Screenshot_177

Регулирование режимов сварки

 

Автоматическое регулирование дуговой сварки Первые работы, посвященные разра­ботке теоретических основ автоматиза­ции дуговой сварки, относятся к перио­ду 40—50-х годов. Широкое исследования, проведенные в ИЭС им. Е. О. Патона Б. Е. Патоном и А.М. Макарон по установлению зависимостей скорости плавления элек­тродной проволоки, параметров сварки швов от условий механизированной сварки, дали необходимый фактический материал для уточнения и конкретиза­ции требований к системам автоматиче­ского регулирования дуги. Б. Е. Патон заложил теоретические основы систем регулирования сварочных автоматов. И впервые проанализированы как в статике, так и в динамике системы с автоматическим регулированием напря­жения на дуге и с постоянной скоростью подачи электродной проволоки; выявле­но влияние колебаний напряжения сети, сопротивления сварочной цепи и выле­та электрода на размеры сварных швов; доказана необходимость стабилизации как Напряжения на дуге, так и свароч­ного тока. Б. Е. Патоном также опреде­лены системы (источник питания — сва­рочный автомат), на работе которых влияние внешних возмущений сказы­вается в минимальной степени.

Работы Б. Е. Патона по ис­следованию процессов нагрева и плав­ления электрода, саморегулирования дуги стали теоретическим основанием для математического моделирования дуговой сварки плавящимся электродом. В Секии электросварки и электротер­мии АН СССР под руководством В. П. Никитина разработана научная классификация применявшихся в то время систем автоматического регули­рования параметров сварочной дуги. В основу классификации положено деление систем по типу регулирующего воздействия. Классификация обеспечи­вала возможность правильного выбора конкретной системы автоматического регулирования (САР) в зависимости от характера технологических возмуще­ний, действующих па систему источник питания — дуга (ИП — Д). В этот пери­од Г. М. Каспржаком, И. Я. Рабинови­чем, JI. Е. Алекиным, В. Н. Шитовой впервые разработаны математические модели системы источник питания — автомат — шов при дуговой сварке пла­вящим электродом. При анализе каче­ства регулирования систем главным объектом регулирования в моделях

является шов (Ш). Передаточная функция шва для v различных геометри­ческих параметров записывалась в виде апериодического звена первого порядка с постоянной времени, отражающей тепловую инерционность процесса рас­плавления металла шва. Величина от­клонения параметров шва от номинала при действии различных технологиче­ских возмущений принималась за кри­терий оценки качества регулирования систем. Для оперативной оценки каче­ства работы автоматов общего назначе­ния позднее предложены и вычислены для случая сварки под флюсом на пере­менном токе коэффициенты качества регулирования, представляющие собой отношение величины отклонений кон­кретного параметра шва к вызвавшим их возмущениям. И. Я. Рабинови­чем по совмещенным вольт-амперным характеристикам (ВАХ) дуги и источника питания был предложен достаточ­но простой и эффективный метод ана­лиза статических ошибок по парамет­рам дуги при действии технологических возмущений на автоматическое оборудо­вание [96].

Для оценки устойчивости дуги в системе ИП —Д В. П. Никитиным [66], а позднее К. К. Хреновым [ИЗ] полу­чено условие энергетической устойчиво­сти дуги с ИП, содержащим одну реактивность. Оно позволяет выбрать требуемый наклон вольт-амперной ха­рактеристики источника питания при заданной ВАХ дуги. В этот период Б. Е. Патоном, а позднее Г. М. Каспржаком п JI. Е. Алекшиным проведен анализ динамических процессов в систе­ме ИП — Д — Ш для сварочных автома­тов с постоянной скоростью подачи электродной проволоки. Работа этих ав­томатов основана на использовании эф­фекта саморегулирования дуги, откры­того В. И. Дятловым в 1942 г.

Б. Е. Патоном была теоретически обоснована возможность создания сва­рочных полуавтоматов с постоянной скоростью подачи электродной проволо­ки; было доказано, что необходимая в данной случае интенсификация про­цессов саморегулирования может быть достигнута за счет уменьшения диа­метра электродной проволоки. Резуль­таты указанных исследований позволи­ли правильно выбрать параметры авто­матов с постоянной скоростью подачи электродной проволоки и оценить их технологические возможности при рабо­те в условиях технологических воз­мущений.

В 50-х годах благодаря работам, проведенным Б. Б. Патоном, В. К. Ле­бедевым, О. Н. Братковой, И. Я. Раби­новичем, значительно совершенствуют­ся конструкции источников питания дуги постоянного и переменного тока. Это открыло возможность построения САР процесса сварки с воздействием на дугу непосредственно через питающую систему. Основные принципы построе­ния регуляторов мощности сварочной дуги через источник питания были при­ведены в работе. В Институте электросварки им. Б. О. Патона были разработаны две группы регуляторов напряжения дуги переменного тока: с воздействием на ЭДС источника питания (регулятор с реактивным делителем, автотрансфор­матором, вольтодобавочным трансфор­матором) и воздействием на сопротив­ление источника питания с помощью регулируемого дросселя. В 50-х и начале 60-х годов одновре­менно с быстрым развитием автомати­ческой сварки под флюсом на перемен­ном токе получает широкое внедрение в производство и автоматическая свар­ка на постоянном токе под флюсом и в защитном газе. Основными источниками питания дуга для этих способов явля­ются сварочные генераторы с падающей п с жесткой внешними характери­стиками. Особенно важной роль источни­ка питания оказалась при сварке в углекислом газе с короткими замыканиями. Большое значение приобрели работы Института электросварки по определению взаимосвязи между ста­тическими и динамическими характеристиками источника питания и его технологическими свойствами на основании которых даны конкретные решения по улучшению выпускаемых промышленностью сварочных источни­ков питания, в частности генераторов с жесткой характеристикой, использу­емых для сварки в СО 2.

Выработке этих решений способст­вовала и Вильнюсская республиканская конференция 1965 г., па которой состо­ялся обмен опытом между учеными и производственниками по проблеме раз­вития источников питания. Интересные методики по расчету генераторов н средства улучшения статических и ди­намических их характеристик были предложены Г. М. Каспржаком, К. Синдаровскасом, И. И. Каросасом, Н. И. Зарубой. Ценными и полезными в практичес­ком плане для разработчиков источни­ков питания дуги постоянного тока оказались данные, полученные в ИЭС им. Б. О. Патона В. К. Лебедевым [58]. В работе [26] Н. Г. Дюргеровым полу­чены дополнительные сведения о про­цессе саморегулирования длинной и короткой дуг постоянного тока при различной плотности тока.

В 60-х годах учеными проведены серьезные исследования по изучению физических процессов в дуговом про­межутке. Г. И. Лесковым, И. И. Зарубой, Н. М. Новожиловым, А. И. Акуло­вым, Н. Г. Дюргеровым, А. Г. Потапьевским получены описания физических процессов в дуговом промежутке при переносе электродного металла через дугу и при замыканиях электрода на сварочную ванну. В. С. Гвоздецким, В. С. Мечевым, А. А. Ерохиным, Г. И. Тиходеевым получены описания электрических характеристик дуги постоянного тока с неплавящимся элек­тродом. Весь комплекс указанных ис­следований технологов и разработчиков источников питания позволил подой­ти к решению проблемы управ­ления переносом электродного метал­ла при сварке в СО2 с целью повышения стабильности процесса сварки и  разбрызгивания электродом металла, предложить методы управления параметрами свободной и сжатой дуг постоянного тока с неплавищимся электродом, улучшить технологические свойства сварочных дуг путем правильного выбора состава защдтвой среды, геометрии и состава электрода, параметров источника пита-I ввя. Выл проведен глубокий анализ  процесса нарушения стабильности дуговой сварки в углекислом газе, онрезелены условия перехода от непрерывного к прерывистому горению дуги, рассмотрены переходные процессы в системе ИП — Д и проведено их статическое исследование. Полученные  результаты позволили существенно оптимизировать процесс дуговой сварки в СО2 как с короткими замыканиями, так и без них. Определены области качественных режимов сварки, улучшены параметры источников питания. Предложены различные системы управления процессом сварки в углекислом газе,  уменьшающие разбрызгивание электродного металла. Разработаны системы регулирования  с воздействием на вылет электрода и обратной связью по току дуги,  системы автоматического регулирования тока и напряжения дуги через питающую систему с обратной связью по напряжению дуги. При сварке неплавящимся электродом исследовала связь напряжения дуги с  данной дуги. Полученные зависимости  легли в основу построения регуляторов длины дуги по изменению напряжения  на дуге АРНД при сварке неплавящимся электродом. В ИЭС им. Е. О. Патона, ВНИИЭСО, НИКИМТ, МВТУ им: Н. Э. Баумана были разработаны регуляторы АРНД непрерывного и релейного типа. В ходе проектирования и эксплуатации систем АРНД разработаны инженерные методики расчета параметров этих систем с учетом требований технологии, усовершенствованы  принципиальные схемы. В настоящее время в комплекте с системами АРНД выпускается ряд сварочных автоматов (АСГ, УДГ и др.).

Для управления мощностью сварочной дуги в 60-х годах были разработаны способы сварки с периодически изменяющимся током. Одним из эффективных средств расширения технологических возможностей и повышения качества сварки плавящимся электродом в защитном газе явились разработанные в Институте электросварки Б. Е. Патоном и его учениками способ и оборудование для импульсного автоматического управления переносом металла и параметрами режима сварки. Для реализации способа в том же институте разработаны и с 1964 г. серийно выпускаются специальные импульсные устройства питания дуги. Использование в промышленности результатов этих разработок позволило существенно расширить области применения сварки плавящимся электродом, выполнять сварочные работы в различных пространственных положениях, повысить качество и технико-экономические показатели сварки.

Для сварки неплавящимся электродом тонколистовых конструкций А. В. Петровым и Г. А. Славиным разработан способ сварки импульсной дугой [92]. За счет управления мощностью дуга регулируется тепловложение в основной металл, достигается уменьшение деформаций н напряжений, улучшается качество сварки, расширяются области свариваемых толщин металла.  Весьма действенным п целесообразным приемом решения ряда технологических задач явилось также низкочастотное периодическое изменение мощности дуги при сварке плавящимся электродом. Образование сварного соединения связано не только с характером тепловых процессов при формировании шва, но и с гидродинамическими процессами в сварочной ванне, особенно па форсированных режимах при однопроходной сварке. Поэтому при решении задач управления процессом формирования сварного соединения более коррект­но рассматривать в качестве основного объекта регулирования не параметры шва, как это принималось раньше, а сварочную ванну с учетом тепловых и гидродинамических процессов в пей. В работе показано, что для отра­ботки возмущений в жидкой ванне нужны более быстродействующие регуляторы по сравнению с ранее спроекти­рованными. Использование в САР новых полупроводниковых источников питания позволило разработчикам автоматических систем предложить ряд оригинальных, качественно новых ти­пов регуляторов качества сварки. На перспективность внедрения таких си­стем, построенных по различным техно­логическим критериям, указывается в статье Б. Е. Патона. В принци­пиальных схемах установок начинают использоваться выпускаемые промыш­ленностью полупроводниковые модули, микросхемы. Уменьшены габариты блоков управления. С использованием модулей в ИЭС им. Е. О. Патона, ВНИИЭСО разработаны блоки програм­много управления автоматами; обеспе­чена реализация программ цикла свар­ки с учетом процесса зажигания дуги и заварки кратера [81, 11]. На ряде заво­дов страны работают автоматические линии с программным управлением по производству серийных изделий с по­мощью дуговой сварки, широко исполь­зуется программирование параметров режима при сварке неповоротных сты­ков труб. В МВТУ им. Н. Э. Баумана разработана серия трубосварочных ав­томатов, в которых запрограммирован весь цикл сварки с учетом требуемого изменения параметров режима сварки (тока, скорости сварки) в функции пространственного положения сварочной горелки. Широко применяется програм­мирование и при перемещении свароч­ного органа по требуемой траектории.

В ИЭС им. Е. О. Патона разработаны системы цифрового программного уп­равления положением сварочной про­волоки относительно изделия или их взаимным перемещением, а также системы управления процессом дуговой сварки путем программирова­ния скорости подачи электродной проволоки.

Для реализации гибких программ, оптимизируемых в процессе сварки в зависимости от характера технологиче­ских возмущений, требуется разработка специальных датчиков сигнала обрат­ной связи по параметрам процессов. Более проста в реализации задача опти­мизации программ по геометрическим критериям объекта регулирования (сварочной ванны). Анализ устойчиво­сти системы источник питания —дуга с помощью структурных схем с обрат­ными связями по току и напряжению позволил предложить способ парамет­рической стабилизации вводимой в изделие мощности дуги с неплавящим­ся электродом при возмущениях по внешней длине дуги.

В ИЭС им. Е. О. Патона для микроплазменной сварки разработана серия источников питания с гиперболической внешней характеристикой, обеспечива­ющей стабилизацию вводимой в изде­лие тепловой мощности при колебаниях тока и напряжения дуги .

На базе полупроводникового выпря­мителя и разработанной к нему тири­сторной приставки реализован парамет­рический регулятор глубины проплавления при аргонодуговой сварке непла­вящимся электродом. Устройство нашло применение при сварке нержа­веющих труб на непрерывных станах. В качестве объекта регулирования рас­сматривается сварочная ванна, в моде­лях которой учитывается характер гидродинамических процессов течения жидкого металла под дугой.

Как показали исследования, возмож­ности параметрических регуляторов становятся ограниченными с ростом уров­ня технологических возмущений. Для отработки значительных по уровню тех­нологических возмущений потребовалось разработать различные датчики заклепками. Количество внедряе- свгвала обратной связи по параметрам систем этого типа в настоящее объекта. При этом требовались датчики время значительно увеличивается. Они «ух типов: дающие информацию о гео- используются в различных отраслях Метрических параметрах шва и дающие промышленности, информацию о положении сварочной Вторая группа датчиков используется в следящих системах для направления электрода по стыку, а также для вопросам показали принципиальную возможность построения датчиков на электромагнитном, фотоэлектрическом и телевизионном принципах. С использо­ванием этих принципов в настоящее время в СССР разработаны бесконтакт­ные датчики, позволяющие заметно приблизить точку измерения величины регулируемого параметра объекта к сварочной дуге.

Наиболее интересные принципиаль­ные и конструктивные решения при проектировании датчиков были предло­жены Н. С. Львовым, Э. А. Гладковым, В.                К. Лебедевым, Р. М. Широковским, Ю. А. Паченцевым, Н. Г. Котовой, М. А. Кудрявцевым, В. А. Виноградо­вым и другими. Датчики первого типа (в основном фотоэлектрические) наш­ли применение в системах автоматиче­ского регулирования величины проплавления.

В качестве контролируемого параметра шва в этих системах выбирается либо глубина проплавления (в случае свар­ки с неполным проплавлением), либо ширина проплавления (в случае сварки с полным проплавленном).

Величину проплавления оценивают по температуре на внешней или внут­ренней поверхности изделия. При этом для более точного измерения парамет­ров проплавления часто в конструкции датчика используют специальные опти­ческие фильтры, ограничивающие об­ласти его спектральной чувствительно­сти. Из разработанных систем этого типа следует отметить САР глубины проплавления при сварке труб, разра­ботанные в Уралчерметавтоматпке и МВТУ им. Н. Э. Баумана и систему автоматического регулирова­ния проплавления при сварке электро­

коррекции жестких программ в устрой­ствах с цифровым программированием перемещения сварочной горелки по ли­пни стыка. Разработаны бесконтактные датчики, работающие на электромагнитом, фотоэлектрическом и телевизи­онном принципах. Выбор датчика опре­деляется технологическими условиями сварки. Наиболее известны в этой об­ласти работы, выполненные в ИЭС пм. Е. О. Патона (Р. М. Широков­ским, Ю. А. Паченцевым), в МВТУ им. Н. Э. Баумана (Э. А. Гладковым, Н. С. Львовым), в Институте автомати­ки АН УССР (В. Г. Котовой), во ВНИИЭСО (В. В. Смирновым) н др. Системы с фотоэлектрическими датчи­ками изготавливаются с возможностью управления по одной и двум координа­там  и используются главным образом для слежения по опорной линии, наносимой на изделие перед сваркой. Из систем с фотоэлектриче­ским датчиком можно отметить двухко­ординатную систему, разработанную в Волгоградском НИИТМАШ и внед­ренную при сварке кольцевых швов обечаек, и следящую систему типа У-351, разработанную в ИЭС им. Е. О. Патона и испытанную на Челя­бинском трубопрокатном заводе при сварке различных труб диаметром 1220-1420 мм.

Достаточно широкое применение в системах направления электрода по стыку нашли электромагнитные н те­левизионные датчики. С применением индукционного датчика в ИЭС им. Е. О. Патона разработана и внедрена в производство следящая система СИ-1, которая используется при сварке алю­миния. В МВТУ им. Н. Э. Баумана с электромагнитным датчиком краевого эффекта н индукционным датчиком наготовлена серия следящих систем для направления электрода по стыку при сварки продольных и кольцевых стыков труб. Точность слеже­ния ±1 мм. С применением телевизион­ных датчиков разработана серия следя­щих систем, используемых для направ­ления электрода по стыку при аргоно- дуговой сварке. Достоинством этих установок является возможность дистанционного наблюдения и контро­ля процесса сварки, возможность об­служивания одновременно нескольких сварочных машин одним оператором, повышение комфорта и производитель­ности труда. Разработана телевизи­онная система (на базе установки ПТУ-37) для наблюдения за процессом сварки и направления электрода по стыку при сварке внутренних швов труб большого диаметра на Харьковском трубном заводе. При приме­нении этой системы значительно повы­шается точность направления электро­дов по стыку и облегчается работа оператора. При разработке систем с те­левизионными датчиками (в теорети­ческом плане) решены задачи фильт­рации мощного светового излучения дуги, являющегося помехой при пере­даче изображения, построены удачные алгоритмы обработки информации по­лезного сигнала на фоне помех и т. д. Бесспорно, телевизионным системам по мере их совершенствования принадле­жит большое будущее.

Основным недостатком следящих си­стем с электромагнитными и телевизи­онными датчиками, работающими не­посредственно по линии стыка, следует считать наличие методической ошибки из-за опережающего положения датчи­ка относительно сварочной горелки. Поэтому возможная кривизна стыков, свариваемых с помощью таких систем, ограничивается величиной не более 10 мм на погонный метр шва.

(ЗУ). Разработаны различны» принципы реализации такого устрой­ства на функциональных элементах (конденсаторах, магнитной ленте) и с использованием цифровой техника. Возможен и иной принцип построения следящих систем для сварка . стыков значительной кривизны — ; без использования в них запоминающих устройств. Такие устройства реализуются с использованием обработка : по специальному алгоритму сигнала  о кривизне, поступающего от датчика  стыка.

Определенные усилия ученых в 70-х.  годах направлены и на разработку особой группы систем, используемых для  направления электрода по стыку с кри­волинейной образующей в вертикальной плоскости и в пространстве. Это  бескопирные системы, используемые  при сварке изделий некруглой формы  для изделий с криволинейной образую-щей в вертикальной плоскости. Подоб­ные системы позволяют решать задача  обеспечения положения оси электрода  по нормали к поверхности изделия,  стабилизации напряжения дуги, стабилизации вектора скорости сварки по величине и в пространстве с точностью до 5% .

В 70-х годах ученые ИЭС им. Е. 0. Патона вплотную подошли к задаче создания промышленных роботов для дуговой сварки. Уже в 1972 г. Б. Е. Патоном и Г. А. Спину была создана мето­дика и даны рекомендации при построе­нии роботов для контактной и дуговой сварки.

В работе [50] предложена оригиналь­ная методика внешнего программиро­вания движения рабочего органа про­мышленного робота при дуговой сварке, позволяющая упростить процедуру программирования сварочного станка типа робот, с использованием серийных ЭВМ небольшой мощности. В ИЭС им. Е. О. Патона были изучены конст­руктивные особенности и принципиаль­ные решения при реализации систем управления некоторых промышленных

мощью промышленных роботов, как правило, необходимо использовать спе­циализированное оборудование, позво­ляют^ программировать основные па­раметры режима сварки. В работе ф. Н. Киселевским, Г. А. Спыну и др. были впервые сформулированы основ­ные научные положения и описана си­стема группового управления промыш­ленными роботами на базе управ­ляющего вычислительного комплекса М-400. В ближайшие годы следует раз­рабатывать автоматические линии, в ко­торых дуговую сварку возможно будет выполнять с помощью промышленных роботов.

Г. А. Спыну, И. О. Шейко и другими исследователям и были изучены технико- экономические и социальные аспекты применения промышленных роботов для сварки. Исследования показали, что использование роботов позволит ос­вободить человека от тяжелого ручного труда, от работы в неблагоприятных условиях, а также значительно сокра­тить численность рабочих, занятых в вечерние и ночные смены, исклю­чается и фактор квалификации опера­тора в цикле производства.

Развивается научное направление по созданию адаптивных роботов, что позволит существенно расширить об­ласть их применения.

Первый робот для дуговой сварки уже создан в ИЭС им. Е. О. Патона, изучаются его технологические возмож­ности, надежность функционирования всех механических и электрических си­стем. Существенно ускорится выпуск серий промышленных роботов и расши­рятся их возможности в производстве с разработкой унифицированных узлов сварочного оборудования, с использо­ванием в системах управления роботом датчиков обратной связи по парамет­рам процесса на базе описанных выше разработок.

Во ВНИИЭСО проводятся работы по разработке унифицированных узлов

рубежом систем управления сварочным процессом; различных типов датчиков сигнала обратной связи; намечен план работ, в результате которых на основе разработанных унифицированных уз­лов можно будет конструировать авто­матические и полуавтоматические ли­нии с использованием роботов, удов­летворяющие различным требованиям производства и отличающиеся большой универсальностью и гибкостью пере­стройки.

Одна из важных проблем управле­ния— создание АСУ технологическим процессом сварки. Это системы более высокого класса и больших возможно­стей в отношении управления процес­сом сварки в целом. Управление здесь может быть построено по различным технологическим критериям качества сварки. При реализации таких систем широко будут использоваться ЭВМ спе­циального и общего назначения, раз­личные системы автоматического регу­лирования с датчиками сигнала обрат­ной связи по параметрам процесса. Возможно одновременное управление несколькими сварочными автоматами и целыми линиями. Все имеющиеся в настоящее время разработки различ­ных систем управления процессом сварки являются прочным фундамен­том, на котором могут быть в ближай­шее время построены различные АСУТП дуговой сварки.

Широко в ближайшие годы будут внедрятся и системы комплексной ав­томатизации сварочного производства в целом. Они обеспечат автоматическое управление не только сварочным про­цессом, но и различными транспортны­ми и сборочными операциями.

Добавить комментарий