Климов А.С., Смирнов И.В. Основы технологии и построения оборудования для контактной сварки

Подождите немного. Документ загружается.

151

Изменение сопротивления вторичного контура сварочной машины.

Сварочный ток зависит от активного и индуктивного сопротивлений машины.

Изменение этих сопротивлений в процессе сварки приводит к изменению сва-

рочного тока и энергии, что существенно влияет на качество сварки.

Установлено, что при введении в контур машины значительных ферро-

магнитных масс индуктивное сопротивление контура увеличивается

вследствие

увеличения магнитной проницаемости среды. Это приводит к уменьшению ве-

личины сварочного тока, уменьшению прочности точек вплоть до полного не-

провара.

Особенно сильно может уменьшиться сварочный ток при сварке изделий,

которые надевают на хобот машины, например при сварке обечаек из ферро-

магнитных материалов. При введении в контур машины ферромагнитных масс

увеличивается

не только индуктивное, но и активное сопротивление контура.

Увеличение активной составляющей полного сопротивления объясняется поте-

рями на гистерезис и вихревые токи. Изменение активного и индуктивного со-

противлений контактных машин является одним из основных и существенных

возмущающих воздействий, часто встречающихся в производственных услови-

ях.

Изменение размеров рабочей поверхности электродов (диаметра элек-

тродов). Диаметр свариваемой точки зависит от диаметра применяемых элек-

тродов. Естественно, изменение диаметра электродов влечет за собой измене-

ние размеров точки. В производственных условиях в процессе сварки происхо-

дит износ электродов, в результате чего изменяется конфигурация и размеры

рабочей (контактной) поверхности электродов. Степень износа электродов за-

висит от свариваемого материала, чистоты

его поверхности, режима сварки,

интенсивности охлаждения электродов, материала, из которого изготовлены

электроды, и т. д.

Износ электродов обычно приводит к увеличению диаметра контактной

поверхности, что изменяет характер нагрева свариваемых деталей и темпера-

турное поле. С увеличением поверхности соприкосновения электрода с метал-

лом уменьшается плотность сварочного тока и, следовательно, глубина про-

плавления и размеры литого ядра. Это приводит к уменьшению прочности

сварных точек. Увеличение диаметра электродов приводит к уменьшению

прочности точек, вначале медленному, а затем быстрому.

Изменение усилия сжатия электродов. Усилие сжатия электродов влия-

ет как на величину сопротивления свариваемых деталей, так и на степень пла-

стической деформации металла в зоне

сварки. Изменение сопротивления при-

водит к изменению количества выделяющегося тепла и нарушению режима на-

грева металла.

При увеличении усилия сжатия электродов сопротивление уменьшается

и, несмотря на некоторое увеличение тока, энергия, выделившаяся в месте

сварки, становится меньше, чем требуется для нормальной сварки.

Повышение давления приводит к увеличению истинной площади сопри-

косновения электрода

с деталью, что влечет за собой уменьшение плотности

тока и соответственно понижение прочности точек. Уменьшение давления

152

обычно также приводит к понижению прочности и значительному разбросу по

прочности. Это объясняется появлением значительных выплесков жидкого ме-

талла за счет увеличения плотности тока, уменьшением размеров литого ядра и

нестабильностью процесса сварки.

Таким образом, необходимо стабилизировать усилие сжатия между элек-

тродами либо компенсировать его изменение регулированием величины или

времени протекания сварочного

тока. Последний способ имеет существенный

недостаток, заключающийся в изменении конфигурации точки при изменении

сварочного тока и времени его протекания.

Шунтирование сварочного тока. В процессе сварки различных конст-

рукций величина тока, протекающего через свариваемую точку, может изме-

няться вследствие ответвления части тока через ранее сваренные точки или

случайные контакты между листами

, которые образуются за счет неровностей

этих листов. Поскольку суммарное значение сварочного тока изменяется не-

значительно, то величина тока, протекающего через свариваемую точку, будет

меньше, чем при отсутствии шунтирования. Это приводит к уменьшению вы-

деления энергии в месте сварки. Кроме того, в шунтирующих цепях энергия

бесполезно затрачивается на нагрев.

В ряде

случаев шунтирование проявляется очень сильно и является одним

из существенных возмущений, оказывающих большое влияние на прочность

сварных точек. Шунтирование может привести к значительному снижению

прочности, вплоть до полного непровара.

При сварке изделий шунтирование тока соседними точками можно ском-

пенсировать увеличением тока или времени его протекания. Влияние случай-

ных шунтирующих контактов можно

в значительной мере снизить при помощи

автоматического регулирования процесса.

Компенсация возмущений, влияющих на процесс сварки, требует коррек-

тировки режимов по усилию и току, т.е. замены временных алгоритмов управ-

ления для угла включения тиристоров

и сварочного усилия F

св

типа

(t);

св

(t) на алгоритмы, учитывающие реальное протекание сварочного процес-

са путём измерения и соответствующей обработки одного или нескольких па-

раметров (P);

(P, t); F

св

(P, t).

В простейшем случае вектор параметра Р может содержать одну состав-

ляющую. Причем составляющими вектора могут быть как сами измеренные па-

раметры, так и вычисленные по ним величины.

Системы управления, применяемые в настоящее время, можно классифи-

цировать по алгоритму управления, т. е. условно по виду функций

и по соста-

ву Р. На рис. 5.2 показана схема классификации по алгоритму управления.

По принципу действия системы управления контактной сваркой делятся

на две большие группы. Для первой из них альтернативная цель управления за-

ключается в стабилизации условий сварки. При этом условия определяются та-

ким образом, чтобы сохранение их автоматически компенсировало

влияние

возмущений. Ко второй группе относятся системы, в которых с помощью кон-

153

тролируемого параметра определяется необходимое для компенсации измене-

ние режима сварки.

Под стабилизацией текущего значения понимается поддержание неиз-

менными мгновенных или средних за определенный временной интервал зна-

чений одного или нескольких параметров процесса. При этом за интервал при-

нимается время естественного дискрета тиристорного преобразователя. В

большинстве случаев стабилизируемым параметром является действующее

значение

сварочного тока. Для этого параметра, кроме традиционной жесткой

стабилизации по обратной связи, используется так называемая параметрическая

стабилизация тока, которая заключается в поддержании значения тока при ко-

лебаниях сетевого напряжения, исключая влияние остальных параметров. В

этом случае в качестве параметра обратной связи используется не ток, а сетевое

напряжение. Расчет необходимого угла

включения тиристоров ведется по регу-

лировочным характеристикам.

Другим способом стабилизации условий сварки является так называемый

активный контроль, при котором процесс сварки прекращается по достижении

определенными параметрами заданных значений. Такими параметрами могут

быть интегралы от тока или напряжения, значение вложенной энергии или дос-

тигнутое перемещение подвижного электрода, снижение динамического сопро-

тивления. Выбор

параметров весьма обширен, но единственное требование за-

ключается в необходимости монотонного изменения параметра на контроли-

руемом временном отрезке.

Корректирующие системы представляют собой сравнительно новую

группу систем управления контактной сваркой. Причем в основном они рабо-

тают по жесткому алгоритму, напоминающему алгоритм работы следящих сис-

тем. В этом случае процесс осуществляется таким

образом, чтобы изменение во

времени контролируемого параметра соответствовало некоторой «идеальной»

кривой, которую снимают в эталонных условиях сварки, при отсутствии воз-

мущений. Параметры обратных связей должны быть достаточно чувствительны

к возмущениям. Подобные системы не свободны от ограничений, которые свя-

заны с тем, что компенсация различных возмущений, вызывающих одинаковые

или близкие изменения значений

контролируемого параметра, требует различ-

ной реакции при изменении режимов сварки для достижения цели управления.

В таких случаях жесткий алгоритм компенсации не дает желательных результа-

тов.

Построение современной системы управления контактной сваркой требу-

ет наличия обратной связи, всё разнообразие существующих в настоящее время

обратных связей для контактной сварки показано на рис. 5.2.

При этом будут эффективными те системы, которые адаптируются к раз-

личным ситуациям и способны изменять не только параметры закона, но и сам

закон управления. В настоящее время таких систем управления в чистом виде

нет, но необходимость их появления диктуется роботизацией контактной свар-

ки, т. е. там, где технологическая адаптация требуется для

обеспечения устой-

чивости безлюдной технологии.

154

Рис. 5.2. Классификация систем автоматического управления процессами кон-

тактной точечной сварки

155

При помощи систем автоматического управления можно регулировать

следующие параметры процесса контактной точечной сварки (рис. 5.2): угол

включения сварочных тиристоров, длительность цикла сварки, усилиесжатия

сварочных электродов.

При осуществлении автоматического регулирования процесса контактной

точечной сварки могут применяться два принципа управления: по возмущению

и по отклонению. Сущность управления по возмущению (рис. 5.3) заключается

в измерении возмущающего

воздействия и компенсации его за счёт изменения

угла включения сварочных тиристоров. Регуляторы, построенные на этом

принципе, обладают высоким быстродействием, позволяют безинерционно от-

рабатывать возникающие возмущения и не требуют расчёта устойчивости, по-

скольку принципиально схема является разомкнутой. К недостаткам таких ре-

гуляторов следует отнести сравнительно низкую точность, а так же необходи-

мость применения компенсирующих устройств для каждого возмущения от-

дельно. Возмущения, по которым нет компенсирующих связей, в этом случае

не отрабатываются.

Рис. 5.3. Структурная схема системы регулирования по возмущениям:

ИУ – измерительное устройство, КМ – контактная сварочная машина,

ТК – тиристорный контактор

Компенсирующая обратная связь по напряжению сети наиболее полно

изучена и в настоящее время широко применяется при построении систем ав-

томатического управления процессами контактной точечной сварки. Регулятор

измеряет отклонение напряжения сети от номинального значения

и автомати-

чески изменяет угол открытия сварочных тиристоров, компенсируя это возму-

щение. Компенсирующая связь по напряжению сети практически просто реали-

зуется и даёт заметное улучшение прочностных характеристик сварного соеди-

нения при колебаниях напряжения - 20 %...+ 15 %.

Обобщённая структурная схема системы автоматического управления по

отклонению представлена на рис. 5.4. В схеме имеется отрицательная обратная

156

связь по регулируемой величине, за счёт которой обеспечивается стабилизация

параметра регулирования.

Рис. 5.4. Структурная схема системы регулирования по отклонению:

ИУ – измерительное устройство, КМ – контактная сварочная машина,

ТК – тиристорный контактор

5.2. Структура сварочных комплексов

Структурная схема сварочной машины (рис. 5.5) состоит из силовой час-

ти (на схеме показана жирными линиями) и цепей управления силовой частью

(на схеме показаны тонкими линиями). Силовая часть

схемы разделяется на

первичный и вторичный контуры. Одна фаза напряжения поступает на один

конец первичной обмотки сварочного трансформатора ТрС, а другая – на вто-

рой конец обмотки – через тиристорный контактор ТК, т.е. первичная обмотка

сварочного трансформатора постоянно находится под опасным для человека

напряжением. В целях безопасности на случай пробоя изоляции между

первич-

ной обмоткой и вторичным витком один конец вторичной обмотки заземляют.

Включение сварочного трансформатора, дозировку величины сварочного

тока и времени его протекания производят при помощи тиристорного контак-

тора ТК.

Цепи управления работой первичного контура и приводом сжатия сва-

рочной машины состоят из блока питания на основе трансформатора Тр1, пус-

ковой

педали К, катушек электромагнитов пневматических распределителей

157

усилия сварки К1 и ковочного усилия К2, блока поджига, регулятора циклов

сварки (РЦС) и датчиков тока ТТ1 или ТТ2.

Регулятор циклов сварки (РЦС) включает в себя следующие блоки: блок

питания, генератор импульсов, блок обратной связи, таймер, фазосдвигающее

устройство (ФСУ), схему «И» с выходным усилителем и интерфейс пользова-

теля. Блок

питания осуществляет подачу напряжения питания на все цепи

управления, включая блок регулятора циклов сварки, таймер, датчики тока,

блок поджига, электромагниты пневматических распределителей.

Рис. 5.5. Структура сварочного комплекса

Принцип работы РЦС поясняется диаграммой (рис. 5.6). Генератор им-

пульсов вырабатывает импульсы напряжения синхронные синусоиде напряже-

ния сети, необходимые для отсчёта времени сварки и осуществления фазной

158

регулировки сварочного тока. ФСУ вырабатывает импульсы напряжения, син-

хронные импульсам генератора и сдвинутые по фазе на угол

относительно

нуля синусоиды. Изменение угла

задаёт величину сварочного тока. Таймер

вырабатывает интервалы времени – составляющие сварочного цикла: время

включения сварочного тока I

св

, время включения катушки электромагнита К1

пневмораспределителя сварочного усилия t

св

, время включения катушки элек-

тромагнита К2 пневмораспределителя ковочного усилия t

ков

. Импульсы из ФСУ

и таймера поступают на входы схемы «И». Схема «И» на выходе повторяет

импульсы ФСУ, только пока на втором входе присутствует сигнал из таймера.

Усилитель (У) усиливает сигналы схемы «И» и подает их на блок поджига.

Основное назначение блока поджига – это отделить высокое напряжение

сети (380 В) на тиристорном

контакторе ТК от низковольтных цепей логики ре-

гулятора циклов сварки. Импульсы их трансформируются и подаются на управ-

ляющие электроды ТК. Момент включения тиристора относительно нуля сину-

соиды напряжения сети определяется углом

. Чем позднее будут поджигаться

тиристоры, тем меньший ток будет течь через первичную обмотку сварочного

трансформатора.

Блок обратной связи позволяет осуществлять приём сигналов с преобра-

зователей сигнала тока ПСТ датчиков тока ТТ1 или ТТ2 и вычислять соответст-

вующую им корректировку угла включения тиристоров.

Рис. 5.6. Диаграмма работы РЦС

Через интерфейс пользователя производится задание пользователем па-

раметров режима сварки и других условий работы регулятора циклов сварки

(включение/выключение обратной связи по току, автоматического определения

159

коэффициента мощности сварочной машины cos

, вид циклограммы сварки и

др.), а также момент начала сварки посредством педали или кнопки пуска К.

Ранее существующие системы управления контактной сваркой (РМС-22,

23 и 24; ARO A-51 и -55; РКС-14, -15, -16, 501, -502 и -801) не содержали блока

обратной связи, угол открытия тиристоров

в них жёстко задавался.

В более современных регуляторах контактной сварки (MEDAR, в пер-

вичной цепи появился трансформатор контроля ТТ1, который позволял контро-

лировать и корректировать первичное напряжение на входе сварочного транс-

форматора посредством управления работой блока поджига через ФСУ. Нали-

чие трансформатора контроля позволило также исключить возможность подачи

сварочного напряжения без

приложения сварочного усилия, а также осуществ-

лять контроль за переключением тиристоров в каждом полупериоде сварки, что

исключает аварийную работу сварочной машины вследствие неподжига одного

из тиристоров, производить автоматическое определение коэффициента мощ-

ности cos

В настоящее время в современных промышленных регуляторах контакт-

ной (РКМ-601, -801, -803 и -804 производства «Электрик-МИКС», С.-

Петербург) сварки имеется датчик сварочного тока ТТ2 во вторичном контуре.

Как правило, это воздушный трансформатор (пояс Роговского). Появилась воз-

можность стабилизировать сварочный ток, непосредственно отвечающий за

формирование соединения, а также контролировать время протекания свароч-

ного

тока. Стало возможным в качестве установок сварочной машины задавать

сварочный ток.

5.3. Работа включающих устройств контактных машин

Особенностью трансформаторов контактных машин является наличие

включающих устройств в их первичной цепи. Эти устройства выполняют сле-

дующие функции: включение контактной машины, выдерживание её под током

установленное время, выключение контактной машины, выдерживание в

вы-

ключенном состоянии установленное время.

Между сетью и сварочным трансформатором устанавливают включаю-

щее устройство, управляемое каким-либо программным регулятором времени.

Различают следующие виды включающих устройств по принципу действия:

1. Механические контакторы (рис. 5.7 а) (представлены электромагнит-

ными контакторами). Преимущества: простота обслуживания и монтажа, деше-

визна. Недостатки: значительные габаритные размеры, малый срок службы,

низкая производительность, не способны пропускать строго дозированные пор-

ции энергии из-за долгого времени срабатывания. Применение: точечные ма-

шины малой мощности и стыковые машины.

2. Ионные контакторы (два игнитрона, включенные встречно-

параллельно) (рис. 5.7 б). Преимущества: отсутствие дугового разряда при вы-

ключении, высокий срок службы, безинерционность включения, высокая час-

тота работы (до 25

сварок в секунду), возможность регулирования действующе-

160

го значения сварочного тока. Недостатки: ненадёжное поджигание (особенно

при низких температурах), большое падение напряжения на игнитроне

(20…25 В). Назначение: точечные и шовные машины средней и большой мощ-

ности.

3. Полупроводниковые контакторы (два тиристора, включенные

встречно-параллельно) (рис. 5.7 в). Преимущества: большая долговечность (до

12000 часов), малые габаритные размеры, низкое падение напряжения на тири

сторе (0,5…1,5 В), надёжность отпирания. Недостатки: чувствительность к пе-

ренапряжению и к перегреву, ограниченная скорость нарастания анодного тока

(10…20 А/мкс).

а)

СТ

б)

в)

В настоящее время тиристорные контакторы практически полностью вы-

теснили игнитронные и механические контакторы. Производство тиристорных

контакторов не встречает значительных трудностей и налажено на многих

предприятиях страны. Однако практически для всех выпускаемых контакторов,

могущих иметь различную маркировку в зависимости от производителя, при-

няты приблизительно одинаковые технические характеристики, соответствую-

щие выпускаемым серийно

контакторам КТ-07, КТ-11 и КТ-12 (табл. 5.1). Из

приведённых контакторов КТ-07 имеет воздушное охлаждение, контакторами

такого типа оснащаются сварочные машины мощностью до 150 кВА. Для более

мощных машин используются контакторы типа КТ-11 и КТ-12.

Ранее на контактных сварочных машинах применялись контакторы КТ-1,

КТ-02, КТ-03 и КТ-04, недостатками которых можно отнести частое засорение

гидрореле, контролирующее расход охлаждающей жидкости, выход из строя

Рис. 5.7. Включающие устройства ма-

шин для контактной сварки: а - меха-

ническое; б - игнитронное; в - тири-

сторное: