Регулирование процесса точечной и шовной сварки по перемещению электрода

При точечной и роликовой сварке могут быть различные возмущения процесса, изменяющие условия формирования литой зоны соединений и ее номинальные размеры. Перемещение  подвижной головки машины, имеющее наиболее тесную связь с размерами литой зоны, может быть использовано не только для контроля, но и для автоматического регулирования процессов точечной и роликовой сварки.

Обобщенная структурная схема системы автоматического регулирования по величине  приведена на рис. 1. При наличии возмущений, связанных непосредственно со сварочной машиной (, , , ) и с зоной сварки (шунтирование) изменяется параметр регулирования — перемещение , измеряемое соответствующим датчиком Д. Электрический сигнал датчика, пропорциональный , сравнивается с сигналом задающего устройства ЗУ и их разность поступает на преобразователь П, который обеспечивает необходимое соответствие между выходным напряжением и изменением регулирующего параметра блока управления БУ сварочной машиной (прерыватель или СПУ). В качестве регулирующего параметра используют величину сварочного тока  и длительность его протекания . При точечной сварке с  необходимо также одновременно с воздействием на  автоматически изменять момент  приложения .

Рис. 1. Обобщенная структурная схема автоматического регулирования процесса сварки по :

СМ—сварочная машина; БУ — блок управления; П — преобразователь; ЗУ — задающее устройство; Д — датчик

Автоматические регуляторы, воздействующие с целью получения стабильных размеров литой зоны на , разработаны для точечной и роликовой сварки сталей. Величину  измеряют индуктивным датчиком. На рис. 2 показан принцип регулирования  в зависимости от величины и знака рассогласования между заданной программой изменения перемещения  и фактической величиной , которой пропорционально напряжение датчика . При уменьшении  сварочный ток увеличивается, а при повышении — снижается. При достижении фактической величины перемещения  заданного уровня при времени  ток выключается и процесс сварки прекращается. Однако рассмотренная система автоматического регулирования является достаточно сложной и относительно малоустойчивой при больших возмущающих воздействиях.

Рис. 2. Регулирование  по заданной программе изменением

Более простым является регулятор, выключающий  по достижении  заданного значения, соответствующего номинальным размерам литой зоны. Для этой цели могут быть использованы приборы контроля , указанные выше, в режиме работы «Автоматическое выключение тока» (АВТ). Сварочный ток выключается при замыкании нормально открытого контакта электроконтактного датчика. При работе с регулятором  устанавливается в 1,5…2 раза больше (в зависимости от ожидаемых максимальных возмущений процесса), чем  номинального режима сварки.

В отдельных случаях выключать  целесообразно и в момент выплеска, так как дальнейшее протекание  ухудшает качество соединений, например при роликовой сварке легких сплавов. В табл. 1 приведены данные о работе такого регулятора при точечной сварке стали Х18Н9Т толщиной 1,5+1,5 мм. Однако, если для сварки использовать неизменный , то при большой величине возмущений, вызывающих уменьшение , например —20%  или +40%  (см. табл. 1) регулятору приходится значительно увеличивать . При этом из-за существенного изменения жесткости режима может ухудшаться связь  с  и  и размеры получаемых литых зон точек будут отличаться от номинальных. Чтобы исключить это, для сварки используют непрерывно нарастающий (модулированный) ток однофазных машин, машин постоянного тока или ток низкочастотных машин при  ( — постоянная времени машины). В этом случае увеличение  в процессе регулирования приводит также к возрастанию , а следовательно, к более интенсивному выделению энергии в зоне сварки по сравнению с током неизменного значения. В рассмотренном выше примере при использовании модулированного тока (коэффициент модуляции 2,5 при  = 0,3 сек) возмущение —20%  компенсируется увеличением  = 0,26 сек, вместо 0,32 сек при . Кроме того, применение нарастающего  позволяет избежать выплесков при возмущениях, вызывающих увеличение литой зоны (уменьшение , повышение ). При использовании  вероятность выплесков в таких случаях значительно больше.

Таблица 1. Работа регулятора  при точечной сварке стали Х18Н9Т толщиной 1,5+1,5 мм (машина МТПУ-300;  мм)

При точечной сварке алюминиевых сплавов на низкочастотных машинах используются токи длительностью включения , следовательно, при изменении  изменяется . Это позволяет эффективно применять автоматическое регулирование процесса по величине  с выключением  по достижении заданного перемещения. На рис. 3 приведены кривые  процесса точечной сварки сплава АМг6 толщиной 2+2 мм при различном напряжений  сварочного трансформатора (различных ступенях). При изменений  регулировкой  добивались получения сварных точек с литым ядром примерно одинаковых размеров. Величина  при этом составила в среднем 0,215 мм, несколько повышаясь при уменьшении и понижаясь при увеличении .

Рис. 3.  при точечной сварке сплава АМг6, 2+2 мм на различных ступенях  машины

Из рассмотрения рис. 3 видно, что даже значительное снижение амплитуды тока (20…25% от номинала при  сек) удается компенсировать увеличением . Результаты испытаний регулятора  при сварке указанного выше металла, приведенные в табл. 2, показывают, что при использовании в качестве регулирующего параметра можно допустить отклонения параметров режима от номинального значения, превышающие, рекомендуемые отклонения при сварке по жесткой программе (без автоматического регулирования).

Таблица 2. Работа регулятора  при точечной сварке сплава АМг6 толщиной 2+2 мм (машина МТПТ-600;  мм)

Применение регулятора  при точечной сварке высокопрочных алюминиевых сплавов (Д16, АМг6) требует одновременно с регулированием  изменять момент приложения . На рис. 4, а показана циклограмма точечной сварки с автоматическим регулированием . Аппаратурой управления сварочной машины (СПУ) устанавливается длительность тока . Когда перемещение достигает заданного уровня , регулятор вырабатывает два сигнала, один из которых выключает  при длительности  и амплитуде , а другой включает электропневматический клапан . Время  запаздывания  складывается из постоянных времени клапана и механической системы привода усилия. Для того чтобы обеспечить, малое , применяют быстродействующий электропневматический клапан КПЭ-4 и выхлопной клапан КПВМ-15/25, имеющие постоянную времени не более 0,015 сек. При воздействии возмущений, снижающих  (и размеры литой зоны),  достигается при длительности тока  и . Момент приложения  автоматически сдвигается вслед за выключением . При необходимости большего  в схему аппаратуры вводится дополнительная регулируемая временная задержка. Если при регулирований увеличением  не удается получить , то предел  всегда достигается, что обеспечивает  и  сварных соединений. Удовлетворительные результаты работы регулятора подобного типа были получены при точечной сварке алюминиевых сплавов Д16АТ, АМг3П, АМг6 и др.

Рис. 4. Циклограммы автоматического регулирования :

а — при точечной сварке;

б — при роликовой сварке

При роликовой сварке алюминиевых сплавов использование автоматического регулирования  имеет свои особенности. Как известно, роликовая сварка алюминиевых сплавов выполняется на относительно мягких режимах  сек. В этом случае при больших возмущениях процесса, направленных на уменьшение  и , не удается обеспечить  даже при значительном увеличении . Это может приводить к нарушению стабильности формирования сварного шва, так как возникает своеобразный колебательный процесс, при котором нарушается соответствие между  и , а именно,  не достигает своего номинального значения  несмотря на то, что  соответствует номинальному значению.

Причинами этого является: снижение прочности металла из-за применения относительно больших , а следовательно, интенсивное вдавливание роликов; изменение формы литых зон шва в плоскости соединения из-за выплесков, шунтирования точек прихватки, нестабильности шага и других факторов. Эти причины нарушения связи  с  еще в большей степени проявляются при роликовой сварке кольцевых швов на деталях из высокопрочных алюминиевых сплавов толщиной 3…4 мм. Установлено, что при роликовой сварке расширение металла каждой последующей литой зоны происходит уже в условиях жесткой связи двух деталей за счет предыдущей литой зоны.

Поэтому одинаковому  в роликовом шве соответствует литая зона несколько больших размеров, чем литое ядро одиночной сварной точки. В результате этого регулирование по  не всегда обеспечивает идентичность литых зон шва. Для герметичности роликовых швов принципиально достаточно обеспечить в процессе сварки некоторое , несколько большее . Однако, если вести регулирование по такому , то при отсутствии возмущений качество соединений будет понижаться, так как литые зоны будут иметь .

В связи с этим целесообразно ввести определенные ограничения в процессе регулирования, а именно, выполнять его только в случае возмущений процесса, направленных на уменьшение размеров литой зоны, так как возмущения противоположного направления не так опасны, бывают значительно реже и легко могут быть обнаружены по увеличению тепловыделения в зоне сварки и как следствие — выплеску. Кроме того, регулирование ведется по  несколько большему, чем , и только в тех случаях, когда за время   не достигло  (рис. 4, б). Если это имеет место, то регулятор «добавляет» еще некоторый интервал времени  и выключает  по достижении  при времени . Испытания такой системы регулирования при роликовой сварке алюминиевых сплавов толщиной 3…4 мм показали достаточно хорошую стабильность процесса при наличии таких возмущений, как снижение , повышение ce, увеличение  и шунтирование около точек прихватки и перекрытия шва. Одновременно упрощается настройка датчика перемещения, которая ведется на один предел , а не на два предела  и .

Применение такого способа регулирования  эффективно и при точечной сварке, когда при больших возмущениях процесса, требующих значительного увеличения , при котором может нарушиться связь между  и размерами литой зоны. Здесь же не надо существенно увеличивать , так как необходимо обеспечить лишь минимально допустимые размеры литой зоны, а не номинальные, как в случае регулирования, рассмотренном на рис. 4, а. Использование этого принципа обеспечивает большую надежность процесса, благодаря невозможности уменьшения , при ложных сигналах выполнения .