Параметрический регулятор проплавления при сварке неплавящимся электродом

185.

САР проплавления при дуговой, плазменной и электронно-лучевой сварке

187.

188.Обобщенным критерием качества сварного соединения являются заданные термический цикл и геометрические размеры шва, которые определяются законом изменения погонной энергии дуги. Закон регулирования погонной энергии зависит от типа действующих возмущений на объект «источник питания – дуга – сварочная ванна». При технологических и конструктивных возмущениях, действующих непосредственно на сварочную ванну (шов), требуется более сложный закон изменения погонной энергии для получения качественного сварного соединения.

189.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 специальных датчиков в период холостого прохода стыка и затем – корректировки в процессе сварки программы 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 ОС по некоторому обобщенному параметру, на который в процессе сварки влияют как технологические, так и конструктивные возмущения. В качестве такого параметра можно принять температуру металла сварочной ванны или околошовной зоны [7]. 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 (теплоемкостью, теплопроводностью и т.д.). Температуру можно измерить лишь на некотором расстоянии от сварочной дуги, что обуславливает появление погрешности измерения относительно реальной температуры под дугой и в запаздывании при передаче сигнала управления.

190.Для измерения температуры целесообразно применять бесконтактные датчики, 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 (площадь 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 визирование датчика на точку измерения температуры.

191.При наличии информации о качестве проплавления для построений системы регулирования в каждом конкретном случае необходимо еще правильно выбрать регулирующее воздействие, т.е. один из следующих параметров:

192.· ток в непрерывном или импульсном режимах;

193.· скорость сварки;

194.· амплитуда поперечных колебаний электрода;

195.· параметры магнитной системы при управлении дугой магнитным полем;

196.· скорость подачи электродной проволоки и т.д.

197.В более сложных случаях требуется комбинированное управление: ток – скорость сварки; скорость подачи электрода – длина вылета; ток – амплитуда поперечных колебаний и т.д.

198.При выборе регулирующего воздействия 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 следует отнести повышение пространственной устойчивости дуги: например, наложение на нее коротких по длительности импульсов или магнитного поля, управление кристаллизацией металла шва с помощью электромагнитного перемешивания, удержание металла сварочной ванны с помощью магнитного поля, управление пространственным положением дуги относительно линии стыка с помощью механических и электромагнитных устройств.

199.При создании автоматического оборудования особое внимание заслуживает способ сварки с периодически изменяющимся током. Основные из этих способов: импульсно-дуговая сварка со свободной и проникающей дугой; импульсно-дуговая сварка плавящимся и неплавящимся электродом; сварка модулированным током.

200.Рассмотрим некоторые системы автоматического регулирования проплавления.

201. САУ проплавления с воздействием на питающую систему (рис.6.4). В качестве датчика проплавления использован фотоэлектрический датчик. Чувствительным элементом могут быть фототранзисторы, фотодиоды, фотоумножители, фототриоды.

202.

203.

204.

205.

206.

207.

208.

209.Рис. 6.4. Система автоматического регулирования проплавления стыка с воздействием на питающую систему через тиристорный регулятор

210.

211.С фотодатчика ФЭ сигнал U_ф, пропорциональный проплавлению и вырабатываемый блоком управления БУ, после сравнения с уставкой U_з в элементе сравнения Σ усиливается и поступает в блок суммирования (БС). В БС напряжение пилы U_п, вырабатываемое генератором пилы ГП, суммируется с усиленным напряжением kU_вх. Суммарный сигнал поступает на три идентичных схемы управления СУ1-3. На выходах СУ1-3 формируются импульсы управления тиристорами V7-V12. Последние в рассмотренном варианте схемы включены по высокой стороне сварочного трансформатора СТ. Временное положение импульсов пропорционально входному напряжению U_вх, т.е. рассогласованию между измеряемым параметром и уставкой по этому параметру

212.Получение управляющего воздействия более подробно иллюстрируется диаграммой, показанной на рис.6.5,а. На схеме рассмотрена отработка рассогласования для двух форм ВАХ источника питания: пологопадающей (рис.6.5,б) и штыковой (рис.6.5,в) при возмущении по ширине обратного валика b_опт. Напряжение U_вх1 = k(U_ф – U_з) соответствует невозмущенному состоянию.

213.

214.

215.

216.Рис. 6.5. Временная диаграмма формирования сигнала управления в САУ проплавлением

217.

218.При появлении возмущения по обратному валику (Db > 0) сигнал на выходе усилителя изменится до напряжения U_вх2. В блоке БС он суммируется с напряжением U_гп генератора пилы. При совпадении уровня суммарного сигнала U_гп+ U_вх2 с напряжением U_пор в схемах управления СУ1-3 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

219..

220.В системе регулирования проплавления с использованием в качестве датчика температуры в околошовной зоне подвижной хромель-копелевой термопары координаты расположения датчика (термопары) выбирают из условия максимальной корреляции между измеряемой температурой в каждый текущий момент и параметрами шва.

221.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. Долговечность таких датчиков мала.

222. САР проплавления с воздействием на пространственное положение дуги. Такие системы используются при сварке в защитных газах поворотных кольцевых стыков труб с V-образной разделкой кромок. Пространственное положение дуги изменяют, вводя поперечные колебания электрода. Функциональная схема системы показана на рис.6.6.

223.

224.

225.Рис. 6.6. Функциональная схема регулятора проплавления с воздействием на пространственное положение дуги

226.

227.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 формируется сигнал рассогласования U_у = k(U_ф, – U_з), который после усиления в блоках УН (усилитель по напряжению) и УМ (усилитель мощности) 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 большой площади, проплавление стыка возвращается к заданной величине.

228.В некоторых случаях механические устройства для колебания электрода могут быть заменены магнитными. Наложение знакопеременного магнитного поля вдоль оси шва вызывает поперечное колебание дуги. Изменяя параметр магнитного поля (напряженность), можно воздействовать на амплитуду поперечных колебаний дуги, а, следовательно, на формирование шва.

229. Управление качеством проплавления стыка при электронно-лучевой сварке с применением эмиссионного датчика. Применяют регулирование тока луча по частоте пиков напряжения вторичной эмиссии. Функциональная схема установки дана на рис.6.7. Входным сигналом на регулятор является напряжение U_н, снимаемое с нагрузки R_н в цепи датчика Д вторичной эмиссии. После усиления, это напряжения через устройство связи УС поступает на модулятор Мод и воздействует на управляющий электрод УЭ сварочной пушки. Автоколебательный характер механизма проплавления, вызванный характером процесса взаимодействия электронного луча с парами металла, успешно можно контролировать по напряжению U_н.

230.

231.

232.

233.Рис. 6.7. Схема регулирования тока луча по частоте вторичной эмиссии:

234.И – свариваемое изделие; К – катод электронной пушки; ФОС – фокусирующая система электронной пушки

235.

236.Принцип действия системы предусматривает улучшение формирования шва путем исключения взаимодействия луча с парами металла, выделяемыми из сварочной ванны. Известно, что максимум напряжения U_д наблюдается в момент, когда плотность паров максимальная и взаимодействие пара с электронами пучка в наибольшей степени оказывает влияние на возникновение пор и раковин. При достижении напряжения на выходе модулятора U_м пушка запирается, и, таким образом, исключается взаимодействие паров с лучом.

237.После эвакуации газов из канала U_н ® 0, процесс проплавления повторяется, т.е. осуществляется импульсный режим процесса сварки, в котором вместо установки параметров режима вручную система автоматически настраивается на необходимую частоту прерывания электронного луча по частоте пиков U_н, поскольку временные параметры режима определяются частотой пиков напряжения U_н, косвенно характеризующего механизм проплавления. При этом улучшаются условия формирования шва.

238.

239.

240.

241.

242.

243.

244.

245.

246.

247.

248.

249.

250.

251.

252.

253.

254.

255.

256.

257.

258.

259.

260.

261.

262.

263.

264.

265.

266.

267.

268.

269.

270.

271.