Автоматическое регулирование процесса

Электрошлаковой сварки

3.3.1. Общая характеристика процесса электрошлаковой сварки

Процесс электрошлаковой сварки (ЭШС) всеобъемлюще и полно рассмотрен в [1], поэтому ограничимся лишь самыми общими сведениями, позволяющими иметь необходимые представления для понимания работы и выбора систем автоматического регулирования этого процесса сварки.

Схема и основные параметры процесса ЭШС показаны на рис. 29, где обозначено: b – толщина свариваемых кромок; П – медные охлаждаемые водой ползуны, с помощью которых формируется сварной шов и которые перемещаются вверх со скоростью сварки Vсв; сухой (h1) и мокрый (h2) вылеты электродной проволоки, которая со скоростью Vэ подается в плавильное пространство шлаковой ванны, образуемое тепловой энергией, выделяющейся при прохождении через шлак сварочного тока Iсв; Hш – глубина шлаковой ванны; Hв – глубина ванны расплавленного металла.

Рис. 29. Схема процесса Рис. 30. Схема автоматической стаби-

ЭШС лизации напряжения Uш

ЭШС в зависимости от толщины свариваемых кромок и величины зазора между ними может осуществляться или электродными проволоками, или плавящимися мундштуками, или пластинчатыми электродами большого сечения.

Чтобы процесс ЭШС шел устойчиво и обеспечивалось качественное формирование сварного шва, необходимо стабилизировать основные энергетические параметры процесса (сварочный ток, скорость сварки, напряжение шлаковой ванны), а также расстояние зеркала металлической ванны от края ползунов.

Процесс ЭШС, подобно процессу сварки плавящимся электродом, обладает свойством саморегулирования, которое осуществляется интенсивно, если плотность тока на электроде велика и соответственно велика скорость его плавления. При

большом сечении плавящихся электродов рекомендуется принудительное регулирование процесса. Тем не менее большая часть сварочных автоматов для ЭШС комплектуется механизмами с постоянной скоростью подачи электродной проволоки, что

напомним, является необходимым условием проявления эффекта саморегулирования.

На процесс образования сварного шва оказывают (отдельно или в совокупности) влияние следующие возмущения: колебания напряжения питающей сети; изменение зазора между кромками в результате сварочных деформаций; некачественная сборка кромок под сварку; вытекание через ползуны части расплавленного шлака; нестабильность работы механизмов подачи электродных проволок; непостоянство расположения ползунов, формирующих шов, относительно границы металл – шлак.

Поскольку саморегулирование далеко не всегда оказывается достаточно эффективным, сварочное оборудование для ЭШС оснащают специальными системами автоматического регулирования.

3.3.2. Автоматическое регулирование напряжения и тока

В тех случаях, когда колебания напряжения питающей сети значительны и к качеству сварного соединения предъявляются высокие требования, сварочные аппараты целесообразно компоновать регуляторами, стабилизирующими напряжение на шлаковой ванне путем воздействия на первичное напряжение сварочного трансформатора при постоянной скорости подачи электродной проволоки. Наиболее просто такая система (рис. 30) реализуется с помощью тиристорного контактора, состоящего из встречно - параллельно включенных в первичную цепь сварочного трансформатора Т последовательно с его обмоткой тиристоров VS1 и VS2.

Такое включение тиристоров при ЭШС вполне допустимо, поскольку шлаковая ванна представляет собой активное сопротивление, и поэтому перерывы в протекании сварочного тока в каждый из его полупериодов при не полностью открытых тиристорах не снижают устойчивости процесса сварки. Регулируемое напряжение Uш сравнивается с опорным (заданным) напряжением Uо в сравнивающем устройстве СУ. Усиленный разностный сигнал DU = Uо – Uш подается на фазовращательный мост Ф, который управляет тиристорами VS1 и VS2.

Стабилизация напряжения Uш за счет воздействия на скорость подачи электрода возможна при использовании источника питания с падающей вольт–амперной характеристикой. Однако при изменении скорости Vэ изменяется и значение тока сварки, что не всегда удовлетворяет требованиям технологии, поэтому чаще предпочтение отдают первому варианту стабилизации напряжения Uш, показанному на рис. 30.

При сварке плавящимся мундштуком и при использовании электродов с большим поперечным сечением, когда процесс саморегулирования выражен слабо, целесообразно применять системы стабилизации тока сварки. В этих системах регулирующим воздействием является скорость Vэ. Применение таких систем целесообразно при использовании источника питания с жесткой вольт - амперной характеристикой и при относительно небольших колебаниях напряжения питающей сети.

Обычно для обеспечения качественного процесса ЭШС бывает достаточно использовать одну из вышерассмотренных систем. Однако если системы с одним регулятором не дают желаемого эффекта, то применяют системы одновременного регулирования напряжения и тока. Так, например, целесообразно поступать при сварке длинными пластинчатыми электродами, когда необходимо компенсировать падение напряжения на пластине для получения постоянного напряжения на шлаковой ванне, при больших колебаниях напряжения питающей сети или при сварке швов с переменным поперечным сечением, когда требуется изменение режима сварки по заданной программе. Непрерывное программирование тока сварки наряду с регулированием напряжения шлаковой ванны обеспечивает плавное изменение теплового режима шлаковой ванны в течение всей сварки, что сохраняет заданную скорость наплавления металла шва и позволяет повысить его качество.

3.3.3. Автоматическое регулирование уровня металлической ванны

При ЭШС с использованием подвижных формирующих устройств – ползунов необходимо, чтобы уровень металлической ванны относительно ползунов сохранялся неизменным с заданной точностью (обычно считается достаточным, если обеспечивается точность ± 2 мм). Это достижимо, если в каждый момент времени, кроме начальной стадии, соблюдается условие

Fм*Vсв = Fэ*Vэ,

где Fм – площадь поперечного сечения металла, необходимого для заполнения зазора и создания усиления шва; Vсв – скорость перемещения аппарата; Fэ – площадь поперечного сечения электродной проволоки; Vэ – скорость подачи электродной проволоки.

Уровень металлической ванны можно регулировать, изменяя или скорость подачи электрода Vэ, или скорость сварки Vсв, или оба эти параметра одновременно. Наиболее целесообразным считается применение систем регулирования с воздействием на скорость

сварки Vсв, т.е. на скорость перемещения формирующих шов ползунов, поскольку непостоянство Vсв почти не отражается на режиме плавления электрода, в чем состоит основное преимущество такого способа регулирования.

а) б) в)

г) д)

Рис. 31. Способы контроля уровня металлической ванны при ЭШС:

а) контактный датчик; б) схема дифференциальной термо-

пары; в) термодатчик; г) радиоактивный датчик; д) индукци-

онный датчик

Непосредственное получение информации об уровне металлической ванны относительно ползунов может осуществляться следующими способами: контактным датчиком; термодатчиком; радиоактивным датчиком; индукционным датчиком (рис. 31).

Контактный датчик(рис. 31,а) представляет собой металлический щуп, вмонтированный в ползун и изолированный от него. С помощью щупа при сварке измеряется падение напряжения Uш. Величина этого напряжения при неизменном сварочном токе зависит от расстояния L (расстояние от торца щупа до поверхности металлической ванны). Напряжение Uш подается на схему сравнения, где сравнивается с задающим напряжением. Разность этих напряжений поступает на усилитель мощности и с него - на

двигатель, обеспечивающий необходимую скорость сварки Vсв

(скорость перемещения ползунов). Если по той или иной причине L, например, увеличивается, то возрастает Uш, что ведет к уменьшению разности между этим и задающим напряжением и в конечном итоге к уменьшению скорости Vсв. При уменьшении L скорость Vсв возрастает. Погрешность положения ванны относительно ползунов не выходит обычно за пределы ± 2 мм.

В техническом отношении этот способ реализуется достаточно просто, однако, поскольку щуп (точнее – торец щупа, контактирующий со шлаковой ванной) работает в тяжелых условиях, срок его службы ограничен, что можно считать основным недостатком этого датчика.

Основой термодатчика является дифференциальная термопара (рис. 31,б), которая представляет собой два разнородных металлических проводника А и Б, спаянных в точках 1и 2, причем один из проводников, например проводник Б, имеет разрыв. Если температура спаев 1 и 2 одинакова, термоЭДС е_т на клеммах проводника Б равна нулю. Если же температуры спаев не одинаковы, возникает термоЭДС, величина которой зависит от величины разности температур, а знак – от того, какая из температур выше (ниже). Для контроля за уровнем металлической ванны при ЭШС (рис. 31,в) дифференциальная термопра (ДТ) создается двумя константановыми проволоками, припаянными к ползуну и имеющими выводы «а» и «б», между которыми возникает термоЭДС, если нарушается симметрия положения зеркала металлической ванны относительно спаев, образованных константановыми проволоками с медным ползуном. Величина и знак термоЭДС используются системой для соответствующей корректировки величины скорости Vсв.

Регуляторы с дифференциальными термопарами вполне работоспособны, если удаление электрода от ползуна не превышает 35 – 40 мм. При большем удалении электрода, что часто имеет место, регулятор работает нестабильно. Поэтому регуляторы этого типа не получили широкого распространения в промышленности.

Резко различная плотность шлака и металла позволили для контроля за положением уровня металлической ванны применить радиоактивный датчик (рис. 31,г), который состоит из излучателя И и приемника излучения П. Излучатель вмонтирован в один ползун, приемник – в другой. Изменение положения зеркала металлической ванны относительно ползунов меняет степень поглощения изотопного излучения, которое фиксируется приемником. Изменение интенсивности фиксируемого излучения позволяет сформировать сигнал нужной полярности и величины для

изменения скорости Vсв перемещения ползунов.

Высокая разрешающая способность современных изотопных датчиков, четкая направленность излучения, относительно малая плотность шлака позволяют создать работоспособные устройства с допустимым по условиям безопасной работы уровнем излучения в рабочей зоне при сварке наиболее распространенных изделий толщиной до 150 мм. Однако сложности организации квалифицированной эксплуатации таких устройств в цеховых условиях сдерживают развитие и применение этого способа регулирования.

Индукционный датчик основан на принципе наведения вихревых токов в электропроводимой немагнитной среде – в шлаковой и металлической ваннах. Датчик вмонтирован в корпус формирующего ползуна и выполнен на Ш-образном магнитопроводе (рис. 31,д). Две его рабочие обмотки, размещенные на крайних стержнях магнитопровода, создают в среднем стержне встречные магнитные потоки Ф1 и Ф2. В измерительной обмотке, находящейся на среднем стержне, индуктируется ЭДС, определяемая разностью Ф1 и Ф2. При Ф1 = Ф2 эта ЭДС равна нулю. Датчик работает таким образом, что в момент, когда зеркало металлической ванны и средний стержень на одном уровне, в измерительной обмотке наводится максимальная ЭДС. Система регулирования работает таким образом, чтобы поддерживать напряжение на выходе датчика максимальной величины.

Проблему регулирования уровня металлической ванны нельзя считать разрешенной полностью. Создание надежных и простых в эксплуатации датчиков остается актуальной и в настоящее время.