения качественных сварных соединений необходимо поддерживать с требуемой точностью все параметры режима сварки или изменять их по определенному закону, если это нужно по технологическим соображениям.

При создании систем автоматического регулирования ЭШС особое внимание следует обращать на отработки ими возмущений, обусловленных изменениями разделки шва (δ) и возникающих вследствие колебаний напряжения сети (U_c), так как они отражаются на напряжении и токе сварки, на глубинах шлаковой и металлической ванн, приводят к изменению геометрических размеров швов и появлению в них дефектов.

Процесс ЭШС имеет много общего с дуговой сваркой с точки зрения регулирования основных энергетических параметров режима. Оба процесса обладают свойством саморегулирования, сходны также кривые устойчивости работы, вольт-амперные характеристики, снятые при постоянных скоростях подачи, совпадают и некоторые регулирующие воздействия (V_п, Е_и.п.). Поэтому основные способы регулирования и схемы регуляторов тока и напряжения ЭШС подобны применяемым при дуговой сварке.

Системы регулирования процесса ЭШС можно разделить на четыре основные группы: системы, основанные на свойстве саморегулирования процесса; системы с регулятором одного или обоих (U_ш, I_ш) энергетических параметров; системы регулирования уровней металлической и шлаковой ванн; системы регулирования режима в функции сварочного зазора.