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.
По мере увеличения объема капли силы поверхностного натяжения
Р = σ(1/R1+ 1/R2) (3.3)
(где σ — 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
где μ0 — магнитная проницаемость, достигающая наибольшего значения на оси капли; δ — плотность тока в элементарном объеме;
Рис. 3.3. Схема аэродинамического канала в ванне и протекающих в нем процессов |
ρ — 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
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 Δh2 и ширины шва Δb, если известны возмущения по напряжению сети , и длине дуги , а также соответствующие коэффициенты качества , , можно определить по формуле
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.
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
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.
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
Рис. 4.2. Оптический способ определения размеров сварочной ванны
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.
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