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

Подождите немного. Документ загружается.

191

нии заранее введенного числа сварок. Это очень важный показатель, так как

во время сварок некоторый износ электрода может быть скорректирован за

счет введения увеличенного значения d

ЭЛ

, но существенное изменение диа-

метра электрода уже может нарушить условие получения качественной

сварки. Поэтому сигнал о выполнении заданного числа сварок напоминает о

необходимости замены или переточки электродов с последующим введением

нового значения d

эл

Опыт использования устройства УАК-02 показал, что в оптимально вы-

бранном диапазоне сварочного тока система регулирования без существенно-

го изменения размера литого ядра компенсирует ±25%-ное изменение сва-

рочного тока за счет колебаний напряжения сети и изменения параметров

сварочного контура.

Рис. 6.9. Принцип работы устройства УАК-02

6.5. Контроль качества сварки по тепловому расширению металла

Металл в зоне сварки во время прохождения тока разогревается и увели-

чивается в объеме. Силы объемного теплового расширения направлены во все

стороны, но так как нагреваемый столбик окружен кольцом холодного металла,

то деформация развивается по пути наименьшего сопротивления, раздвигая

электроды машины. Поскольку наибольшее увеличение объема металла наблю-

дается при переходе

его из твердого состояния в жидкое, т. е. при температуре

плавления, то по перемещению электродов можно судить об образовании рас-

плавленной зоны или, другими словами, о качестве соединения.

Тепловое расширение металла (ТРМ) обычно воспринимается через пе-

ремещение верхнего (подвижного) электрода. Если последний имеет легкопод-

вижный диафрагменный привод усилия или поршневой привод

усилия с про-

межуточной пружиной, а нижняя консоль машины достаточно жестка, то пере-

мещение верхнего электрода практически соответствует общему суммарному

перемещению, вызванному силами ТРМ.

Движение электрода вверх идет за счет сил ТРМ. В то же время электрод

перемещения вниз в связи с пластической деформацией разогретых верхних

слоев металла (рис. 6.10 а).

Суммарное перемещение электрода, таким образом,

192

уменьшается. Особенно это характерно для металлов с высокой пластичностью,

таких, как алюминиевые сплавы. Если перемещение электрода при сварке не-

ржавеющих сталей составляет 7…9 % суммарной толщины деталей, то при

сварке алюминиевых сплавов оно не превышает 4…6 %.

Многочисленными исследованиями установлена хорошая связь между

перемещением электрода и глубиной проплавления сварного соединения. А так

как в общем

случае глубина проплавления и диаметр литого ядра связаны меж-

ду собой, то по перемещению электрода можно судить о диаметре литого ядра.

И хотя эта зависимость нестрого однозначна, тем не менее, величина переме-

щения электрода позволяет четко выявить непроваренные точки.

Рис. 6.10. График движения электрода под действием сил теплового расшире-

ния металла в зоне сварки: а) кривые, иллюстрирующие процессы при ТРМ;

б) кривые, иллюстрирующие принцип контроля на основе метода измерения

начальной скорости ТРМ;

1 - теоретическая кривая перемещения электрода под действием сил ТРМ;

2 - результирующая реальная кривая перемещения верхнего электрода во время

сварки; 3 - импульс сварочного тока; 4 - теоретическая кривая перемещения

электрода за счет пластической деформации

Контроль на основе ТРМ рекомендуется вести на режимах средней жест-

кости для сталей и более жестких для алюминиевых сплавов, когда кривая пе-

ремещения электрода носит монотонно нарастающий характер в течение всего

импульса тока.

Данный метод контроля имеет следующие серьёзные недостатки:

- затруднена диагностика при выплеске металла;

- затруднена диагностика при смещении точки относительно свариваемого

контакта;

- величина фиксируемого перемещения исчисляется сотыми долями мил-

лиметра при ходе электродов порядка 10 мм, что приводит к значитель-

ным относительным погрешностям.

Ряд разработчиков, главным образом за рубежом, используют для кон-

троля метод измерения начальной скорости ТРМ, полагая, что приобретенная в

начале сварки скорость расширения металла в силу непрерывности процесса

193

будет характеризовать и конечную величину расширения. Рис. 6.10 б иллюст-

рирует этот метод контроля. Устанавливается некоторая граница подъема элек-

трода А, и измеряется интервал времени, в течение которого электрод под дей-

ствием сил ТРМ достигает этой границы. Очевидно, что можно ограничить из-

меряемый интервал значениями от t

до t

, внутри которого можно предпола-

гать, что сварка будет качественной. В интервале времени, меньшем t

, началь-

ная скорость слишком велика и велика вероятность конечного перегрева или

выплеска. В интервале, большем t

, процесс идет слишком замедленно, что сви-

детельствует о недостаточной степени разогрева свариваемого соединения и,

как следствие этого, о возможном непроваре.

Для регистрации перемещений сварочного электрода при реализации ука-

занных способов применяют два типа датчиков: электроконтактный и фото-

электрический.

Электроконтактный

датчик (ДПО-1, используе-

мый в приборе АКС-1) 2

(рис. 6.11) крепится на верх-

ней консоли 1 сварочной

машины. Шток 3 его якоря

посредством фрикционного

механизма или электромаг-

нита 5 связывается с под-

вижным электродом или

ползуном 4 машины так,

чтобы измерение осуществ-

лялось только тогда, когда

проходит сварочный ток.

Электрическая схема ап-

парата АКС-1 соединяется со

шкафом управления сва-

рочной машины и с электро-

контактным датчиком.

Рис. 6.11. Схема установки кон-

тактного датчика на привод сва-

рочной машины

Недостатками датчика такого типа являются:

- невозможность получения реального значения перемещения верхнего

электрода;

- требуется установка нуля при каждой новой настройке сварочной ма-

шины;

- не даёт показаний о скорости перемещения электрода.

Фотоэлектрический датчик (БЕ-51М, используемый в приборе АКС-2)

позволяет измерять перемещения с точностью до 0,01 мм на длине 10 мм.

Внутри датчика имеются две растровые решетки, сквозь которые пучок света

от осветителя попадает на фотодиоды. На решетки нанесены штрихи с плотно-

стью 25 единиц на миллиметр. На одной из решеток часть штрихов сбита на

четверть шага. Перемещение подвижной решетки, связанной с электродом или

194

ползуном машины, во время импульса сварочного тока вызывает прерывание

светового потока и появление на фотодиодах сигналов, число которых зависит

от величины, а частота – от скорости измеряемого перемещения. Сигналы на

фотодиодах сдвинуты по фазе на 90° из-за того, что сбиты штрихи на одной из

решеток (неподвижной). Информация с датчика поступает на логический пре-

образователь, который формирует две группы импульсов, соответствующих

прямому или реверсивному ходу электрода. Логический преобразователь, кро-

ме того, производит умножение сигнала, в результате чего через каждые 0,01

мм перемещения на его выходе возникают импульсы. Таким образом, непре-

рывно меняющиеся сигналы преобразуются в дискретные, а это позволяет по-

лучить целый ряд преимуществ по сравнению с аппаратом АКС-1.

К преимуществам дискретного принципа измерения перемещения следу-

ет отнести:

- отсутствие необходимости механической настройки датчика во время из-

мерения;

- возможность выполнения измерения из любого положения (система с

«плавающим нулем»);

- высокую точность при повышенной помехоустойчивости;

- возможность измерения как при прямом, так и при реверсивном ходе

электрода, что делает аппаратуру более универсальной;

- наличие текущей информации в цифровом коде, что позволяет фиксиро-

вать не только конечное значение перемещения, но и его характер в тече-

ние всего времени сварки;

- возможность фиксирования выплеска, как резкий реверсивный ход элек-

трода во время прохождения сварочного тока.

В настоящее время ПО «Ленинградский инструментальный завод» освои-

ло серийное производство фотоэлектрических датчиков миниатюрного испол-

нения типа 19010. Разрешающая способность датчика 0,001 мм на длине 10 мм.

На основе такого датчика могут разрабатываться устройства, функционально

подобные аппарату АКС-2.

6.6. Регулирование и контроль по напряжению или сопротивлению между

электродами

Стабильность процесса сварки требует стабильности сварочного тока.

Однако из простых соображений следует, что поддержание тока на строго за-

данном уровне не всегда полезно. Например, если рабочая поверхность элек-

трода увеличивается, то стабилизация тока приведет к уменьшению плотности

тока и соответственно к недогреву с возможным непроваром. Тоже можно ска-

зать для случая шунтирования сварочного тока предыдущими точками. Если же

в свариваемой детали имеется зона повышенного сопротивления, то стабилиза-

ция тока, наоборот, может вызвать местные перегревы и даже выплеск. Поэто-

му регуляторы по току I

св

= const применяются в ограниченных случаях.

195

Было бы правильно регулировать процесс сварки по температуре внутри

свариваемого соединения, но, так как возможность ее измерения отсутствует,

прибегают к регулированию по косвенным показателям. Рядом исследований

было показано, что при некоторых допущениях температура внутри соединения

может характеризоваться падением напряжения на изделии TkU

св

= , где Т –

разность между температурой внутри соединения и температурой, охлаждаю-

щей электроды воды; k – постоянный коэффициент пропорциональности, учи-

тывающий размерность правой части уравнения.

Важно отметить, что в приведенное уравнение не вошли ни ток, ни со-

противление, ни усилие, ни толщина материала, ни форма электродов, ни ряд

других параметров. Однако если вести процесс при определенном напряжении

на электродах, то можно считать, что их влияние будет учтено автоматическим

регулятором.

На рис. 6.12 а приведена эксперементальная кривая, соответствующая ус-

ловию U

св

= I

св

= const и устанавливающая связь между сварочным током I

св

и сопротивлением свариваемого изделия R

св

. Соблюдение условия U

св

= const

обеспечивает хорошую сварку. Отклонение от этого условия влечет за собой

ухудшение ее качества.

Рис. 6.12. Кривые изменения напряжения на электродах и динамического со-

противления детали при контактной сварке: а) изменение напряжения на элек-

тродах; б) изменение динамического сопротивления

Требуемое напряжение на электродах подбирается опытным путем и

поддерживается автоматическим регулятором. Если напряжение на электродах

ниже заданного, регулятор увеличивает ток, если выше – уменьшает. Пред-

положим, что напряжение на электродах задано как произведение координат

точки а, т.е. U

св

= I

св а

. Тогда при любом увеличении сопротивления R

св

за

счет уменьшения усилия сжатия, увеличения толщины изделия, усиления за-

грязненности поверхности деталей регулятор уменьшает ток сварки, чтобы со-

хранилось условие (I

св а

– Δ

I)(R

св а

+ Δ

R)= U

св

. Если же сопротивление умень-

шилось за счет увеличения усилия, расплющивания электродов или за счет

шунтирования, то регулятор увеличит сварочный ток, чтобы (I

св_а

+Δ

I)(R

св_а

R)= U

св

196

Из этого принципа регулирования также вытекает тот факт, что свароч-

ный ток плавно нарастает от минимального уровня и по мере уменьшения со-

противления контакта достигает необходимого для сварки значения.

Регуляторы описываемого типа работают в широком диапазоне свароч-

ных токов без промежуточной подстройки. Если сварочный ток не может быть

снижен до требуемого значения или не может быть увеличен из-за недостаточ-

ной мощности контактной машины, автоматический регулятор прекращает

сварку и подает соответствующий сигнал.

Основная трудность при работе с регулятором по напряжению состоит в

необходимости получения правильной первичной информации об истинном

напряжении на электродах, не искаженном наводками от магнитных полей ма-

шины.

В последние годы интенсивно прорабатываются вопросы использования

в качестве параметра контроля и регулирования динамического сопротивления

свариваемого промежутка. Физический смысл этого способа контроля состоит

в том, что относительное изменение сопротивления свариваемых деталей в ка-

ждый момент времени зависит от их теплового состояния, что в конечном счете

определяет качество свариваемого соединения.

Установлено, что существуют два вида зависимостей динамического со-

противления по ходу сварочного процесса: монотонно убывающая (кривая 1 на

рис. 6.12, б) и имеющая промежуточный максимум (кривая 2). Первая кривая

характерна для алюминиевых сплавов и нержавеющих сталей, вторая – для ма-

лоуглеродистых сталей и титана.

В процессе контроля оценивается относительное изменение сопротивле-

ния свариваемого участка и при достаточном его уменьшении отключается сва-

рочный ток.

Существует другой метод контроля, при котором значение динамическо-

го сопротивления в каждом полупериоде сравнивается с заранее заданным, и

если их разница не превышает определенного допуска, то развитие процесса

признается нормальным. В противном случае сварка предполагается дефект-

ной.

6.7. Контроль контактной сварки по статистическим моделям

Развитие вычислительной техники, появление быстродействующих мини-

и микроЭВМ позволяют перейти к качественно новым системам управления

сварочным процессом и контроля его на основе использования математических

моделей, которые отражают взаимосвязь параметров процесса контактной

сварки с объективными количественными оценками качества получаемого

сварного соединения. Необходимость контролировать процесс сварки и управ-

лять им в реальном масштабе времени налагает ограничения на степень слож-

ности модели. Слишком сложная модель требует большого объема вычислений,

что может привести к серьезным ошибкам при эксплуатации модели.

197

Наиболее простыми математическими моделями сварочных процессов

являются статистические модели, использование которых в настоящее время

получило широкое распространение. Ведущая роль в использовании статисти-

ческих моделей для контроля процесса контактной сварки и управления им

принадлежит ИЭС имени Е.О. Патона.

Для построения статистической модели процесса необходимо экспери-

ментально изучить зависимость выбранного критерия качества от параметров

режима. Далее, обрабатывая экспериментальные данные с помощью регрес-

сионного анализа, выделяют параметры, существенно влияющие на процесс

сварки, и исключают из рассмотрения параметры, чье влияние на процесс кон-

тактной сварки незначительно. Так, для сплава АМг6 при толщине листа 1 мм,

сварочном токе I

св

= 16...18,5 кА, усилии сжатия F

св

= 280...380 даН, времени

импульса тока t = 0,06 с и радиусе заточки электрода d

эл

= 75 мм были построе-

ны математические модели, выявляющие зависимость диаметра ядра d

от па-

раметров процесса:

;

где

k – число периодов промышленной частоты в импульсе сварочного тока.

В дальнейшем за базовую математическую модель для контактной точеч-

ной сварки было принято уравнение

=А

+А

где коэффициенты А

…А

определяются с помощью упомянутых выше стати-

стических методов.

Модель проверялась при сварке алюминиевых и магниевых сплавов, не-

ржавеющей и низкоуглеродистой сталей, титана. Средняя погрешность прогно-

зирования диаметра ядра не превышала 7% при изменении усилия сжатия на

±20%, сварочного тока на +5...-10%, радиуса заточки электрода на +50% и тол-

щины изделий от 1 до 3 мм. Правда, при переходе на другую комбинацию тол-

щин или материалов свариваемых изделий пересчитывались коэффициенты

модели, что представляет собой весьма трудоемкую операцию. Необходимость

198

пересчета коэффициентов является общим недостатком статистических моде-

лей.

Для облегчения задачи пересчета коэффициентов базовой математиче-

ской модели при переходе на другие толщины свариваемых деталей был разра-

ботан специальный алгоритм пересчета с использованием метода изоморфных

моделей. Расчет изоморфных моделей на основе базовой математической моде-

ли осуществляется по данным измерения параметров оптимальных режимов

при сварке контрольных образцов.

Рассмотрим функциональную схему устройства для контроля качества

контактной точечной сварки легких сплавов, прогнозирующего размеры литого

соединения на основе найденных математических моделей. Устройство

(рис. 6.13) состоит из следующих узлов: датчиков параметров процесса сварки

св

, F

св

,, u

ээ

), блоков измерения и формирования основных параметров режима

св

max

, t

св

, F

св

, F

), аналогового вычислительного устройства (АВУ) с про-

граммным блоком (БП), аналоговой памяти (АЗУ) с коммутатором (К) и анало-

го-цифровым преобразователем (АЦП), блока уставок со схемой сравнения

(СС), блоков индикации и блока управления (БУ). В процессе сварки сигналы,

пропорциональные мгновенным значениям сварочного тока, усилию сжатия

электродов и напряжению на электродах, поступают с датчиков на соответст-

вующие измерительные блоки, формирующие требуемые сварочные пара-

метры, на блок управления, синхронизирующий работу устройства, и на АВУ,

которое осуществляет расчет диаметра ядра и глубины проплавления в соответ-

ствии с выбранной моделью. Результаты измерений и вычислений запоминают-

ся в АЗУ и затем через коммутатор поочередно подаются на вход АЦП, а ре-

зультаты преобразований заносятся в регистры соответствующих блоков инди-

кации.

Рис. 6.13. Функциональная схема устройства для контроля качества контактной

точечной сварки лёгких сплавов на основе математической модели

199

Устройство позволяет задавать уставки по параметрам режима, сравни-

вать их с соответствующими сигналами от измерительных цепей и сигнализи-

ровать о выходе параметров за пределы допусков.

Испытания устройства в производственных условиях при сварке алюми-

ниевых сплавов в диапазоне толщин 0,8...1,5 мм показали, что средняя квадра-

тичная ошибка прогнозирования диаметра ядра не превышает 0,3 мм. Макси-

мальная плотность ошибок прогнозирования приходится на интервал 0,1…0,2

мм. Наибольшее расхождение не превышает 0,4 мм с вероятностью 95%.

Контрольные вопросы к главе 6

1. Какие факторы вызывают отклонение параметров режима сварки от задан-

ного и приводят к нестабильности получения качественного соединения при

контактной сварке?

2. Как вычисляются функционалы и действующее значение сварочного тока

при полнофазном включении и введении угла отсечки?

3. Как происходит замер сварочного тока на контактных машинах при помо-

щи шунта в первичной

обмотке сварочного трансформатора?

4. Как производится замер сварочного тока на контактных машинах при по-

мощи шунта во вторичной обмотке сварочного трансформатора?

5. Как производится замер сварочного тока на контактных машинах при по-

мощи трансформатора тока и пояса Роговского?

6. Как производится замер сварочного тока на контактной машине при по-

мощи датчика Холла

7. При помощи какой аппаратуры производится контроль усилия сжатия

электродов? Каковы её принципы действия, преимущества и недостатки?

8. Как производится измерение мощности и регулирование контактной свар-

ки по функционалам сварочного тока?

9. Как производится контроль качества контактной точечной сварки по теп-

ловому расширению металла?

10. Как производится регулирование и контроль контактной сварки

по со-

противлению между электродами?

11. Как происходит контроль качества контактной сварки по статистической

математической модели?

200

ГЛАВА 7. МНОГОЭЛЕКТРОДНЫЕ МАШИНЫ ДЛЯ КОНТАКТНОЙ

СВАРКИ

7.1. Общие сведения

Специальное оборудование для контактной сварки предназначено для

сварки одного конкретного изделия или ограниченной группы однотипных из-

делий. Оно применяется в тех отраслях промышленности, для которых харак-

терно массовое или крупносерийное производство, требующее высокопроизво-

дительного и надежного сварочного оборудования, а именно: в

автомобильной

промышленности, сельхозмашиностроении, вагоностроении, на предприятиях

строительной индустрии, бытового машиностроения и др.

Использование специального оборудования для контактной сварки обу-

словливается следующими факторами: необходимостью механизации и автома-

тизации процесса изготовления сварных изделий и увеличения производитель-

ности труда в условиях массового и крупносерийного производства, необходи-

мостью повышения качества сборки-сварки изделий, а

также улучшения усло-

вий труда обслуживающего персонала и повышения культуры производства.

Конструктивное оформление специальных машин и линий для контакт-

ной сварки определяется прежде всего конструкцией свариваемого изделия,

технологией сборки-сварки изделия, числом и расположением сварных швов,

требуемой производительностью оборудования, а также возможностями потре-

бителя (заказчика оборудования).

Одним из видов широко распространенного

специального оборудования

для контактной сварки являются многоэлектродные точечные машины (МТМ),

характеризующиеся наличием более чем одной пары встречно расположенных

(при двустороннем токоподводе) или не менее двух параллельно или под неко-

торым углом расположенных (при одностороннем токоподводе) электродов.

Многоточечная сварка позволяет экономить время за счет параллельной работы

многих электродов. Одновременно облегчаются условия

труда, повышается

точность размещения сварных соединений, улучшается качество.

Современная многоэлектродная машина для контактной сварки представ-

ляет собой сложный агрегат, обеспечивающий не только непосредственно

сварку изделия, но и различные его перемещения в пространстве, необходимые

для осуществления процесса сварки и съема готового изделия с машины (если

требуется).

Многоэлектродная машина для контактной сварки

состоит из следующих

основных сборочных единиц: основания (корпус, рама), электросварочной час-

ти, подающего устройства, пневматического (или гидравлического) оборудова-

ния, электрического оборудования, системы охлаждения вторичных контуров

машины, вспомогательных механизмов (фиксаторы, толкатели, сбрасыватели и

т.п.).

Источником питания вторичных контуров многоэлектродных машин для

контактной сварки являются малогабаритные однофазные сварочные транс-