Способы контроля величины проплавления с обратной стороны свариваемого изделия.

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

где q_эф - 0,24 I_дU_дη_Эф — эффективная тепловая мощность дуги; η_Эф — эффективный КПД дуги, характеризующий отношение теп­лоты, введенной в шов, к общей теплоте, выделенной сварочной дугой.

В свою очередь закон регулирования величины отношения q_эфзависит от типа действующих возмущений на объект источник питания—-дуга—сварочная ванна.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 q_эф, характеризующим изменение условия тепловложения в свариваемый материал.

Частично устранить влияние конструктивных возмущений можно, измеряя и записы­вая их с помощью специального датчика в период холостого про­хода стыка и затем корректируя (в процессе сварки) параметры режима по записанной программе. Однако из-за тепловой дефор­мации детали в процессе сварки такая программа часто малоэф­фективна. Поэтому наиболее приемлем способ введения в систему регулирования ОС 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 околошовнойзоны. Температуру можно регулировать, изменяя эффективную по­гонную энергию q_эф в системе источник питания—дуга—свароч­ная ванна. Задача регулирования при этом сводится к стабилиза­ции подвижного температурного поля. 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 применять бескон­тактные датчики, действие которых основано на измерении ин­тенсивности излучения с поверхности металла. Использование контактных датчиков 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.

Устройство визирования состоит из трех бесконтакт­ных датчиков температуры. Точки визирования датчиков Д1 и ДЗ расположены на одинаковом расстоянии от точки визирования датчика Д2. Сигналы с Д1 и ДЗ поступают на сравнивающее уст­ройство. Разность между ними усиливается усилителем. Получен­ное напряжение суммируется с напряжением генератора, питаю­щего двигатель Ml механизма перемещения сварочного аппарата и двигатель М2 коррекции устройства визирования.

Разница в скорости перемещения устройства визирования и сварочной горелки преобразуется в напряжение обратной связи U_oc. Система поиска работает таким образом, что если сигнал датчика Д1 больше сиг­нала датчика ДЗ, то двигатель М2 через редуктор Р2 перемещает устройство визирования влево относительно дуги и наоборот если сигнал ДЗ больше сигнала Д1. Предполагается, что наиболее на­гретая точка находится между точками визирования Д1 и ДЗ и ее температуру измеряет датчик Д2.

Рассмотренная система — система однокоординатного поиска (предполагается, что наиболее нагретая точка находится в плос­кости стыка). В общем случае может быть применена двухкоординатная система поиска, в которой поиск наиболее нагретой точки осуществляется и в плоскости, перпендикулярной плоскости стыка.

Рассмотрим принцип работы, измерительные схемы и конст­рукции датчиков величины проплавления. Полезным является из­лучение расплавленного металла, участвующего в каждый дан­ный момент в формировании шва.

Изменение площади изотерм имитировали измене­нием сварочного тока. С увеличением площади увеличивается ко­личество излучаемой энергии. Возникает необходимость устранить воздействие на датчик еще раскаленного, но уже закристаллизо­вавшегося металла корня шва и металла околошовной зоны, сум­марная энергия излучения которых достаточно велика.

Чтобы ограничиться воздействием на датчик только энергии излучения расплавленного металла, формирующей корень шва, желательно иметь датчик с чувствительностью по спектру в пре­делах длин волн λ= 0,6... 1,2 мкм, исходя из величины температу­ры расплавленного металла (для стали 1 800 К).

На датчик, имеющий такую спектральную чувствительность, воздействует в основном расплавленный металла и в достаточной степени исключается воздействие излучения из зоны более длин­ных волн (λ>1,2 мкм).

В таких датчиках можно применять фотосопротивления, однако они обладают значительной инерционностью.

Лучшие характеристики имеют кремниевые фотодиоды. Они более температуростабильны и имеют хорошую спектральную чув­ствительность в диапазоне волн λ <1,2 мкм, не воспринимая из­лучения закристаллизовавшегося металла и металла околошовнойзоны, когда λ >1,2 мкм.

Обычно кремниевые фотодиоды применяют в комбинации с фильтрами.

Используя спектральные кривые коэффициента пропуска­ния х_хразличных стекол, можно выбрать оптическое стекло с необходимой характеристикой по пропусканию.

При создании работоспособного датчика очень важно защи­тить его от теплового воздействия среды и дуги. При нагреве фо­тодиода возникают изменения его параметров, что приводит при отсутствии излучения от объекта к появлению напряжения на выходе измерительной схемы. Для устранения этого недостатка разработаны два схемных решения, существенно снижающих эф­фект дрейфа ложного срабатывания схемы:

использование в схеме двух идентичных фотодиодов: рабоче­го и компенсационного (рис. 2.47);

использование одного фотодиода, но в паре с операцион­ным усилителем (рис. 2.48).

Схема эффективна при оптимальном выборе нагрузки фотодиода, который при облучении световым потоком от объекта работает в режиме генерации фототока.

Рис. 2.47. Измерительная схема и конструкция датчика величины проплавления с двумя фотодиодами:

а — измерительная схема; б — конструкция датчика; 1 — стекло простое; 2 — фильтр СЗС26; 3 — фетр; ФД1 — рабочий фотодиод; ФД2 — компенсационный фотодиод; R— резистор; RP— потенциометр; U_on— опорное напряжение; Ф — световой поток; I_н, R_H— ток и сопротивление нагрузки.

Рис. 2.48. Измерительная схема дат­чика проплавления стыка с одним фотодиодом в комбинации с опера­ционным усилителем:

RK— терморезистор; ОУ — операцион­ный усилитель; I_BX, R_ОС— сопротивле­ние входа и обратной связи; U_вых — на­пряжение выхода; остальные обозна­чения см. на рис. 2.46, 2.47.

Обычно нагрузку выбирают менее 10 Ом. Это позволяет увели­чить быстродействие и повысить линейность световой характери­стики измерительной схемы.

Чувствительный элемент датчиков проплавления — это фото­элемент. 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. Газ в процессе сварки используют так­же для защиты обратной стороны шва. Струя газа, не влияя на спектр лучистого потока, предохраняет входной зрачок датчика от запыленности. Особенность применения датчика — это возможность использовать его непосредственно под зоной свар­ки в стесненных условиях (из-за малых поперечных размеров). В зону контроля сварки датчик вводят на жесткой штанге, через которую подают аргон (для защиты входного оптического отверстия и охлаждения датчика) и выводят электрические сигналы.

Особенности конструкции датчика:

малые габаритные размеры (поперечное сечение 20x20 мм)*;

защита от запыленности и капель жидкого металла сварочной ванны при прожогах;

использование узкополосных светофильтров для выделения излучения только от расплавленного металла сварочной ванны при полном проплавлении;

оптическая схема, обеспечивающая защиту от прямого излуче­ния дуги через зазор в стыке;

охлаждение датчика аргоном, поступающим через жесткую штангу;

наличие рабочего и компенсационного фотоприемников в схе­ме измерения;

дифференциальный выход для исключения влияния помех от дуги;

микропроцессорный блок с цифровой индикацией значения ширины проплавления в миллиметрах;

наличие аналогового выхода для построения замкнутой систе­мы управления;

наличие цифрового выхода для передачи значений в ЭВМ.

При плазменной сварке применяют способ регулирования про­плавления по контролю (с обратной стороны изделия) параметров факела ионизированных газов (рис. 2.52). Параметры факела изме­ряют с помощью фотоэлектрического датчика (рис. 2.52, а) или по разности потенциалов между свариваемым изделием 1 и искусст­венно вводимой под деталь контактной подложкой 2 (рис. 2.52, б).

Рис. 2.52. Способы контроля проплавления при плазменной сварке: а — с помощью фотоэлектрического датчика ФЭ; б — по разности потенциалов U_выхна проникающей плазме; 1 — изделие; 2 — подложка; Ф — световой поток

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

Из-за сложности визирования датчика с обратной стороны шва иногда необходимо построить бесконтактные датчики, устанав­ливаемые со стороны дуги. Основное условие работоспособности датчика в таком случае — это 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 внешняя длина дуги стабилизирована.

Способы контроля формирования шва по информации со сто­роны дуги основаны:

на измерении интенсивности излучения спектральной линии базового элемента (например, линии хрома);

бесконтактном измерении температуры в околошовной зоне и размеров сварочной ванны телевизионными и оптическими сред­ствами;

использовании математических моделей, связывающих основ­ные размеры шва (например, обратного валика) с параметрами режима сварки.