Система автоматического регулирования скорости перемещения горелки при дуговой сварки

 

    (4.3)

 

Сварка модулированным током обеспечивает изготовление тонколистовых конструкций и высококачественное формирование вертикальных и потолочных швов. При модулированном токе сварки проплавляющая способность дуги меньше зависит от изменения ее длины, уменьшается расход энергии на 15 — 20 %, на эту же величину увеличивается производительность процесса, обеспечивается легкое управление дозировкой энергии, вводимой в дугу.

Рассмотрим некоторые типовые системы автоматического регулирования проплавления, построенные на основе описанных выше решений.

Системы автоматического регулирования проплавления с воздействием на питающую систему. Функциональная схема САР представлена на рис. 7.26. В качестве датчика проплавления может быть использован один из рассмотренных выше фотоэлектрических датчиков (см. рис. 4.1). Чувствительными элементами в них могут быть фотосопротивления, фотодиоды, фотоумножители, фототриоды. На практике хорошо себя зарекомендовали фотодиоды типа ФД германиевого и кремниевого исполнения. Они более температуростабильны. Для выделения лучистого потока, соответствующего зоне расплавленного металла, в конструкциях датчиков используют узкие диафрагмы и светофильтры. Можно предложить следующие благоприятные комбинации использования светофильтров с чувствительными элементами: ФДК + СЗС-14; ФД-3 + водяной фильтр.

 

Рис. 4.3. Система автоматического регулирования проплавления стыка с воздействием на питающую систему через тиристорный регулятор

 

 

С фотодатчика ФЭ сигнал , пропорциональный проплавлению, после сравнения с уставкой , вырабатываемой блоком БУ, усиливается и поступает в блок суммирования БС. В БС суммируются напряжение пилы, вырабатываемое генератором пилы ГП, и усиленное напряжение . Суммарный сигнал поступает на три идентичные схемы управления СУ1-3,, на выходах которых формируются импульсы управления тиристорами V7—VI2. Последние в рассматриваемом варианте схемы включены по высокой стороне сварочного трансформатора СТ. Временное положение импульсов пропорционально входному напряжению , т. е. рассогласованию между измеряемым параметром (например, шириной обратного валика b) и уставкой по этому параметру.

Получение управляющего воздействия более подробно иллюстрируется временной диаграммой, приведенной на рис. 4.4, а. На схеме рассмотрена отработка рассогласования для двух форм ВАХ источника питания — жесткой (рис. 4.4,б) и штыковой (рис. 4.4, б) при возмущении по ширине обратного валика b

в случае > 0.

Напряжение соответствует невозмущенному сигналу с фотодатчика. Ему также соответствует оптимальная ширина обратного валика bоп. т.

При появлении возмущения по обратному валику ( > 0.) сигнал на выходе усилителя изменится до напряжения . В блоке БС (рис. 4.3) он сумми-

 

Рис. 4.4. Временная  диаграмма формирования сигнала управления в САР проплавления

Рис. 4.5. Структурная схема САР проплавления с воздействием на питающую систему

 

руется с напряжением генератора пилы. При совпадении уровня суммарного сигнала с напряжением 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

 

   (7.25)

 

Статические и динамические характеристики регулятора можно проанализировать, как и выше, с помощью структурной схемы. Особенностью ее в этом случае является необходимость учета в структурной схеме объекта передаточной функции гидродинамического и теплового звена сварочной ванны.

Если зона визирования фотодатчика располагается в хвостовой части сварочной ванны, что нередко делают с целью предотвращения повреждения входного «зрачка» фотодатчика расплавленным металлом при прожогах, то учет гидродинамического звена в структурной схеме объекта необязателен. В структурную схему регулятора при этом вводят звено запаздывания е-pт, которое учитывает запаздывание между управляющим сигналом и управляющим воздействием.

Структурная схема для этого случая с введением в источнике питания отрицательной ОС по току (звено V) и положительной ОС по напряжению (звено II) приведена на рис. 4.5. Параметр Δδ отражает действие одного из технологических возмущений, например, по толщине свариваемого материала. Он через передаточную функцию (ПФ) звена VI приводится к возмущению по ширине обратного валика .

ПФ сварочной ванны в схеме задана апериодическими звеньями IV и VIII, характеризующими влияние приращений тока ΔI и напряжения дуги на изменение обратного валика b. Звено IX содержит ПФ регулятора с запаздыванием е-pт. Звенья VII и III отражают ПФ дуги и источника питания без обратных связей. Коэффициент kд в звене I — коэффициент приведения возмущения по длине дуги к возмущению по напряжению дуги . Параметр — возмущение по напряжению сети.

Аналогичная система регулирования проплавления с воздействием на источник питания (обмотку возбуждения сварочного генератора) реализована и для сварки плавящимся электродом . При разработке этой системы была исследована динамика связи температура — глубина проплавления — сигнал на выходе фотодатчика при сварке с неполным проплавлением. Отмечена необходимость учета для этого случая в ПФ шва, помимо апериодического звена, звена запаздывания е-pт с постоянной времени т, зависящей от теплофизических констант материала и толщины свариваемой детали. Система выполнена на базе серийного сварочного аппарата АДС-1000-2. Проплавление шва при сварке кольцевых поворотных стыков контролируется фотоэлектрическим датчиком. Неизменность зоны визирования на пятне проплавления поддерживает дополнительная синхронно-следящая система, привод которой размещен на телескопической штанге, вводимой внутрь свариваемой обечайки.

Систему регулирования проплавления с использованием в качестве датчика температуры в околошовной зоне подвижной хромель-копелевой термопары испытывали на алюминиевых сплавах и коррозионно-стойких сталях. Схема расположения датчика показана на рис. 4.6. Координаты х и у расположения термопары выбирают из условия максимальной корреляции между измеряемой температурой в каждый текущий момент и параметрами шва. Структура системы регулирования может быть аналогичной структуре вышёрассмотренных систем.

 

Рис. 4.6. Измерение температуры околошовной зоны с помощью хромель-копелевой термопары

Рис. 4.7. Функциональная схема регулятора   проплавления   с   воздействием   на   пространственное   положение дуги

 

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. Необходимо отметить также малую долговечность таких датчиков из-за скользящего контакта.

Система автоматического регулирования проплавления с воздействием на пространственное положение дуги. САР используют при сварке в СО2 поворотных кольцевых стыков труб с У-образной разделкой кромок. Пространственное положение дуги изменяют, вводя поперечные колебания электрода. Функциональная схема системы приведена на рис. 4.7.

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 вырабатывается сигнал рассогласования , который после усиления в блоках УН и УМ 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 большей площади, проплавление стыка возвращается к заданному.

В некоторых случаях механические устройства для колебания электрода могут быть заменены магнитными. Наложение знакопеременного магнитного поля вдоль оси шва вызывает поперечные колебания дуги. Изменяя параметры магнитного поля (напряженность), можно изменить амплитуду поперечных колебаний дуги, а следовательно, формирование шва.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Н.С. Львов и Э.А. Гладков «Автоматика и автоматизация сварочных процессов»
2. Зайцев И.П., Кулешов О.М. Средства автоматизации в оборудовании для дуговой сварки. Л.: Энергия, 1975. 144 с.
3. Львов Н.С. Основы механизации и автоматизации производства. М.: Высшая школа, 1966, 150 с.
4. Львов Н.С. Автоматизация направления сварочной головки по стыку. М.: Машиностроение, 1966, 156 с.