Автор работы: Пользователь скрыл имя, 10 Декабря 2014 в 13:56, курсовая работа
Большие перспективы в развитии сварочного производства открывает автоматизация процесса сварки. В решении задачи автоматизации необходим комплексный подход к проблеме. Это означает, что подлинный прогресс сварочного производства воз¬можен только в том случае, если при использовании автоматики будет решен весь комплекс задач по автоматизации основных, заготовительных, транспортных, сварочных и отделочных опе¬раций.
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
где rу — 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 (Ку>0) будет выполнено, если справедливо неравенстве
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 Ку>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 Ку>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
|
Рис. 3.2. Характеристики устойчивой работы сварочной головки с различной скоростью подачи электрода Vп и статическая внешняя характеристика источника питания |
в химическом составе шва, а следовательно, и в его механических свойствах и склонности к образованию горячих трещин.
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 Vп электродной проволоки, тем больше сварочный ток. Пусть устойчивый режим сварки определяется точкой А пересечения кривой устойчивой работы Vп2 с внешней характеристикой источника питания а (см. рис. 3.2). Если по каким-либо причинам дуга удлинилась и напряжение на ней достигло Uд1>UД2, то новое состояние в точке В при Vв= Vп2 оказывается неустойчивым.
Новому электрическому режиму горения дуги в точке В в стационарном режиме должна соответствовать другая скорость плавления (Vэ = Vп1) электродной проволоки. Эта скорость плавления при IД1<IД2 меньше скорости подачи электрода Vп2, что следует из сопоставления кривых устойчивой работы. Скорость изменения дугового промежутка в этом случае
Так как Vэ < Vп1, 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.