Стабилизация сварочного тока при точечной и шовной сварке

В зависимости от характера внешних возмущений теснота связи между величиной тока и размерами зоны расплавления существенно изменяется. Возмущения, воздействующие на канал управления током на однофазных машинах, можно полностью компенсировать, стабилизировав его действующее значение. Характерными причинами, нарушающими нормальное течение процесса, являются: колебания напряжения питающей сети, внесение магнитных масс в сварочный контур, значительный разогрев медных деталей токопровода, нестабильное поджигание игнитронов и т.п. Если внешние возмущения воздействуют на каналы управления параметрами, которые регламентируют площадь контакта (, ) и тем самым плотность тока, то неизменное значение величины  не гарантирует стабильного качества процесса. В таких ситуациях целесообразнее отказаться от стабилизации , так как саморегулирование тока на сварочной машине несколько расширяет диапазон предельно допустимых отклонений  и . Применение стабилизатора  в этих случаях более перспективно с точки зрения своевременного «исправления» процесса. Однако связи между параметрами, которые позволяют автоматически опознать ситуацию и откорректировать процесс с помощью стабилизатора  вызывают изменения тока, ухудшающие процесс при самопроизвольном, не предусмотренном заранее, изменении толщины деталей. Такие случаи возможны при сварке профилированного проката, фрезерованных деталей, деталей типа «клин» и т.п. Зато, как показывают исследования, применение стабилизатора тока () в данной ситуации рационально — повышается качество процесса и снижается его трудоемкость, так как сокращается число случаев подбора режима методом «пробных сварок». Основным условием эффективного применения этого метода является обеспечение минимальных отклонений , , не превышающих хотя бы предельно допустимых значений, принятых для обычного процесса без регуляторов с обратной связью. Площадь контакта, заданная этими параметрами, при неизменном, стабилизированном токе предопределяет заданную плотность тока, от величины которой [см. уравнение (37) ] зависит интенсивность нагрева металла в зоне сварки. При отсутствии жесткой связи по току увеличение толщины свариваемых деталей вызывает рост сопротивления  и снижает величину , что приводит к браку. Если ток точно соответствует заданному, то достижению температуры плавления в зоне контакта способствует некоторый прирост тепла, выделяющегося между электродами при увеличении толщины деталей за счет повышения .

Количественные соотношения между энергетическими параметрами процесса и толщиной деталей в случае ее существенных изменений исследовали при сварке сплава ВНС2. Измерялись соотношения между толщиной деталей  сопротивлением зоны сварки  и количеством тепла , выделяющегося на этом участке.

Эксперименты проводили на машине МТПУ-300. Вычисления выполняли на аналого-вычислительной машине МН-7 и нелинейных блоках НБН, в натуральном масштабе времени. Для формирования сигнала, пропорционального мгновенному значению тока , и измерения действующего значения тока использовали прибор АСУ-1М. Напряжение  снимали непосредственно с электродов сварочной машины. Во избежание существенного искажения результатов из-за наведенной э.д.с. , провода, отходящие от электродов, плотно сплетали, а площадь контура, в котором могла возникнуть наведенная э. д. е., была сокращена до минимума.

Тепло, выделяющееся в зоне сварки, определяли согласно выражению

,

где  — время сварки.

Величину  оценивали по среднему значению.

Стабилизацию действующего значения тока выполняли серийным стабилизатором тока типа СТ-67, укомплектованным блоком автоматической настройки БН-68. Для сравнения результатов сварку выполняли при включенном и выключенном стабилизаторе. Стабилизировался ток оптимальной величины для случая сварки деталей толщиной 0,4…0,6 мм. При переходе к сварке деталей других толщин положение ручек управления не изменяли.

На рис. 1, а, б, в представлены результаты измерений, выполненных при сварке детали толщиной 0,4 мм с деталями, толщина которых меняется в пределах 0,6…1,8 мм. Обозначения кривых с индексом  получены при сварке с включенным стабилизатором, с индексом  — при выключенном.

Рис. 1. Зависимость параметров процесса и размеров литого ядра от толщины привариваемых деталей (в мм) при сварке стали ВНС2 со стабилизатором действующего значения тока и без него:

а – ;

б – ;

в –

Увеличение , связанное с увеличением толщины детали при выключенном стабилизаторе, вызывает уменьшение . При сопротивлении вторичного контура сварочной машины  мкОм уменьшение величины тока столь значительно, что несмотря на увеличение  количество тепла  практически остается неизменным. Соответственно с увеличением толщины быстро падает проплавление тонкой детали  и при  мм оно достигает минимального предельно допустимого значения. При стабилизации  имеет место рост тепла  и поэтому минимальное предельно допустимое значение  достигается при  мм. Без изменения задания тока и режима сварки в аналогичных условиях выполнена сварка детали толщиной 0,6 мм (рис. 1, б). В связи с изменениями условий теплоотвода в электрод, контактирующий с деталью толщиной 0,6 мм, предельные минимальные значения  получены при изменении толщины в больших пределах. Стабилизация тока обеспечивает высокое качество сварки при сочетании толщин 0,6…1,8 мм.

На рис. 1, в приведены результаты измерений при сварке детали толщиной 0,8 мм. Без стабилизации тока выполнение процесса невозможно, в то время как стабилизация позволяет выполнить сварку деталей, толщина которых колеблется в пределах 0,8…1,2 мм.

При сварке деталей неравных толщин стабильность величины усилия сжатия электродов должна быть значительно выше, чем при сварке деталей одинаковой толщины. В связи с этим было исследовано влияние усилия сжатия электродов на размеры сварного соединения при сварке деталей толщиной 0,4+1,2 мм (рис. 2). Ток стабилизировался прибором СТ-67. Использовали оптимальный режим, отработанный для сварки деталей толщиной 0,4…0,6 мм. Наибольшее предельно допустимое усилие сжатия электродов  лишь на 10% превышает номинальное значение, в то время как при сварке деталей толщиной 0,4…0,6 мм допустимым являлось увеличение усилия сжатия в пределах

Рис. 2. Зависимость параметров процесса и размеров литого ядра от усилия сжатия электродов  при сварке стали ВНС2 со стабилизатором тока

На основании полученных результатов (рис. 2) можно предположить, что с увеличением толщины одной из свариваемых деталей целесообразно небольшое уменьшение усилия сжатия электродов. Для рассмотренного примера целесообразно уменьшение усилия на 10%.

Как показали исследования, стабилизация тока позволяет без корректировки положения ручек управления сварочной машины выполнить сварку деталей, толщина которых колеблется в значительных пределах. В ряде случаев это позволяет отработать для группы сочетаний толщин деталей единый унифицированный режим сварки.

Очевидно, что при сварке деталей из металлов с большим удельным сопротивлением, например титана, применение стабилизатора тока будет наиболее эффективным.

Необходимо отметить, что на машинах с большим сопротивлением вторичного контура, например МТП-200/1200, величина  в меньшей степени будет влиять на величину  и поэтому при изменении толщины деталей процесс сварки на этих машинах более устойчив.

Изложенный метод контроля сварки может быть реализован в производственных условиях на базе стабилизатора СТ-67. Прибор имеет следующие технические данные: ошибка регулирования не более 3%, постоянная времени регулирования 0,01 сек, исправляются возмущения по току в пределах (+15)—(—30%). На рис. 3 представлена структурная схема прибора. Подключение СТ-67 к системе управления сварочной машины обеспечивает глубокую обратную отрицательную связь по току. Датчиком прибора является трансформатор тока ТТ, включаемый в первичную цепь сварочной машины. Сигнал u1, снимаемый с обмотки ТТ, пропорционален мгновенному значению сварочного тока и зависит от величинs резистора R1. Сигнал u1 усиливается до величины u2 с помощью трансформатора напряжения ТН. Величину u2 можно регулировать путем изменения положения движка R2. Разнополярный сигнал u2 выпрямляется мостом B и воздействует на вход квадратора K. Ток квадратора поступает в суммирующую точку усилителя У. Сюда же синхронно с включением сварочного тока подается сигнал задания З. Во время протекания сварочного тока, реле Р отключает своими контактами резистор R3 от конденсатора С, включенного в цепь обратной связи усилителя У, который интегрирует разность токов задания и квадратора. Выходной сигнал u3 поступает в диагональ фазорегулятора ФР прерывателя ПИШ или ПИТ, изменяя величину сварочного тока.

Рис. 3. Структурная схема стабилизатора тока СТ-67 вместе с блоком автоматической настройки БН-68

В связи с тем, что в большинстве случаев сварочный ток на машинах с разомкнутой системой управления имеет некоторую модуляцию за счет изменения сопротивления зоны сварки, что является благоприятным фактором, в стабилизаторе предусмотрена модуляция задания, которая обеспечивает характер нарастания тока примерно такой же, как и при сварке без стабилизатора. В стабилизаторе СТ-67 вмонтирован стрелочный прибор, позволяющий установить ориентировочно величину сварочного тока. Усиление цепи обратной связи по току приходится изменять в соответствии с конкретными условиями эксплуатации сварочной машины, т.е. в зависимости от ступени сварочного трансформатора, размеров вторичного контура и т.п. Для этой цели стабилизатор СТ-67 снабжается блоком автоматической настройки БН-68.

Блок БН-68 автоматически устанавливает необходимое усиление схемы изменения в стабилизаторе СТ-67, обеспечивая тем самым оптимальный режим регулирования сварочного тока. Настройка выполняется в процессе сварки образцов, для чего требуется выполнить несколько циклов. Число требуемых циклов сварки зависит от величины рассогласования и времени включения сварочного тока. При 25%-ном рассогласовании и времени включения тока 0,1 сек для настройки требуется не более 7 циклов.

На рис. 4 показан стабилизатор СТ-67 с блоком автоматической настройки БН-68. Известны устройства аналогичного назначения, имеющие несколько отличное схемное решение, например, прибор РТС-1 или регулятор УРТ-3, разработанный в ИЭС им. Патона.

Рис. 4. Стабилизатор тока СТ-67 с блоком БН-68

Прибор УРТ-3 является универсальным регулятором с широтно-импульсной модуляцией. В зависимости от того, что подается на вход устройства, он может либо стабилизировать сварочный ток, либо падение напряжения между электродами или мощность, рассеиваемую в зоне сварки. Использование принципа широтно-импульсной модуляции позволяет программировать закон изменения тока с большой амплитудой размаха от минимального до максимального значения. Быстродействие регулятора — 0,5…1 период в зависимости от настройки.