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

Подождите немного. Документ загружается.

181

а) б)

Рис. 6.2. Численное вычисление действующего тока: а) по мгновенным значе-

ниям тока; б) с использованием угловых параметров

Для машин, работающих на переменном токе промышленной частоты

при сварке деталей толщиной более 0,4 мм, удобнее пользоваться действую-

щим значением сварочного тока. А при сварке толщин менее 0,4 мм использу-

ется максимальное значение

сварочного тока.

В качестве датчиков сварочного тока могут быть использованы:

- стандартный шунт в первичной обмотке сварочного трансформатора;

- шунт во вторичном контуре сварочной машины;

- трансформаторы тока на стороне первичной обмотки;

- трансформаторы тока на стороне вторичного витка;

- воздушный трансформатор (пояс Роговского);

- датчики Холла.

Для измерения тока необходимо

иметь элемент – датчик, количественно

связывающий измеряемую величину с пропорциональным выходным напряже-

нием на нем.

Стандартный шунт является простейшим датчиком тока контактной

машины. Включение шунта на 500 А с сопротивлением 150 мкОм в первичную

цепь машины, имеющую сопротивление сотни или тысячи миллиом, не влияет

на изменение параметров самой машины. Низкая индуктивность и независи-

мость активного сопротивления шунта от нагрева позволяют получать выход-

ное напряжение, строго пропорциональное измеряемому первичному току. Од-

нако простота использования шунта не компенсирует существенные недостат-

ки, присущие данному датчику тока. Во-первых, между первичным и вторич-

ным токами не существует линейной зависимости. Намагничивающий ток в

первичной цепи сварочного трансформатора входит как

составляющая в пер-

вичный ток, но не трансформируется во вторичную обмотку. Во-вторых, шунт

гальванически связан с первичным (высоким) напряжением. Наконец, шунт в

первичной цепи не может быть использован для измерения общего тока целого

класса машин, имеющих трехфазный или трехфазно-однофазный трансформа-

тор, как у машин с выпрямлением тока или

низкочастотных машин. В силу ска-

182

занного измерение сварочного тока с помощью шунта не нашло промышленно-

го применения, а используется только в качестве лабораторного метода иссле-

дований со строгим соблюдением правил техники безопасности.

В случае использования в качестве шунта участка вторичного контура

сварочной машины нет влияния намагничивающей составляющей тока и галь-

ванической связи с элементами первичной цепи

, тем не менее, данному приему

присущи серьезные метрологические недостатки. Такие шунты отличает высо-

кая погрешность из-за изменения сопротивления при нагреве сварочным током

и наличия собственной индуктивности. Существенное влияние на погрешность

оказывает поверхностный эффект за счет неравномерного распределения тока

по сечению проводника, особенно в однофазных машинах. Причем погреш-

ность из-

за наличия поверхностного эффекта растет с введением угла регули-

рования, так как в токе начинают появляться гармоники более высокого поряд-

ка.

Для уменьшения погрешности из-за поверхностного эффекта участок, ис-

пользуемый в качестве шунта, делают тонкостенным (рис. 6.3). В этом случае

повышается также активная составляющая сопротивления шунта. Однако на-

грев такого участка

даже при интенсивном охлаждении повышается и соответ-

ственно растет температурная погрешность. Кроме того, на соединительные

провода, отходящие от шунта, действуют мощные магнитные поля сварочной

машины, наводя в них ложный сигнал, соизмеримый с полезным сигналом.

Известны шунты переменного и постоянного тока на 40, 60 кА и более,

однако их установка во вторичную цепь

машины невозможна из-за громоздко-

сти, относительно большого сопротивления и низкой постоянной i

Рис. 6.3. Использование верти-

кального токоподвода для изме-

рения сварочного тока

Рис. 6.4. Использование воздушного

трансформатора в качестве датчика сва-

рочного тока: а) кривые тока и ЭДС датчи-

ка; б) схема простейшего интегрирования

сигнала с датчика; в) интегрирование с по-

мощью операционного усилителя

183

В качестве датчиков в первичной цепи машин переменного тока могут

использоваться трансформаторы тока. Они гальванически развязаны от токо-

ведущих шин. Однако главная погрешность измерения тока, связанная с нали-

чием намагничивающей составляющей, сохраняется. Кроме того, трансформа-

торы тока должны быть нагружены малым активным сопротивлением, в каче-

стве которого обычно берется стандартный амперметр

переменного тока

(обычно на 5 А). В противном случае нарушается пропорциональность между

измеряемым током и током в измерительной обмотке трансформатора тока.

Существуют трансформаторы тока для измерения токов в несколько ты-

сяч ампер. Один из больших стандартных трансформаторов тока И-523 позво-

ляет измерять токи до 10 кА. Поэтому такой трансформатор может быть уста

новлен в сварочном контуре машины. Однако он имеет настолько большие га-

баритные размеры, что занимает значительную часть рабочего пространства

контура. Поэтому в качестве датчика такой трансформатор тока не может быть

рекомендован. Как правило, трансформаторы тока на стороне первичной или

вторичной обмотки используются для тарировки электронных измерителей. В

этом случае рекомендуется

обеспечить синусоидальную форму сварочного то-

ка, т. е. не применять фазовое регулирование, и включить сварочную машину в

режиме короткого замыкания на длительное время, достаточное для успокое-

ния стрелок подключенных амперметров. Одновременное снятие показаний с

амперметра и электронного прибора при изменении ступеней регулирования

напряжения сварочного трансформатора позволит произвести необходимую

поверку или градуировку

нестандартизированного измерителя тока.

Широкое применение в качестве датчика сварочного тока получил воз-

душный трансформатор (пояс Роговского), который представляет собой замк-

нутую гибкую или жесткую основу, несущую однослойную или многослойную

обмотку. Воздушный трансформатор надевается на токове-дущий элемент сва-

рочного контура. Для удобства установки такой датчик часто делается разъем-

ным. Каркас

с обмоткой либо заливается эпоксидным компаундом, либо поме-

щается в защитную оболочку из немагнитного материала. В настоящее время

имеется ряд пластических термо-усаживаемых материалов, которые можно ис-

пользовать в качестве внешней защитной оболочки датчика. Это снижает его

массу и улучшает внешний вид.

Отсутствие стального магнитопровода обеспечивает линейность характе-

ристики датчика и

не ограничивает его применение при больших уровнях изме-

ряемого тока, лишь бы проходное отверстие датчика было достаточного сече-

ния. Разработан ряд датчиков различных геометрических размеров с внутрен-

ним отверстием диаметром 47…290 мм и чувствительностью 0,5 В на 1 кА.

Основным достоинством воздушного трансформатора как датчика элек-

трического тока является практическая независимость выходного напряжения

от размеров датчика и расположения его на токоведущем элементе, что позво-

ляет применять датчики на машинах разного типа без перестройки и градуи-

ровки. При прохождении сварочного тока в обмотке датчика индуктируется

ЭДС, пропорциональная скорости изменения измеряемого тока. Выходной сиг-

нал будет равен

184

μω

=−

, (6.5)

где S – среднее сечение витка катушки датчика, намотанной на каркас;

– число витков катушки на единицу длины.

Для получения напряжения, пропорционального сварочному току, ЭДС

датчика (рис. 6.4 а) необходимо преобразовать с помощью дальнейшего интег-

рирования. Простейшая схема интегрирования изображена на рис. 6.4 б. В со-

временных измерительных схемах в качестве интегрирующего устройства ис-

пользуется усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления,

который охватывается

отрицательной обратной связью через интегрирующий

конденсатор С (рис. 6.4 в). В настоящее время выпускаются усилители посто-

янного тока в виде интегральных микросхем, что практически не увеличивает

размеры самого измерителя тока. Применение усилителей постоянного тока по-

зволяет повысить уровень выходного напряжения и уменьшить погрешность

преобразования (интегрирования). В частности, это следует из того,

что может

быть выбрано большое сопротивление R. А чем больше R, тем меньше влияние

собственной индуктивности датчика на значение выходного сигнала после ин-

тегрирования.

Датчик на основе эффекта Холла не требует последующего интегриро-

вания, так как напряжение на его выходе пропорционально измеряемому току.

Эффект Холла состоит в возникновении ЭДС Е

на поперечных торцах полу-

проводниковой пластинки, вдоль которой протекает ток I и через которую про-

ходят силовые линии магнитного поля Н (рис. 6.5 а). ЭДС Холла равна

хх

kIH

, (6.6)

где k

– коэффициент, зависящий от материала и размеров полупроводниковой

пластинки.

Для увеличения k

применяют пластинку либо из германия, либо из

мышьяковистого индия и стремятся сделать ее как можно тоньше. Например,

датчик регистратора ДСТ-2 (рис. 6.5 б) выполнен в виде пластинки размером

5х3 мм и толщиной 0,2 мм.

Пропорциональность величин Е

и Н позволяет использовать такой дат-

чик для записи и измерения напряженности магнитного поля машины, следова-

тельно, и сварочного тока. Значение выходного напряжения с датчика Холла

достаточно для прямой записи на магнитоэлектрический осциллограф. Другим

его достоинством является универсализм: его одинаково успешно можно при-

менять независимо от формы и частоты сварочного

тока.

Недостатком датчика является зависимость выходной ЭДС от его распо-

ложения на машине и от конфигурации ее токоведущих частей. Это вызывает

необходимость градуировки датчика всякий раз при его установке. Необходимо

также постоянно контролировать значение тока питания датчика, в равной мере

влияющего на величину Е

185

а) б)

Рис. 6.5. Регистрация сварочного тока на основе датчика Холла: а) принцип ра-

боты датчика Холла; б) схема регистратора тока ДСТ-2

Следует иметь в виду, что при обработке осциллограмм неизбежны по-

грешности в определении масштаба записи и величины измеряемых ординат за

счет размытости линий осциллограмм. Погрешность измерения в значительной

мере зависит от умения и навыка в работе и может находиться в пределах

8…15 %.

Значительно большая точность измерения может быть получена при ре-

гистрации тока с помощью микроЭВМ и аналого-цифрового преобразователя

(АЦП). Принцип регистрации состоит в том, что через определенные, но доста-

точно малые промежутки времени АЦП измеряет отдельные ординаты тока, а

данные в цифровом коде микроЭВМ заносит в соответствующие ячейки опера-

тивного запоминающего устройства (ОЗУ). Дальше эта информация может

быть считана,

распечатана, математически обработана. Чем выше точность са-

мого АЦП и чем больше число измеряемых интервалов, которое зависит от бы-

стродействия АЦП и объема памяти ОЗУ, тем выше точность измерения.

6.3. Аппаратура для измерения усилия сжатия электродов

Все машины для точечной или шовной контактной сварки оснащаются

одним или несколькими манометрами, контролирующими

давление сжатого

воздуха в приводе усилия машины. Вместе с тем показания манометров могут

не соответствовать усилию сжатия электродов с достаточной степенью точно-

сти. Изменения сил трения манжет внутри цилиндра и ползуна по направляю-

щим привода приводят к потерям конечного усилия сжатия, а главное, эти по-

тери не бывают постоянными. Таким

образом, одни и те же показания мано-

метра могут соответствовать разным усилиям сжатия электродов и наоборот. В

силу сказанного возникает необходимость частого измерения усилия сжатия

электродов (реже ковочного усилия), так как усилие сжатия является основным

параметром режима сварки. Конечно, влияние усилия сжатия не столь заметно

186

по сравнению с влиянием сварочного тока, тем не менее, изменение его на

10…15 % может привести к образованию некачественного соединения. Поэто-

му постоянно или периодически усилие сжатия электродов должно контроли-

роваться.

Наиболее известными устройствами для контроля усилия сжатия элек-

тродов в установившемся режиме являются гидравлические (рис. 6.6 а) или

пружинные (рис. 6.6 б) динамометры.

Корпус 1 гидравлического динамометра

составлен из двух гибких мембран с контактными площадками по центру. Ди-

намометр заполняется маслом. Усилие фиксируется манометром 2, в который

выдавливается масло во время сжатия мембран электродами. Шкала манометра

отградуирована в единицах усилия. Для удобства работы гидравлические дина-

мометры изготовляются на разные пределы измерения. К недостаткам гидрав

лических манометров следует отнести значительную температурную погреш-

ность, а также еще большую погрешность за счет утечки масла и появления пу-

зырьков воздуха в гидросреде.

Рис. 6.6. Измерители усилия сжатия: а) гидравлические; б) пружинные

В пружинных динамометрах-скобах усилие электродов воспринимается

упругими плоскими пластинами с равным моментом сопротивления изгибу.

Вдоль осевой линии пластин имеется ряд отверстий, куда вставляются подпят-

ники, ориентирующие место приложения усилия электродов контактной маши-

ны. Перемещая место приложения усилия ближе к концам пластин, повышают

чувствительность измерения. Параметры пластин и расположение отверстий

187

выбрано так, что прогиб пластин не выходит за пределы упругой деформации.

Изгиб пластин контролируется индикатором часового типа, показания которого

протарированы заранее для всех точек установки электродов в реальных еди-

ницах усилия.

Указанные пружинные динамометры выпускаются для трех диапазонов

измерения: 10…100 даН; 100…500 даН и 500…10000 даН – соответственно ти-

па ДПС-3, ДПС-1 и ДПС-2.

Описанные

динамометры могут работать, контролируя усилия без проте-

кания сварочного тока, в основном выполняя функцию паспортизации машин и

градуировку показаний манометров их пневматических систем. Чтобы контро-

лировать усилие в процессе сварки, необходимо вынести прибор или датчик

прибора из зоны соприкосновения электродов, но вместе с тем установить его

так, чтобы он воспринимал

все создаваемое усилие.

Для регистрации кривой изменения усилия на электродах машин или для

получения информации о значении усилия, используемого в АСУ ТП «кон-

тактная сварка», необходимо иметь специальные датчики, преобразующие из-

меряемые деформации в пропорциональный им электрический сигнал. В каче-

стве датчиков иногда используются реостатные или индуктивные преобразова-

тели перемещения, которые

устанавливаются между нижней электродной кон-

солью и основанием машины. Прогиб нижней консоли достаточно точно харак-

теризует форму и значение прилагаемого усилия.

В последнее время нашли применение датчики усилия на основе принци-

па магнитной анизотропии, т. е. изменения магнитных свойств материала при

приложении усилия в разных осевых направлениях. Такой датчик стационарно

устанавливается в приводе усилия, а его сигналы воспринимаются измеритель-

ным устройством. Существенный недостаток такого датчика состоит в наличии

гистерезиса при циклических нагрузках.

Наиболее широкое применение в силоизмерительной аппаратуре получил

тензометрический метод измерения на основе использования полупроводнико-

вых или металлических тензорезисторов, обеспечивающий высокую линей-

ность и точность измерения. Преобразование измеряемого усилия в

электриче-

ский сигнал с помощью тензометрических датчиков силы можно условно раз-

бить на несколько этапов. Сначала усилие преобразуется в поле механических

напряжений в теле упругого элемента (УЭ). Затем в соответствии с законом Гу-

ка эти напряжения преобразуются в деформацию поверхности УЭ и одновре-

менно в деформацию проводящей части наклеенных тензорезисторов,

что при-

водит к изменению их сопротивления постоянному току и силы тока, который и

является выходным электрическим сигналом.

Принципиальная схема измерительного моста на металлических тензоре-

зисторах для регистрации усилий приведена на рис. 6.7. Датчики 1 и 2 равного

сопротивления наклеиваются на деталь, воспринимающую усилие сжатия. Если

датчики наклеены на электрододержатель, то последний будет играть

роль УЭ

сжатия-растяжения; если же датчики наклеиваются на нижнюю консоль, то ис-

пользуется УЭ изгиба. Датчик 1 реагирует на возможную деформацию. Датчик

2 играет роль термокомпенсирующего элемента, так как в процессе сварки УЭ

188

нагревается, а изменение сопротивления тензодатчика за счет нагрева не долж-

но восприниматься как измеряемое. Резисторы 3 к 4 составляют другие плечи

моста и находятся вне машины. К одной диагонали моста подключается источ-

ник стабильного переменного напряжения обычно звуковой частоты ЗГ. С дру-

гой его диагонали сигнал через нормирующий усилитель У подается на осцил

лограф или измерительный прибор со стрелочной или цифровой индикацией в

зависимости от назначения. Перед измерением мост балансируют с помощью

резисторов 3 и 4, поэтому во время регистрации выходной сигнал пропорцио-

нален только усилию сжатия или изгиба. Кривая выходного напряжения может

быть протарирована по стандартным динамометрам типа ДОС, имеющим вы-

сокий класс точности.

На основе тензорезисторов строят выносные датчики, внутри которых

обычно имеется УЭ изгиба. Такие датчики могут устанавливаться и между

электродами и вне их, так как с измерительным устройством они связаны толь-

ко электрическим кабелем.

Рис. 6.7. Регистрация усилия при контактной сварке с помощью наклеенных

тензорезисторов

6.4. Измерение мощности и регулирование сварки по функционалам

сварочного тока

Измерение мощности и энергии, потребляемых сварочной машиной из

сети, имеет смысл только при определительных или типовых испытаниях, когда

сверяются реальные показатели машины с заданными. В отношении качества

сварки эти параметры не представляют интереса. Практический интерес имеют

регистрация и измерение

мощности, выделяющейся в свариваемом соединении.

189

Для измерения этого параметра недостаточно иметь только информацию о сва-

рочном токе. Надо либо знать значение и характер изменения сопротивления

участка электрод - электрод, либо иметь информацию о падении напряжения на

этом участке u

ээ

В качестве датчика мощности с успехом может применяться полупровод-

никовый датчик Холла. Если цепь тока датчика питать напряжением u

ээ

при

прохождении сварочного тока и поместить датчик в магнитное поле сварочного

контура, то ЭДС Холла будет пропорциональна произведению мгновенных

значений тока и напряжения, т.е. мгновенному значению мощности:

где R - сопротивление в цепи тока питания датчика;

св

, u

ээ

, р

ээ

– соответственно мгновенные значения сварочного тока, паде-

ния напряжения на свариваемой детали и мощности на этом участке цепи;

k, k

, k

– коэффициенты пропорциональности;

Н – напряженность магнитного поля сварочного контура;

I – ток питания датчика Холла.

Хотя измерение мощности и энергии затрудняется необходимостью из-

мерения напряжения на электродах сварочной машины, тем не менее, создание

систем регулирования, обеспечивающих заданное тепловложение в зону свар-

ки, является актуальным. Поэтому идут на некоторые упрощения, разраба-

тывая регуляторы по

функционалам сварочного тока типа

∫

св

dtiС

или

∫

св

dtiQ

где i

св

– мгновенное значение сварочного тока;

св

– время сварки.

Рядом исследований было установлено, что при сварке различных ста-

лей и титана контролируемый параметр С определяется как

где А и k – коэффициенты, определяемые теплофизическими свойствами

материала, т.е. маркой материала;

эл

– диаметр контактной поверхности сварочного электрода;

δ – толщина свариваемого материала.

Коэффициенты А и k сосчитаны для многих марок стали и титана, и по-

этому система регулирования такого типа может быть осуществлена.

На рис. 6.8 представлено устройство активного контроля типа УАК-02,

работающее на принципе стабилизации параметра С. Таким устройством ос-

нащаются машины МТ-2828. Центральным звеном устройства является мик-

роЭВМ «Электроника

С5-12» со специально изготовленной для этого уст-

190

ройства микросхемой ПЗУ, в которой записана программа работы микро-

ЭВМ.

МикроЭВМ также выполняет функции восьмипозиционного регулятора

цикла сварки с широкими возможностями управления током и усилием сжа-

тия аналогично регулятору РВИ-801. На рис. 6.8 ручки управления циклом

сварки оконтурованы в средней части передней панели УАК-02. Работа уст-

ройства проходит в два этапа. Для сварки вводятся с помощью переключате-

лей на передней панели значения коэффициентов А и k, а также геометриче-

ские параметры d

эл

и δ. МикроЭВМ подсчитывает требуемое значение

∫

св

dtiС

, запоминает его и сигнализирует о готовности к сварке (повторный

ввод данных перед каждой сваркой не требуется, но в случае изменения марки

материала или его толщины такая операция должна быть проведена заново).

Рис. 6.8. Устройство активного контроля УАК-02

С началом протекания сварочного тока микроЭВМ считывает на каждом

периоде действующее значение сварочного тока (рис. 6.9), возводит его в

квадрат и накапливает величину

где Δt = 0,02 с – период сетевого напряжения.

Когда сумма превысит подсчитанное значение контролируемого пара-

метра, подается сигнал на выключение сварочного тока. Естественно, что

предварительно время сварки устанавливается с некоторым рациональным

запасом. Если в течение этого времени параметр С не будет достигнут, уст-

ройство подаст сигнал «Ток мал» о необходимости увеличения сварочного

тока за счет «нагрева» или изменения ступени.

На передней панели устройства с помощью цифровых табло фиксиру-

ются действующий сварочный ток последнего периода и время последней

сварки, а также общее число проведенных сварок. Первые два числа автома-

тически сбрасываются с началом новой сварки, а общее число сварок не

сбрасывается даже при отключении питания. Специальная схема ведет счет

сваркам независимо от времени их выполнения и сигнализирует об исполне-