Анализ возмущающих воздействий при сварке

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ АВТОМАТИЗАЦИИ

Комплексную автоматизацию сварки в общем случае можно рассматривать как совокупность решения двух задач: I -- ориентированного движения рабочего органа (электродов, дуги, луча) по заданной пространственной траектории, обеспечения требуемого цикла сварки и закона управления технологическими параметрами (скоростью сварки, силой тока, напряжением на электродах, скоростью годами проволоки и т.д.) в функции различных технологических возмущений; II -- механизации и автоматизации подготовительных сварочных и транспортных операций.

Задача I касается автоматизации собственно процесса сварки и составляет предмет рассмотрения данной книги. Особенности этой задачи: необходимость изучения свойств технологического объекта регулирования каждого способа сварки с целью построения расчетных моделей; определение критериальных физических и геометрических параметров объекта» наиболее полно характеризующих качество сварного соединения, разработка способов измерения критериальных параметров в процессе сварки; исследование на моделях сварочного контура совместно с источником питания; разработка замкнутых систем автоматического регулирования различных критериальных параметров объекта.

Сложность решения задачи I обусловлена необходимостью учета при построении расчетных моделей физических процессов, происходящих в сварочном контуре (электрических, электромагнитных, тепловых, механических, гидродинамических, радиационные). Из-за изменения параметров процесса во времени и физические констант от внешних условий, нелинейности характеристик процесса не всегда удаётся описать его простыми Дифференциальными уравнениями. Попытки применения для описании технологического процесса сварки известных теоретических положений математической физики, теоретической гидромеханики, электротехники, теории поля, теории теплопередачи приводят к получению нелинейных дифференциальных уравнений, содержащих частные производные и переменные во времени коэффициенты. Решение таких уравнений затруднительно даже с использованием цифровых вычислительных машин. Поэтому в инженерной практике для получения математических моделей процесса широко используют положения теории вероятности и математической статистики. На базе этих теорий разработаны методы идентификации объекта, сущность которых сводится к статистическому анализу записанных в ходе технологического процесса реализаций входных и выходных параметров объекта регулирования.

Иногда, при низком уровне возмущений, возможно упростить решение задачи I, рассматривая его в приращениях относительно номинальных параметров процесса. Уравнения, описывающие динамику процессов в объекте регулирования, в этом случае могут быть сведены к линейным дифференциальным уравнениям с постоянными коэффициентами. Процедура анализа и синтеза требуемой структуры системы автоматического управления процессом упрощается.

Конечной целью решения задачи I является построение системы автоматического регулирования или управления параметрами процесса сварки. Эффективность работы этих систем зависит от уровня механизации и автоматизации подготовительных, сборочных и транспортных операций (задача II). Таким образом, решение задачи II полностью коррелировано с решением задачи I. Оно позволяет улучшить качество сборки стыка под сварку, повысить точность позиционирования детали под электродами, а следовательно, снизить уровень возмущений в сварочном контуре. Появляется возможность автоматический процесс сварки вписать в ритм работы технологической линии, автоматизировать операции поиска стыка, зажигания дуги, управления собственно процессом сварки и его окончанием.

Подводя итоги по вышесказанному становится понятна сама суть того, зачем нужна автоматизация, стоит ли её изучать и что, собственно, она нам дает. Благодаря автоматизации сварщик может выполнять высококачественные швы, ведь сам процесс сварки происходит автоматически (автоматическое регулирование, управление параметрами процесса сварки, точность сварки, регулирование сварочной дуги и т.д), единственное в чем заключается работа сварщика так это в начальной подготовке изделия к сварке и настройки аппаратуры. Благодаря автоматической сварки также повышается выпуск готовой продукции.

2. АНАЛИЗ ВОЗМУЩАЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ПРИ СВАРКЕ

Процесс сварки, как и любой другой процесс, протекает в тесной взаимосвязи с окружающей средой. Изменения в окружающей среде вызывают изменения в характере процесса сварки. В автоматике такой процесс называют возмущенным. Возмущения могут привести к отклонению свойств сварного соединения от требуемых, т.е. к появлению недопустимых дефектов в сварном шве.

Различные по физической природе возмущения приложены в разных точках сварочного контура источник - дуга - изделие, поэтому влияние одних возмущений на процесс сварки может быть ослаблено или относительно легко устранено путем их измерения и компенсации, устранение других - ввязано в определенными трудностями.

Например, влияние возмущений, воздействующих на цепь источник - сварочная дуга (колебания напряжения питающей сети, изменение длины дуги и т. д.), сравнительно просто устранить с помощью систем автоматической стабилизации параметров режима сварки: сварочного тока, напряжения на дуге, скорости сварки, скорости подачи плавящегося электрода (присадочной проволоки) и т.д. Подобные системы в различных исполнениях внедрены в промышленности. Применение их стабилизирует энергетические параметры сварочной дуги и, следовательно, ее тепловую мощность.

Значительно сложнее компенсировать влияние возмущений, приложенных к цепи электрод-деталь; влияние их не ослабляется с помощью систем автоматической стабилизации параметров режима сварки.

С некоторыми допущениями эти возмущения условно можно разделить на две группы: конструктивные и технологические. Конструктивные возмущения обусловлены конструктивными особенностями сварного соединения. Они возникают при расположении отверстий или приливов в непосредственной близости стыка, изменении толщины свариваемого металла, разностенности детали и т.д. Влияние конструктивных возмущений выражается в изменении условий теплопередачи и перераспределении тепловой мощности сварочной дуги между деталью и окружающей средой.

Технологические возмущения возникают в основном при неточностях в сборке стыка, приводящих к изменению зазора между свариваемыми кромками, формы и размеров разделки кромок, смещению кромок, изменению степени прилегания формирующей подкладки по длине стыка. Кроме того, к этим возмущениям можно отнести эрозию электрода, изменение структурной и химической однородности свариваемого материала, изменение качества защитной среды, наличие технологических прихваток по длине стыка. Технологические возмущения в основном имеют случайный характер. Они чаще всего появляются из-за несовершенства сборочных приспособлений и технологической оснастки.

Конструктивные и технологические возмущения трудно контролировать в процессе сварки. Для измерения их требуются специальные датчики, работающие по различным физическим принципам.

При отработке с помощью САР конструктивных и технологических возмущений необходимо учитывать их симметрию относительно свариваемого стыка. Влияние симметричных возмущений (наличие в свариваемом изделии отверстий, симметрично расположенных относительно стыка) можно устранить с помощью САР с одним регулирующим воздействием. Таким воздействием может быть, например, сварочный ток, изменением которого обеспечивается стабилизация изотермы температурного поля в зоне стыка.

Рис. 2.1. Классификация возмущений в сварочном контуре

При воздействии несимметричных возмущений (смещение кромок стыка) изменяются размеры и форма изотерм температурного поля. В этом случае для стабилизации температурного поля требуется не менее двух воздействий на объект, например изменение сварочного тока и смещение электрода с линии стыка. Структура САР при этом несколько усложняется.

Методы теории автоматического регулирования позволяют исключить влияние конструктивных и технологических возмущений на выходные параметры объекта. При этом необязательно непосредственно измерять возмущение, а достаточно построить систему автоматического регулирования таким образом, чтобы точка приложения возмущения оказалась внутри замкнутого контура системы регулирования. Если возмущение легко измерить, то его действие легко ослабить построением системы регулирования с управлением по возмущению либо построением комбинированной системы регулирования, сочетающей в своей работе управление по отклонению выходной величины и управление по возмущению. При определенных условиях такая система реализуется полностью инвариантной по отношению к рассматриваемому возмущению.

При построении систем автоматического регулирования учитывают только доминирующие технологические возмущения, т.е. такие, влияние которых существенно сказывается на основных свойствах сварного соединения и к тому же не может быть ослаблено действием систем стабилизации энергии источника нагрева. Доминирующие возмущения и их общее число определяют обычно экспериментально для каждого конкретного случая сварки. Измеряют их с помощью контактных или бесконтактных датчиков с различными принципами действия (потенциометрических, емкостных, пневматических, телевизионных, электромагнитных, фотоэлектрических и др.). Классификация основных возмущений, действующих в сварочном контуре, приведена на рис. 2.1. В ней учтена точка приложения возмущений в сварочном контуре, физическая природа возмущения. Классификация упрощает выбор в каждом конкретном случае требуемой системы управления процессом сварки.

3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЪЕКТОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ

Дуговая сварка. При дуговой сварке для нагрева и плавления металла используют тепловую энергию дуги.



Рис. 3.1. Структура сварочного контура: ИП -- источник питания; Д -- дуга; СВ -- сварочная ванна; -- возмущения, действующие на элементы контура.

Сварочный контур (рис. 3.1) при дуговой сварке включает источник питания, дугу, сварочную ванну. Все элементы контура с учетом функциональной связи между ними образуют двухконтурную электрогидродинамическую систему. Воздействие на систему по любому из указанных на схеме возмущений вызывает одновременное изменение параметров во всех элементах контура. Например, изменение в процессе сварки длины дуги вызывает изменение ее динамического сопротивления, силы тока, напряжения в источнике питания и, как следствие, энергетического и силового воздействия дуги на сварочную ванну. Изменяется геометрия сварочной ванны, в частности положение зеркала под дугой. В дуге изменяется скрытая составляющая, что отражается на длине и напряжении дуги. Временной характер изменения параметров в системе существенно зависит от статических и динамических свойств источника питания. При некотором сочетании параметров источника питания и дуги контур I может потерять устойчивость, а в контуре II могут появиться незатухающие автоколебания. Обеспечение условий стабильного горения дуги в электрогидродинамической системе является одним из основных условий протекания процесса сварки в требуемом режиме.

Под стабильным горением дуги понимается возможность ее длительного горения в прерывистом и непрерывном режимах в условиях действующих на нее возмущений.

Свойства сварочной дуги, кроме параметров источника питания, зависят от рода тока, среды, в которой горит дуга, и материала электродов. По роду тока различают дуги постоянного и переменного тока.

Для сварки иногда используют несколько дуг с общими электродами. Распространение получили трехфазные дуги, горящие между двумя проволочными электродами и изделием. Известны также комбинированные схемы питания нескольких дуг постоянным и переменным током.

В зависимости от материала электродов дуги бывают с плавящимся и неплавящимся электродами.

По характеру защитной среды в зоне дуги различают следующие способы дуговой сварки: плавящимся электродом под флюсом; плавящимся электродом в среде защитного газа; плавящимся электродом со специальным покрытием или наполнением; неплавящимся электродом в среде защитного газа. Дуга является элементом электрической цепи контура I, поэтому устойчивость ее горения зависит от устойчивости электрических процессов контура I. Условие устойчивости горения дуги можно считать необходимым требованием стабильности ее горения. Это условие легко получить из уравнения, описывающего электрические процессы в контуре I. Для контура, содержащего активное и индуктивное сопротивления, по данным его можно записать в виде

(3.1)

где r_у -- коэффициент устойчивости системы источник -- дуга; и -- динамические сопротивления дуги и источника питания в рабочей точке .

Для источников питания с обратными связями по току и напряжению условие (3.1) записывают через параметры системы более сложным выражением. Его получают с использованием критерия Рауса--Гурвица из анализа коэффициентов характеристического уравнения системы источник питания -- дуга. Из (3.1) следует, что при падающей вольт-амперной характеристике дуги и источника питания условие устойчивости дуги (К_у>0) будет выполнено, если справедливо неравенстве

(3.2)

Смысл неравенства (3.2) сводится к тому, что в рабочей точке для устойчивого процесса крутизна внешней вольт-амперной характеристики источника питания должна быть больше крутизны вольт амперной характеристики дуги. Например, практически невозможно обеспечить устойчивый процесс горения дуги с падающей вольт-амперной характеристикой, которая питается от источника имеющего жесткую внешнюю характеристику. Устойчиво с таким источником питания могут гореть дуги с возрастающей волт-амперной характеристикой, у которых .

Приведенное условие К_у>0 необходимо, но недостаточно дл стабильного горения дуги постоянного тока в реальных условия сварки. При сварке различных деталей возможны скачкообразны, периодические и плавные изменения длины дуги. Следовательно, дуга должна быть эластичной и обладать необходимым запасе устойчивости. Внешнюю характеристику источника питания следует выбирать такой, чтобы при изменениях длины дуги режим сварки не претерпевал изменений, выходящих за допустимые пределы, и обеспечивался необходимый запас устойчивости систем источник питания -- дуга. В этом плане предпочтительны источники питания с крутопадающей вольт-амперной характеристикой. Для сварочной дуги переменного тока помимо условия устойчивости системы К_у>0 необходимо обеспечить надежные повторные возбуждения дуги. Для выполнения этого условия необходим правильный выбор соотношений между напряжениями холостого хода источника питания, зажигания и горения дуги и параметрами сварочной цепи (активным, индуктивным сопротивлениями).

При сварке возможны длительные, кратковременные и периодические отклонения параметров режима от номинальных, причина которых заключается в действии возмущений на элементы сварочного контура.

Существенное влияние на процесс сварки могут оказать следующие возмущения:

в контуре I:

а) изменения длины дуги, вызываемые неровностями на поверхности изделия, капельным переносом металла и другими причинами;

б) изменения «вылета» электрода вследствие возможных колебаний расстояния между токоподводящим мундштуком и изделием;

в) изменения напряжения холостого хода (ЭДС) источника питания и сопротивления сварочной цепи, вызываемые колебаниями напряжения сети, нагревом обмоток, нестабильностью контактов и многими другими причинами;

г) изменения момента на валу двигателей подачи электрода и перемещения вдоль стыка сварочного автомата; эти возмущения приводят к изменению скорости подачи электродной проволоки и скорости сварки;

в контуре II:

д) изменения геометрии сборки стыка под сварку, зазора, притупления, угла разделки кромок;

е) структурная и химическая неоднородность свариваемого материала;

ж) изменения толщины свариваемого материала по длине стыка;

з) изменения состояния свариваемой поверхности металла (наличие на поверхности окисных пленок, масла и других вредных покрытий);

и) эрозия и изменения химического состава электрода в процессе сварки;

к) смещения электрода и стыка относительно друг друга.

Перечисленные возмущения, вызывая отклонения от номинала основных параметров режима (тока и напряжения дуги, скорости сварки) и изменяя условия ввода теплоты в зоне стыка, приводят к появлению в шве таких недопустимых дефектов, как непровары, подрезы, наплывы, поры, перехваты и др.

Известно, что изменения силы сварочного тока влияют на глубину и форму провара, долю основного металла в металле шва на усиление в шве. В ряде случаев это вызывает также изменения в химическом составе шва, а следовательно, и в его механических свойствах и склонности к образованию горячих трещин.

Рис. 3.2. Характеристики устойчивой работы сварочной головки с различной скоростью подачи электрода Vп и статическая внешняя характеристика источника питания

Изменения напряжения дуги влияют на ширину шва, особенно на угловых швах, а при сварке стыковых соединений приводят к изменениям формы шва, что вызывает непровар кромок, увеличение усиления и образование наплывов.

Непостоянство скорости сварки вызывает изменения погонной энергии дуги, формы шва, глубины проплавления. При значительных изменениях скорости сварки вследствие гидродинамических явлений в сварочной ванне возможно образование пор и подрезов в сварном шве. Таким образом, качественное сварное соединение в условиях действия возмущений можно получить только при условии принудительной стабилизации или регулирования параметров режима в процессе сварки.

Сварочный контур с плавящимся электродом обладает свойством саморегулирования (самовыравнивания). Это свойство использовано в простейших устройствах для механизированной дуговой сварки, осуществляющих подачу электродной проволоки в зону сварки с постоянной скоростью. Для пояснения сущности процесса саморегулирования дуги обратимся к регулировочным вольт-амперным характеристикам дуги с плавящимся электродом (рис. 3.2).

Чем больше скорость подачи V_п электродной проволоки, тем больше сварочный ток. Пусть устойчивый режим сварки определяется точкой А пересечения кривой устойчивой работы V_п2 с внешней характеристикой источника питания а (см. рис. 3.2). Если по каким-либо причинам дуга удлинилась и напряжение на ней достигло U_д1>U_Д2, то новое состояние в точке В при V_в= V_п2 оказывается неустойчивым.

Новому электрическому режиму горения дуги в точке В в стационарном режиме должна соответствовать другая скорость плавления (V_э = V_п1) электродной проволоки. Эта скорость плавления при I_Д1<I_Д2 меньше скорости подачи электрода V_п2, что следует из сопоставления кривых устойчивой работы. Скорость изменения дугового промежутка в этом случае

Так как V_э < V_п1, то дуговой промежуток сокращается, напряжение на дуге падает до тех пор, пока опять не наступит равенство скоростей плавления и подачи. Таким образом, восстанавливается режим, соответствующий точке А. При случайном ускорении дуги увеличение силы тока сопровождается увеличением скорости плавления, приводящим опять к восстановлению дугового промежутка.

Однако не все виды возмущений могут быть отработаны системой саморегулирования. Например быстротечные изменения длины дугового промежутка, вызванные капельным переносом электродного металла, саморегулирующейся системой не отрабатываются вследствие сравнительно высокой частоты перехода капель. Не хватает быстродействия системы. Изменение вылета электрода приводит к смещению регулировочной характеристики в сторону меньших токов, если вылет увеличивается, и в сторону больших токов, если вылет уменьшается.

При сварке переменным током большое влияние на режим сварки в саморегулирующейся системе оказывают колебания напряжения сети, приводящие к изменениям напряжения на дуге. Эти изменения особенно значительны в тех случаях, когда рабочая точка располагается на крутопадающей части внешней характеристики источника питания. Сила тока в сварочном контуре при этом изменяется незначительно.

В некоторых случаях на точность работы саморегулирующейся системы оказывают влияние изменения сопротивления сварочной цепи, особенно его реактивной составляющей. Следовательно, саморегулирующаяся система с удовлетворительной точностью отрабатывает длительные возмущения по длине дуги, но неэффективна при возмущениях по напряжению сети, вылету электрода и по сопротивлению сварочного контура. Отсюда ясна необходимость введения принудительного регулирования энергетических параметров (тока, напряжения) сварочного контура.

При возмущениях группы и (см. рис. 3.1) принудительные управляющие воздействия могут быть реализованы путем изменения скорости подачи электрода и параметров электрической цепи сварочного контура (напряжения холостого хода источника питания, сопротивления сварочной цепи, вылета электрода). Управляющие воздействия прямо пропорциональны сигналу рассогласования между заданными силой тока и напряжением в сварочном контуре и их текущими значениями.

Системы автоматического регулирования, построенные по такому принципу, малоэффективны в работе при возмущениях группы , приложенных к непосредственному объекту регулирования-- сварочной ванне. Векторный параметр включает в качестве компонентов группу технологических возмущений, перечисленных в пунктах д--к (с. 125). Под влиянием этих возмущений в сварочной ванне изменяется топология температурного поля и", как следствие, геометрические размеры шва при кристаллизации.

Принудительное регулирование сварочного процесса в этом случае может быть организовано путем контроля температурного поля сварочной ванны, закристаллизовавшегося шва околошовной зоны. Перспективно управление процессом по идентифицированным моделям, связывающим температуру в точках объекта (сварочной ванны, шва), параметры режима сварки и технологические критерии качества (геометрические, механические, коррозионные характеристики шва и изделия).

Для измерения температуры на поверхности шва и сварочной ванны целесообразно использование бесконтактных датчиков, действие которых основано на измерении интенсивности излучения с поверхности металла. Использование контактных датчиков (например, типа скользящей термопары, одной ветвью которой является ролик, катящийся по поверхности металла, а другой -- свариваемый металл) вызывает большие погрешности из-за инерционности и непостоянства контакта между датчиком и металлом. Применение бесконтактных датчиков позволяет приблизить точку измерения температуры к сварочной дуге. Однако при чрезмерном сближении площадки визирования со сварочной дугой полезный сигнал датчика «забивается» помехами, вызванными прямым или отраженным излучением дуги. В этом отношении иногда удобен вариант размещения площадки визирования с обратной стороны шва.

Используя перемещаемые вдоль и поперек шва фотоэлектрические датчики, можно получить информацию о распределении температуры по поверхности объекта регулирования. В этом случае удается более корректно поставить задачу стабилизации температурного поля объекта или управления им по нужному закону в случае симметричных конструктивных и технологических возмущений.

Сигнал, пропорциональный температуре объекта, используется в качестве сигнала обратной связи для управления электрической мощностью сварочной дуги. Тем самым тепловая мощность сварочной дуги не стабилизируется на заданном уровне, а изменяется в зависимости от конструктивных и технологических возмущений так, чтобы стабилизировать температурное поле объекта. Менее удовлетворительные результаты такое регулирование приносит в случае несимметричных конструктивных и технологических возмущений. Здесь часто бывает недостаточным измерение температуры в одной точке объекта. Неэффективны и одноконтурные системы регулирования, например, с регулирующим воздействием по току. При построении системы регулирования в этих случаях приходится оперировать и другими параметрами режима (изменением скорости подачи плавящегося электрода или присадочной проволоки, параметрами поперечных колебаний электрода, смещением электрода и стыка и т.д.). Таким образом строятся комбинированные системы автоматического регулирования геометрическими и физическими параметрами объекта (сварочной ванны).

Остановимся еще на одном специфическом вопросе регулирования в контуре I (см. рис. 3.1) -- управлении переносом электродного металла при дуговой сварке плавящимся электродом. Перенос электродного металла в зависимости от длины дуги, состава защитной среды и силы тока происходит крупными, средними и мелкими каплями с различной частотой следования (50--150 Гц).

Характер переноса металла оказывает влияние на металлургические процессы, происходящие в зоне сварки. Значительно влияние переноса на формирование швов, эффективный КПД процесса, зависящий от потерь металла на угар и разбрызгивание. Поэтому представляет интерес изыскание способов управления переносом. Известны технологические средства управления переносом -- использование комбинированной защиты зоны дуги (Аr + СО₂), введение в электрод активирующих покрытий, ведение процесса на закритических точках. Однако они не универсальны, ограничены множеством факторов технологического и технико-экономического характера.

Следовательно, большое практическое значение имеет разработка электротехнических методов управления переносом. Идея использования их обусловлена характером сил, действующих на каплю на конце электрода. Одна часть этих сил при зарождении и развитии капли стремится удержать ее на конце электрода, другая часть сил, наоборот, стремится отделить ее от электрода. Пока капля мала, она удерживается на конце электрода силами поверхностного натяжения. Остальные силы, в том числе масса, давление газовых потоков и паров металла и прочие, несравнимо меньше сил поверхностного натяжения и существенного влияния на поведение капли не оказывают.

По мере увеличения объема капли силы поверхностного натяжения

Р = у(1/R₁+ 1/R₂) (3.3)

(где у -- коэффициент поверхностного натяжения; R₁ и R₂-- радиусы главной кривизны поверхности капли в двух взаимно перпендикулярных сечениях) уменьшаются вследствие увеличения R₁и R₂. На форму капли и ее движение начинают влиять силы электродинамической природы, превосходящие все другие силы. Электромагнитные силы зависят от геометрической формы капли, закона распределения плотности тока в ней. При наличии радиусов перехода от торца электрода к капле происходит искривление силовых линий тока. В элементарных электродинамических силах dF, действующих на элемент капли объемом (dV =ldS, появляются осевые и радиальные составляющие. Радиальные силы создают в жидкой капле гидростатическое давление

(3.4)

где м₀ -- магнитная проницаемость, достигающая наибольшего значения на оси капли; д -- плотность тока в элементарном объеме;

Рис. 3.3. Схема аэродинамического канала в ванне и протекающих в нем процессов с -- расстояние от центра капли до элементарного объема; R -- радиус капли.

Если капля симметрична относительно своей оси, то суммарное действие на нее радиальных сил равно нулю. Это очевидно, так как в симметричном теле всегда можно выделить два элементарных объема, расположенных слева и справа от оси симметрии, в которых радиальные электромагнитные силы равны по величине и противоположны по направлению. Они могут вызвать только циркуляцию жидкости в объеме капли. Иначе обстоит дело с осевыми составляющими электродинамической силы. Эти силы создаются радиальной составляющей плотности тока в искривленной силовой линии. Они не уравновешивают друг друга. Их результирующая стремится оторвать элемент большего сечения от элемента меньшего сечения, т. е. каплю от электрода. Такому направленному движению способствует также разница давлений внутри капли и в зоне дуги под каплей. В связи с этим капля как бы втягивается в столб дуги.

Так как плотность тока в электроде и капле зависит от абсолютной силы тока дуги, то, воздействуя в определенные моменты времени на ток дуги, можно управлять переносом металла. Кратковременным и резким увеличением силы тока дуги можно вызвать в нужный момент отделение от электрода капли расплавленного металла. Если импульсы тока повторять через определенные достаточно малые промежутки времени, то можно вместо крупнокапельного переноса получить мелкокапельный.

Реализация высказанных идей управления процессом дуговой сварки плавящимся и неплавящимся электродами ниже рассмотрена на конкретных системах автоматического регулирования.

4. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОПЛАВЛЕНИЯ ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ

Качество сварного соединения обусловливается его механическими и коррозионными свойствами, зависящими от геометрических размеров и формы сварного шва. Стабилизация геометрических размеров шва способствует повышению качества сварного соединения. Но не во всех случаях это условие можно считать единственным критерием качества. Например, при сварке материалов, склонных к закаливанию или к образованию горячих или холодных трещин, важным фактором является также поддержание заданного термического цикла в процессе сварки, обеспечивающего необходимую скорость охлаждения металла. Только при этом условии можно получить требуемую структуру сварного шва и околошовной зоны.

Заданные термический цикл и геометрические размеры шва, пожалуй, можно считать обобщенным критерием качества. Закон изменения их зависит от погонной энергии дуги

(4.1)

где -- КПД, характеризующий отношение теплоты, введенной в шов, к общей теплоте, выделенной сварочной дугой.

В свою очередь, закон регулирования зависит от типа действующих возмущений на объект источник питания --дуга-- сварочная ванна.

В рассмотренных выше системах, обрабатывающих технологические возмущения, действующие на питающую систему и дугу, для получения качественного сварного соединения, обеспечивалось условие q = const благодаря стабилизации электрических параметров дуги. Оценку влияния различных возмущений на качество сварного соединения в таких системах можно оперативно провести по методике, предложенной в работе для автоматов общего назначения. Методика позволяет связать отклонения параметров шва с вызвавшими их возмущениями через коэффициенты качества регулирования. Например, отклонения глубины проплавления Дh₂ и ширины шва Дb, если известны возмущения по напряжению сети , и длине дуги , а также соответствующие коэффициенты качества , , можно определить по формуле

 (4.2)

Необходимо располагать таблицами или графиками, характеризующими зависимость коэффициентов качества от режимов сварки. Варьируя параметрами режима, можно выбрать такое их сочетание, при котором какое-либо возмущение вызовет отклонение, например, глубины проплавления, не превышающее допустимого. Ценность методики состоит в том, что она при конкретных возмущениях позволяет оценить эффективность применения тех или иных дуговых автоматов.

Более сложный закон изменения для получения качественного сварного соединения требуется при технологических и конструктивных возмущениях, действующих непосредственно на сварочную ванну (шов). Влияние этих возмущений на качество сварного соединения не может быть компенсировано с помощью систем автоматической стабилизации параметров режима сварки. Их влияние условно может быть оценено эквивалентным изменением коэффициента , характеризующим изменение условия тепловложения в свариваемый материал.

Измерение конструктивных и технологических возмущений связано со значительными трудностями из-за их относительной рассредоточенности и удаленности от стыка. Частичное устранение влияния конструктивных возмущений можно обеспечить путем измерения и записи их с помощью специального датчика в период холостого прохода стыка и затем корректировки в процессе сварки параметров режима по записанной программе. Однако из-за тепловой деформации детали в процессе сварки такая программа часто малоэффективна. Поэтому наиболее приемлемым способом является введение в систему регулирования обратной связи по некоторому обобщенному параметру, на который в процессе сварки влияют как конструктивные, так и технологические возмущения. В качестве такого параметра можно принять температуру металла сварочной ванны или околошовной зоны. Температуру можно регулировать изменением погонной энергии в системе источник питания -- дуга -- сварочная ванна. Задача регулирования при этом сводится к стабилизации подвижного температурного поля. С точки зрения теории автоматического регулирования температурное поле как объект регулирования описывается апериодическим звеном. Постоянная времени этого звена определяется параметрами свариваемого материала (теплоемкость, теплопроводность и т. д.). Температуру можно измерить лишь на некотором расстоянии от сварочной дуги, что обусловливает появление -погрешностей измерения относительно реальной температуры под дугой и запаздывание в передаче сигнала управления.

Для измерения температуры целесообразно применение бесконтактных датчиков, действие которых основано на измерении интенсивности излучения с поверхности металла. Использование контактных датчиков (например, скользящей термопары, одной ветвью которой является стержень или ролик, катящийся по поверхности металла, а другой -- свариваемый металл) приводит к большим погрешностям из-за инерционности датчика и отсутствия постоянного контакта между ним и металлом. Применение бесконтактных датчиков позволяет приблизить точку измерения температуры (площадку визирования датчика) к сварочной дуге.

Однако имеются ограничения на приближение площадки визирования к сварочной дуге, так как полезный сигнал «забивается» помехами, вызванными прямым или отраженным излучением дуги. Иногда удобен вариант размещения площадки визирования датчика с обратной стороны шва, при этом необходимо обеспечить защиту датчика от пыли, повреждения расплавленным металлом, температурного воздействия окружающей атмосферы. Необходимо также проектировать устройства, упрощающие операцию визирования датчика на точку измерения температуры.



Рис. 4.1. Конструкции оптических датчиков проплавления стыка:

а -- с оптическим светофильтром без вспомогательного охлаждения; б -- с водяным светофильтром и охлаждением; в -- без светофильтра с водяным и газовым охлаждением

На рис. 4.1 приведены конструкции датчиков проплавления. Чувствительным элементом датчиков является фотоэлемент 2. Все датчики содержат защитный кожух, фокусирующую и передающую оптику. В некоторых конструкциях кожух датчиков дополнительно охлаждается либо только водой, либо струей газа и водой вместе (рис. 4.1, б и в). Газ в процессе сварки используется также для защиты обратной стороны шва. Струя газа, не влияя на спектр лучистого потока, предохраняет входной зрачок датчика от запыленности. Вариант конструкции, показанной на рис. 4.1, б, дает возможность оператору визуально наблюдать за процессом формирования обратной стороны шва с помощью окуляра. Датчик содержит простой надежный светофильтр 1 в виде миллиметрового слоя проточной воды, позволяющий выделить сигнал в видимой области спектра.

Из-за сложности визирования датчика с обратной стороны шва в ряде случаев необходимо изыскивать возможности построения бесконтактных датчиков, устанавливаемых со стороны дуги. Основным условием работоспособности датчика в этом случае является наличие корреляции между сигналом с датчика и выбранным критериальным параметром шва (например, размером обратного валика при сварке со сквозным проплавлением). Возможности использования таких датчиков расширяются при аргонодуговой сварке металлов толщиной 1-- 5 мм, если стабилизирована внешняя длина дуги.

Известен оригинальный способ получения информации о качестве проплавления по интенсивности излучения спектральной линии базового элемента (например, линии хрома). Интенсивность спектральной линии базового элемента связана с проваром изделия в зоне стыка. При сварке разнородных материалов для регулирования глубины проплавления используют световой поток, излучаемый сварочной ванной. Затем с помощью специальной аппаратуры его разлагают в спектр и по интенсивности спектральной линии базового элемента устанавливают требуемый регулирующий параметр. Для применения атого способа измерения при сварке однородных материалов на поверхность одной из кромок перед сваркой наносят контрастное вещество.

Известен также способ определения размеров сварочной ванны со стороны дуги (рис. 4.2). Модулированным источником света (МИС) освещают поверхность сварочной ванны шириной В. Поскольку поверхность свариваемой детали отражает свет значительно слабее, чем жидкая ванна, то энергия отраженного светового сигнала зависит от размера ванны. Отраженный от сварочной ванны световой поток фиксируется фотоприемником ФП.

При плазменной сварке известен способ регулирования проплавления по контролю с обратной стороны изделия параметров факела ионизированных газов (рис. 4.3) [1]. Параметры факела измеряют либо с помощью фотоэлемента ФЭ (рис. 4.3, а), либо по разности потенциалов между свариваемым изделием / и искусственно вводимой под деталь контактной подложкой 2 (рис. 4.3, б).

Экспериментально установлена линейная зависимость между шириной обратного валика и измеряемыми параметрами факела.

При наличии информации о качестве проплавления для построения системы регулирования в каждом конкретном случае необходимо еще правильно выбрать регулирующие воздействия. В простейшем случае это может быть один параметр, например ток (в непрерывном и импульсном режимах), скорость сварки, амплитуда поперечных колебаний электрода, а также параметры магнитной системы при управлении дугой магнитным полем, скорость подачи электродной проволоки и т. д. В более сложных случаях требуется комбинированное управление (ток -- скорость сварки, скорость подачи электрода -- длина вылета, ток -- амплитуда поперечных колебаний и т. д.).

При выборе регулирующего воздействия (воздействий) необходимо всесторонне проанализировать влияние его на качество сварного соединения -- форму шва, структуру металла, зону термического влияния и т. д. Иногда для эффективного регулирования требуется не только правильно выбрать регулирующее воздействие и подобрать остальные параметры режима сварки, но и применять дополнительные технологические приемы, расширяющие возможности способа сварки. К ним можно отнести повышение пространственной устойчивости дуги (например, наложением на нее коротких по длительности импульсов или магнитного поля), управление кристаллизацией металла шва е помощью электромагнитного перемещения (ЭМП), удержание металла сварочной ванны с помощью магнитного поля, управление пространственным положением дуги относительно линии стыка с помощью механических и электромагнитных устройств.



Рис. 4.2. Оптический способ определения размеров сварочной ванны

Особое внимание при создании автоматического оборудования заслуживают способы сварки с периодически изменяющимся током. Основные из этих способов: импульсно-дуговая сварка со свободной и проникающей дугой; импульсно-дуговая сварка плавящимся и неплавящимся электродами; сварка модулированным током. Сварка на постоянном токе в импульсном режиме помимо повышения проплавляющей способности дуги позволяет уменьшить сварочные деформации вследствие малого времени существования сварочной ванны и малой зоны нагрева, обеспечить сходство химического состава металла шва с составом основного металла, уменьшить вероятность прожогов. Режим в этом случае регулируется изменением скважности импульсов, т. е. изменением отношения

(4.3)

Сварка модулированным током обеспечивает изготовление тонколистовых конструкций и высококачественное формирование вертикальных и потолочных швов. При модулированном токе сварки проплавляющая способность дуги меньше зависит от изменения ее длины, уменьшается расход энергии на 15 -- 20 %, на эту же величину увеличивается производительность процесса, обеспечивается легкое управление дозировкой энергии, вводимой в дугу.

Рассмотрим некоторые типовые системы автоматического регулирования проплавления, построенные на основе описанных выше решений.

Системы автоматического регулирования проплавления с воздействием на питающую систему. Функциональная схема САР представлена на рис. 7.26. В качестве датчика проплавления может быть использован один из рассмотренных выше фотоэлектрических датчиков (см. рис. 4.1). Чувствительными элементами в них могут быть фотосопротивления, фотодиоды, фотоумножители, фототриоды. На практике хорошо себя зарекомендовали фотодиоды типа ФД германиевого и кремниевого исполнения. Они более температуростабильны. Для выделения лучистого потока, соответствующего зоне расплавленного металла, в конструкциях датчиков используют узкие диафрагмы и светофильтры. Можно предложить следующие благоприятные комбинации использования светофильтров с чувствительными элементами: ФДК + СЗС-14; ФД-3 + водяной фильтр.

Рис. 4.3. Система автоматического регулирования проплавления стыка с воздействием на питающую систему через тиристорный регулятор

С фотодатчика ФЭ сигнал , пропорциональный проплавлению, после сравнения с уставкой , вырабатываемой блоком БУ, усиливается и поступает в блок суммирования БС. В БС суммируются напряжение пилы, вырабатываемое генератором пилы ГП, и усиленное напряжение . Суммарный сигнал поступает на три идентичные схемы управления СУ_1-3,, на выходах которых формируются импульсы управления тиристорами V7--VI2. Последние в рассматриваемом варианте схемы включены по высокой стороне сварочного трансформатора СТ. Временное положение импульсов пропорционально входному напряжению , т. е. рассогласованию между измеряемым параметром (например, шириной обратного валика b) и уставкой по этому параметру.

Получение управляющего воздействия более подробно иллюстрируется временной диаграммой, приведенной на рис. 4.4, а. На схеме рассмотрена отработка рассогласования для двух форм ВАХ источника питания -- жесткой (рис. 4.4,б) и штыковой (рис. 4.4, б) при возмущении по ширине обратного валика b в случае > 0.

Напряжение соответствует невозмущенному сигналу с фотодатчика. Ему также соответствует оптимальная ширина обратного валика b_оп. _т.

Рис. 4.4. Временная диаграмма формирования сигнала управления в САР проплавления



Рис. 4.5. Структурная схема САР проплавления с воздействием на питающую систему

При появлении возмущения по обратному валику (> 0.) сигнал на выходе усилителя изменится до напряжения . В блоке БС (рис. 4.3) он суммируется с напряжением генератора пилы. При совпадении уровня суммарного сигнала с напряжением в схемах управления СУ_1-3 формируются прямоугольные импульсы U₂. На управляющие электроды тиристоров V7--V12 поступают положительные импульсы U₃, получаемые на выходе СУ путем дифференцирования прямоугольных импульсов U₂. Открытие тиристоров в момент появления положительных импульсов обеспечивает прохождение через сварочный трансформатор сигналов в виде напряжений U₄ и U₅. Соответствующее им изменение напряжения на выходе источника питания дуги можно определить по формуле

(7.25)

Статические и динамические характеристики регулятора можно проанализировать, как и выше, с помощью структурной схемы. Особенностью ее в этом случае является необходимость учета в структурной схеме объекта передаточной функции гидродинамического и теплового звена сварочной ванны.

Если зона визирования фотодатчика располагается в хвостовой части сварочной ванны, что нередко делают с целью предотвращения повреждения входного «зрачка» фотодатчика расплавленным металлом при прожогах, то учет гидродинамического звена в структурной схеме объекта необязателен. В структурную схему регулятора при этом вводят звено запаздывания е^-pт, которое учитывает запаздывание между управляющим сигналом и управляющим воздействием.

Структурная схема для этого случая с введением в источнике питания отрицательной ОС по току (звено V) и положительной ОС по напряжению (звено II) приведена на рис. 4.5. Параметр Дд отражает действие одного из технологических возмущений, например, по толщине свариваемого материала. Он через передаточную функцию (ПФ) звена VI приводится к возмущению по ширине обратного валика .

ПФ сварочной ванны в схеме задана апериодическими звеньями IV и VIII, характеризующими влияние приращений тока ДI и напряжения дуги на изменение обратного валика b. Звено IX содержит ПФ регулятора с запаздыванием е^-pт. Звенья VII и III отражают ПФ дуги и источника питания без обратных связей. Коэффициент k_д в звене I -- коэффициент приведения возмущения по длине дуги к возмущению по напряжению дуги . Параметр -- возмущение по напряжению сети.

Аналогичная система регулирования проплавления с воздействием на источник питания (обмотку возбуждения сварочного генератора) реализована и для сварки плавящимся электродом . При разработке этой системы была исследована динамика связи температура -- глубина проплавления -- сигнал на выходе фотодатчика при сварке с неполным проплавлением. Отмечена необходимость учета для этого случая в ПФ шва, помимо апериодического звена, звена запаздывания е^-pт с постоянной времени т, зависящей от теплофизических констант материала и толщины свариваемой детали. Система выполнена на базе серийного сварочного аппарата АДС-1000-2. Проплавление шва при сварке кольцевых поворотных стыков контролируется фотоэлектрическим датчиком. Неизменность зоны визирования на пятне проплавления поддерживает дополнительная синхронно-следящая система, привод которой размещен на телескопической штанге, вводимой внутрь свариваемой обечайки.

Систему регулирования проплавления с использованием в качестве датчика температуры в околошовной зоне подвижной хромель-копелевой термопары испытывали на алюминиевых сплавах и коррозионно-стойких сталях. Схема расположения датчика показана на рис. 4.6. Координаты х и у расположения термопары выбирают из условия максимальной корреляции между измеряемой температурой в каждый текущий момент и параметрами шва. Структура системы регулирования может быть аналогичной структуре вышёрассмотренных систем.

Рис. 4.6. Измерение температуры околошовной зоны с помощью хромель-копелевой термопары



Рис. 4.7. Функциональная схема регулятора проплавления с воздействием на пространственное положение дуги

Преимуществом использования термопары является незначительное влияние излучения дуги, простота компоновки и конструкции узлов датчика. Недостаток -- значительная инерционность самого датчика и запаздывание на 1--3 с в передаче информации между сварочной ванной и датчиком. Если термопару формирует свариваемый металл и вспомогательный стержень (контактный щуп), то материал последнего необходимо подбирать индивидуально для каждой марки стали основного металла. Необходимо отметить также малую долговечность таких датчиков из-за скользящего контакта.

Система автоматического регулирования проплавления с воздействием на пространственное положение дуги. САР используют при сварке в СО₂ поворотных кольцевых стыков труб с У-образной разделкой кромок. Пространственное положение дуги изменяют, вводя поперечные колебания электрода. Функциональная схема системы приведена на рис. 4.7.

Датчик системы -- фотодиод ФД располагают внутри свариваемых труб и визируют на формируемый корень шва. На выходе датчика формируется сигнал, пропорциональный размерам обратного валика. При отклонении размеров валика от номинального в системе вырабатывается сигнал рассогласования , который после усиления в блоках УН и УМ приводит в движение двигатель М2. Последний через редуктор q₂ перемещает в вертикальном направлении профилированный кулачок и изменяет амплитуду колебаний сварочной горелки СГ как функцию сигнала рассогласования. С увеличением проплавления амплитуда колебаний также увеличивается, тепловой поток от дуги рассредоточивается по большей площади, проплавление стыка возвращается к заданному.

В некоторых случаях механические устройства для колебания электрода могут быть заменены магнитными. Наложение знакопеременного магнитного поля вдоль оси шва вызывает поперечные колебания дуги. Изменяя параметры магнитного поля (напряженность), можно изменить амплитуду поперечных колебаний дуги, а следовательно, формирование шва.

автоматизация дуговой сварка контур

ЛИТЕРАТУРА

1. Н.С. Львов и Э.А. Гладков «Автоматика и автоматизация сварочных процессов»

2. Зайцев И.П., Кулешов О.М. Средства автоматизации в оборудовании для дуговой сварки. Л.: Энергия, 1975. 144 с.

3. Львов Н.С. Основы механизации и автоматизации производства. М.: Высшая школа, 1966, 150 с.

4. Львов Н.С. Автоматизация направления сварочной головки по стыку. М.: Машиностроение, 1966, 156 с.

Размещено на Allbest.ru

...