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

Подождите немного. Документ загружается.

171

5.5. Краткий обзор наиболее распространённых способов управления кон-

тактной сваркой

Стабилизация сварочного тока.

Одним из самых важных параметров

контактной точечной сварки, характеризующим тепловую мощность в свароч-

ном промежутке электрод-электрод, является сварочный ток. Аппаратура

управления, основанная на его стабилизации, является наиболее распростра-

нённой. Система автоматического управления (рис. 1.16 а), построенная на та-

ком принципе, работает следующим образом. Датчик сварочного тока ДТ из-

меряет текущее значение

сварочного тока, которое пересчитывается в дейст-

вующее значение сварочного тока в каждом периоде. При этом в регулятор

производит сравнение измеренного действующего значения тока I

2изм

и задан-

ного значения тока I

2зад

и в случае разницы значения I

2зад

и I

2изм

производится

регулирование управляющего воздействия – изменение угла

включения сва-

рочных тиристоров в следующем периоде сетевого напряжения.

а)

б)

в)

Рис. 1.16. Системы управления контактной сваркой:

а – стабилизации тока во вторичном контуре; б – стабилизации падения напря-

жения между электродами; в – по сопротивлению между электродами; г – по

тепловому расширению металла в зоне сварки

В настоящее время, несмотря на широкое распространение систем управ-

ления контактной точечной сваркой, использующих способов стабилизации

сварочного тока, отношение к такому типу автоматического управления весьма

172

неоднозначное. Рядом исследователей отмечается тот факт, что такие способы

управления нарушают нормальное протекание процесса машинного саморегу-

лирования контактной точечной сварки, что приводит к повышению вероятно-

сти прожога или непровара при изменениях сопротивления на сварочном уча-

стке электрод-электрод. Так

вследствие износа электрода в процессе сварки

происходит плавное уменьшение плотности тока и глубины проплавления, что

может привести к возникновению стабильно повторяющегося непровара вслед-

ствие увеличения времени, необходимого для зарождения ядра сварной точки.

Этот отрицательный эффект наиболее опасен при сварке оцинкованных сталей,

для которых ужесточены требования к геометрическим размерам сварной точки

заужен диапазон допустимых тепловых режимов.

Для учёта износа сварочных электродов предложено ступенчато увеличи-

вать сварочный ток по мере простановки сварных точек. Такое ступенчатое

увеличение сварочного тока может производиться на основании измерений па-

дения напряжения на сварочных электродах. При этом в общем случае общее

количество сварочных циклов, выполняемых до замены электрода,

разделяется

на определённое число отрезков (обычно от 2 до 10), называемых «шаг». Каж-

дому шагу присваивается определённое число выполняемых сварочных точек,

называемых «ход». Каждому шагу присваивается значение угла фазной отсечки

сварочного тока (рис. 5.17). Это позволяет сохранять постоянное значение сва-

рочного тока, не зависящее от износа электродов, и получать стабильное каче-

ство соединения.

Отсечка

фазы

в ДШК

Начало Конец

-------“Стойкость электрода”---------

400 600 800 1200 1400 2000 2400 2600

Число ходов

Рис. 5.17. Пример диаграммы ступенчатой функции

Управление по напряжению электрод-электрод. Одним из наиболее

применяемых способов управления контактной точечной сваркой является так

же управление с использованием в качестве параметра обратной связи падения

напряжения на сварочных электродах. В первую очередь это связано с тем, что

данный способ не предъявляет никаких дополнительных требований к устрой-

173

ству контактной сварочной машины, а так же не нарушает естественного само-

регулирования процесса контактной точечной сварки. Аппаратура управления с

использованием напряжения на электродах как диагностического признака бы-

вает различного принципа действия: это системы активного контроля и коррек-

тирующие системы автоматического управления.

Системы активного контроля предусматривает прекращение пропускания

сварочного тока через свариваемые

детали при достижении определённого зна-

чения напряжения электрод-электрод. Обычно сварку прекращают при опреде-

лённом снижении этого напряжения после достижения им своего максимума. В

корректирующих системах автоматического управления (рис. 5.16 б)произво-

дится регулировка угла

фазовой отсечки таким образом, чтобы временная

кривая напряжения электрод-электрод максимально соответствовала заданной

(или заданному значению).

Управление по сопротивлению участка электрод-электрод. Интенсив-

но исследуется возможность использования в качестве параметра обратной свя-

зи динамического сопротивления сварочного участка электрод-электрод.

Обычно мгновенное значение сопротивления участка электрод-электрод нахо-

дят по закону Ома как отношение мгновенных измеренных значений напряже-

ния на электродах и силы сварочного тока. При этом для повышения точности

расчётов предлагается так

же учитывать и производную сварочного тока по

времени.

По алгоритму управления на основе временной зависимости динамиче-

ского сопротивления возможно создание двух типов аппаратуры - стабилизи-

рующей (активный контроль) и корректирующей (автоматическое управление

по жёсткому алгоритму).

К первому, и наиболее распространенному, относятся системы активного

контроля, обеспечивающие выключение сварочного тока при снижении сопро-

тивления

на заданную величину по отношению к его максимальному значению.

Корректирующие системы (рис. 5.16 в) управления по динамическому

сопротивлению основывается на понятии об «идеальной» кривой динамическо-

го сопротивления, которая задается в виде таблицы для каждого полупериода

протекания сварочного тока. «Идеальная» кривая снимается при сварке деталей

в эталонных условиях, при отсутствии возмущений. В

реальных условиях так-

же в каждом полупериоде измеряется текущее значение сопротивления детали.

При этом угол открытия тиристоров

корректируется таким образом, чтобы

контролируемая кривая была как можно ближе к «идеальной». Если измерен-

ное сопротивление отклоняется от соответствующего табличного значения бо-

лее чем на допустимую величину, сварка считается дефектной.

Управление по величине тепловыделения между электродами. Дру-

гим видом параметра обратной связи, для которого необходимо измерение вто-

ричного тока и падения напряжения на электродах, является энергия, выделяе-

мая в сварочном промежутке. При использовании таких систем замеряют мгно-

венные значения величины сварочного тока в контуре и напряжения между

электродами, интегрируют произведение этих величин, характеризующую

энергию, выделяемую в

сварочном контакте, и сравнивают с заданными значе-

174

ниями параметров, определяемых опытным путём. Возможна так же стабили-

зация скорости нарастания теплосодержания зоны сварки.

Управление по тепловому расширению металла. Между величиной

перемещения электрода и размерами зоны расплавления существует взаимо-

связь, которая может быть использована для управления процессом сварки.

Вывод этот следует из того факта, что если сварочная зона (центральный стол-

бик металла) равномерно нагрета до температуры солидуса, то максимально

возможное приращение толщины деталей не превышает 6%, а при наличии раз-

витой

расплавленной зоны может достигать 10%. При этом возможно исполь-

зование в качестве сигнала обратной связи одного из следующих параметров

(или их совокупности): амплитудного значения осевого перемещения электро-

дов; ускорения электродов, сближения электродов при охлаждении зоны сварки

и т.п.

Известен ряд систем управления, где используются различные статиче-

ские и динамические характеристики

зависимостей перемещения. При этом в

корректирующих системах (рис. 5.16 г) предлагается производить управление

током сварки и сварочным усилием таким образом, чтобы кривая перемещения

подвижного электрода приближалась к кривой, хранящейся в памяти контрол-

лера.

5.6. Управление контактными сварочными машинами от ЭВМ

При разработке алгоритмов управления контактными сварочными маши-

нами, испытаниях сварочных машин и отработке оптимальных режимов кон-

тактной точечной сварки целесообразно в качестве аппаратуры управления ис-

пользовать персональный компьютер. При этом достигается несколько положи-

тельных эффектов:

1. ЭВМ благодаря своей универсальности позволяет реализовывать алго-

ритмы управления любой сложности, при этом отпадает необходимость

в про-

ектировании специальных дорогостоящих контроллеров – экономится время и

средства исследователя.

2. Существует возможность детальной записи и последующего замедлен-

ного воспроизведения необходимого потока данных, получаемого при сварке

на экспериментальной установке.

3. Для подключения ЭВМ не требуется модернизации устройства самой

сварочной машины.

Связь сварочная машина - компьютер производится по схеме (рис. 5.18),

состоящей из

сварочной машины 1, блока согласования 2, блока цифрового

ввода-вывода 3 и персонального компьютера 4. При этом в качестве блока вво-

да-вывода может использоваться стандартная плата или внешнее устройство,

подключаемое к компьютеру. Основными параметрами такого устройства явля-

ется количество каналов (не менее пяти) и частота опроса (не менее 10 кГц на

один канал). В качестве блока согласования используется специально смонти-

рованное устройство на базе оптронных тиристоров, осуществляющее комму-

175

тацию сетей необходимого напряжения и тока, формирование согласующих

импульсов, питание системы управления сварочной машины, а также гальвани-

ческую развязку компьютера и сварочной машины.

Рис. 5.18. Структура сварочного комплекса: БП – блок поджига; БС – блок син-

хронизации; КК1, КК2 – коммутация катушек управления; К1…К4 – каналы

ввода-вывода; КПЭМ1, КПЭМ2 – управляющие катушки пневмораспределите-

лей

Основной задачей систем управления контактными сварочными машина-

ми является управление источником питания, в состав которого входят транс-

форматор и тиристорный преобразователь

, позволяющий осуществлять фазовое

регулирование сварочного тока, а также управление работой электромагнитных

катушек пневматических распределителей привода сжатия контактной маши-

ны.

При реализации фазового управления необходимо решить вопрос управ-

ления тиристорами и синхронизации с напряжением питающей сети. Для этого

в управляющей программе время цикла сварки разбивается на ряд элементар-

ных отрезков длительностью

один период сетевого напряжения (0,02 сек). При

176

этом вводятся в компьютер или программно задаются следующие параметры

цикла (рис. 5.19) по каждому каналу (К1…К2): импульсы синхронизации, соот-

ветствующие переходу сетевого напряжения через нуль (канал К2), время и

длительность включения электромагнитной катушки управления усилия сжатия

(канал К3), время и длительность включения электромагнитной катушки

управления усилия проковки (канал К

4), время и длительность включения ти-

ристоров, также угол фазной отсечки

(канал К5).

Описанная компоновка сварочного комплекса позволяет производить

сварку по всем видам циклограмм, реализуемым силовой и механической час-

тями сварочной машины, производить фазную регулировку сварочного тока,

модуляцию сварочного импульса, ступенчатое увеличение силы сварочного то-

ка для компенсации износа электрода. Следует отметить, что приведённая сис-

тема управления работает по жёсткой программе

. Для построения систем ста-

билизирующего, корректирующего или адаптивного управления необходимо

дооснащение контуром обратной связи (например, по вторичному току или те-

пловому расширению металла).

Рис. 5.19. Управляющие сигналы в привязке к сетевому напряжению

177

Контрольные вопросы к главе 5

1. Какие возмущающие факторы влияют на процесс контактной точечной свар-

ки?

2. Как классифицируются методы управления контактной точечной сваркой?

3. Для чего нужны включающие устройства в контактных сварочных машинах

и какие существуют их типы? Преимущества и недостатки каждого типа.

4. Как происходит фазная регулировка с помощью тиристорных и игнитронных

контакторов?

5. Что такое

ступенчатая функция при фазной регулировке вторичного напря-

жения при контактной сварке и как она осуществляется?

6. Какие основные функции реализуются с помощью регулятора контактной

сварки РКМ-803?

7. Как производится автоматическое определение коэффициента мощности сва-

рочной машины cos

регулятором контактной сварки?

8. Как осуществляется компьютерное управление контактными сварочными

машинами?

178

ГЛАВА 6. КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

Наличие ряда возмущений, связанных с колебаниями параметров режима

сварки из-за несовершенства оборудования и технологической подготовки де-

талей, приводит к нарушению стабильности получения качества сварных со-

единений. Возможно назвать основные из возмущающих факторов, приводя-

щих к отклонению параметров режима контактной сварки:

- колебания напряжения в

питающей сети;

- непостоянство качества поставляемого материала (теплофизические

свойства, механические и химические свойства, шероховатость и чистота

поверхности и т.п.);

- монотонные изменения во вторичном контуре контактной сварочной ма-

шины, связанные с её износом (быстрые – изменение состояния поверх-

ности электродов и медленные – загрязнение контактных поверхностей

элементов вторичного контура, приводящие к

увеличению его активного

сопротивления);

- монотонное изменение сварочного усилия, связанное с износом пневма-

тической системы;

- колебания технологических параметров – сварочного тока, длительности

сварочного цикла, сварочного усилия (в современных контактных маши-

нах эти параметры чётко отслеживаются, однако на ряде машин старого

образца контроль этих изменений остаётся актуальным);

- условия сварки – шунтирование сварочного

тока, влажность воздуха, из-

менение индуктивного сопротивления вторичного контура.

Применяемые в настоящий момент современные регуляторы контактной

сварки на базе микропроцессоров позволяют с достаточной точностью отсле-

дить и обеспечить значение основных параметров сварки – тока, времени и

давления. Однако такого контроля бывает недостаточно для получения ста-

бильного качества сварного соединения. С целью

обеспечения контроля и об-

служивания контактных машин и проектирования технологии необходимо изу-

чение контрольной аппаратуры, применяемой в контактной сварке.

6.1. Классификация методов контроля. Измеряемые параметры и особен-

ности измерения

Целью контактной сварки является получение стабильного качества

сварных соединений соединяемых деталей. Однако на сегодняшний момент не

существует общего параметра, доступного прямому

измерению, который мог

бы охарактеризовать качество соединения с достаточной степенью достоверно-

сти. Единственными такими параметрами являются глубина проплавления и

диаметр сварного ядра, однако для их измерения соединение должно быть раз-

рушено, поэтому на производстве осуществляют контроль по нескольким па-

179

раметрам, каждый из которых несёт определённую долю информации о проте-

кающем процессе контактной сварки.

На рис. 6.1. приведена классификация основных методов контроля кон-

тактной сварки. Методы контроля делятся на два вида: контроль уже сваренных

соединений и контроль непосредственно в процессе сварки.

Готовые соединения могут подвергаться как разрушающему, так и нераз-

рушающему

контролю. Выборочное разрушение позволяет определить пара-

метры соединения и предполагать, что неразрушенные узлы сварены c тем же

качеством, что и разрушенные. Методы контроля готовых соединений являют-

ся только пассивными.

Наиболее перспективными являются методы активного контроля соеди-

нений в процессе сварки, поскольку они позволят «доводить» соединение до

необходимого качества. Все методы активного контроля

предполагают знание

конечного значения какого-то параметра, к которому процесс сварки может

быть подведён за счёт вариации его основных параметров (времени, давления и

тока).

Такими методами являются:

1) измерение сварочного тока и времени его протекания;

2) измерение теплового расширения металла;

3) контроль по напряжению или сопротивлению между электродами;

4) контроль

процесса по статистической модели.

Рис. 6.1. Классификация основных методов контроля контактной сварки

Осуществление предложенных методов встречает следующие трудности:

1) наличие значительных магнитных возмущений в процессе контактной

сварки;

2) малая длительность протекания сварки (порядка 0,1 секунды);

180

3) динамические условия сварки с резко изменяющимися показателями (ток

от 100 до нескольких сотен тысяч ампер, давление сварки от 0 до не-

скольких тонн и т.д.).

6.2. Датчики сварочного тока

Энергия, подводимая к сварному соединению, может характеризоваться

функционалом сварочного тока:

∫

св

dtiС

или

∫

св

dtiQ

, (6.1)

где i

св

- мгновенное значение сварочного тока;

св

- время сварки.

Ток в процессе контактной сварки может характеризоваться несколькими

величинами:

- действующее значение сварочного тока;

- мгновенное значение сварочного тока;

- максимальное значение сварочного тока;

- среднее значение сварочного тока.

Если ток синусоидальный, то действующее значение I

тока во вторичном

контуре определяется по известной формуле

max

I/=

, (6.2)

где I

2max

- максимальное значение вторичного тока.

В случае применения фазного регулирования вторичного тока его осцил-

лограмма отличается от синусоиды, поэтому формула (6.2) не работает, и дей-

ствующее значение I

определяют интегрированием (рис. 6.2 а). Осциллограмма

тока делится на n равных частей, измеряются мгновенные значения a

тока на

каждом таком промежутке, а затем подсчитывается действующий ток I

∑

. (6.3)

Действующий ток может быть приблизительно найден по формуле

max

I/()

, (6.4)

где

- длительность включения вентиля за полупериод π (рис. 6.2 б).

Для конденсаторных, низкочастотных и машин с выпрямлением тока во

вторичном контуре объективным показателем тепловложения является среднее

или максимальное значение сварочного тока.