2.4. Системи автоматичного регулювання вильоту електрода

Стабілізація вильоту електрода як одного з важливих параметрів режиму може бути самостійним завданням автоматичного регулюван­ня під час дугового зварювання. Від величини вильоту електрода під час зварювання на підвищених густинах струму залежать енергетичні характеристики, стабільність і характер перенесення електродного металу. Найчастіше збурення за вильотом електрода спричинює порушення встановлених параметрів режиму під час безперервного багатопрохідного зварювання, зварюванні кільцевих швів, розміще­них у вертикальній площині з радіальним биттям, яке мають вна­слідок неточності підготовки і складання виробів, зварюванні криво­лінійних швів у вертикальній площині та в інших подібних ви­падках.

Для безпосередньої стабілізації вильоту електрода (відстані між струмопідводом і виробом) можуть використовуватись механічні системи копіювання з «плаваючою» зварювальною головкою або мунд­штуком чи пристрої, що забезпечують піднімання головки на зазда­легідь встановлену величину в міру виконання багатослойного шва. «Плаваюча» зварювальна головка спирається копірним роликом чи щупом безпосередньо на зварюваний виріб поблизу зони зварювання. В процесі руху зварювального апарата «плаваюча» головка або «пла­ваючий» мундштук копіюють вертикальні нерівності поблизу зони зварювання, забезпечуючи тим самим стійкість вильоту. Іноді з ме­тою підвищення чутливості копіювальних пристроїв їх обладнують вимірювальними перетворювачами (наприклад, потенціометричними), які перетворюють переміщення копіювального елемента в електричний сигнал. Якщо висота кожного валка багатошарового шва може бути визначена з певною точністю заздалегідь, то під час багатопрохідного зварювання можна застосувати систему програмного керування вильотом. Вона має електромеханічний програмний пристрій, який забезпечує піднімання зварювальної головки на заздалегідь встанов­лену величину в міру заповнення зазору між кромками. Основний недолік систем копіювання — неможливість суміщення зон копіювання і зварювання, внаслідок чого зміни вильоту в зоні зварювання і переміщення «плаваючої» головки виявляються неадек­ватними. Компенсація транспортного запізнювання шляхом запам'я­товуючих пристроїв значно ускладнює систему і знижує надійність її роботи. Крім того, застосування копіювальних пристроїв можливе для обмеженої кількості типів виробів і видів зварних швів. Від­сутність зворотних зв'язків за фактичним значенням вильоту електро­да і електричними параметрами дуги робить розглянуті системи нечутливими до змін вильоту внаслідок коливань напруги дуги, швидкості плавлення електрода

тощо.

Щоб безпосередньо контролювати величину вильоту у системах його автоматичного регулювання (АРВ), можна застосовувати фото­електричний датчик, корпус якого жорстко з'єднано зі струмопідвідним мундштуком, а оптична вісь орі­єнтована на перехідну область між кін­цем плавкого електрода і стовпом дуги (рисунок 2.16).

Рисунок 2.16 – Система АРВ із фо­тоелектричним датчиком

Світловий потік від цієї області перетворюється датчиком Д в електричний сигнал U_R, який порівню­ється у СК з еталонним сигналом U_o, При змінюванні відстані між струмопідводом і зварюваною поверхнею зміню­ватиметься (внаслідок саморегулювання довжини дуги) довжина нерозплавленої частини електрода і світловий потік бу­де зменшуватися (при збільшенні вильо­ту) або зростатиме (при зменшенні

вильоту) порівняно з його номінальним значенням. Сигнал роз-узгодження, виділений у СК, після підсилювача-перетворювача ПП використовується для керування двигуном М. Останній, за по­середництвом редуктора Р, здійснює піднімання чи опускання стру-мопідвідного мундштука разом із закріпленим на ньому датчиком доти, доки у полі огляду датчика знову не буде перехідна зона «елект­род— дуга». При цьому сигнал датчика за значенням порівнюється з еталонним сигналом і система приходить до стану рівноваги.

Отже, переміщення мундштука у вертикальній площині, копію­ючи нерівності зварювальної поверхні, забезпечують збереження сталості вильоту електрода. Точність

стабілізації вильоту, на­приклад під час зварювання алюмінію плавким електродом у середо­вищі аргону, становить ±0,25 мм. Істотними недоліками розгля­нутої системи АРВ є конструктивна складність і неможливість ви­користання її у тих випадках, коли вимірювання світлового потоку від торця ускладнене конструктивними елементами, при багато­шаровому зварюванні стиків із малим зазором поміж кромками тощо.

Змінювання вильоту супроводжується таким перерозподілом потужностей, споживаних у дузі P_д і на вильоті електрода Р_в, що їх сума, яка потрібна для плавлення електрода при сталій швидкості його подавання, не змінюється:

(2.13),(2.14),(2.15)

де R_в — опір вильоту; — сума анодного спадання

напруги і роботи виходу електрода.

Із сумісного розв'язку (2.13) — (2.15)

випливає, що відхилення вильоту супроводжуватимуться відповід­ними змінами струму дуги. Якщо під час автоматичного зварювання плавким електродом у середовищі захисних газів застосовуватимуть джерела живлення з жорсткими зовнішніми характеристиками, то статична

помилка за напругою дорівнюватиме нулю (рис. 2.17) і статична помилка за струмом дуги використовува­тиметься як джерело інформації про виліт.

У системі АРВ із зворотним зв'язком за струмом (рис. 2.18) спадання напруги U_ш на шунті R_ш, пропорційне фактичному значен­ню струму, після попереднього підсилення зрівнюється з напругою U_Q, яка відповідає заданому значенню струму. Різницевий сигнал

1 — зовнішня характеристика дже­рела живлення; 2, 3 — характери­стика стійкої роботи за умов різ­них вильотів електрода

М

Рисунок 2.17 – Вплив вильоту елек­трода на режим зварювання

Рисунок 2.18 – Система АРВ із зворотним зв'яз­ком за струмом

П — механізм подавання електродного дроту; CM — струмопідвідний мундштук; Р — редуктор; ПП — порівнювальний пристрій; П1 — поперед­ній підсилювач сигналу головного зворотного зв'язку; П2 — підсилювач потужності; С — сиг­налізатор; ДЖ — джерело живлення

після підсилення за потужністю П2 використовують для керування сигналізатором С граничних значень вильоту і виконавчим двигу­ном М. Останній через редуктор Р переміщує струмопровідний мундштук вгору чи вниз до того

часу, доки зварювальний струм не дорівнюватиме встановленому. При цьому сигнал на вході П2 до­рівнюватиме нулю і система набуде стану рівноваги.

Такі системи забезпечують стабілізацію струму як при відхилен­нях вильоту електрода, так і при появі інших збурень, які порушу­ють встановлений режим зварювання і, по суті, є системами автоматич­ного регулювання струму дуги (АРСД) із дією на виліт електрода. Вибір керуючих дій при побудові системи типу АРСД виявляється досить обмеженим. Стабілізація струму дуги дією на швидкість пода­вання електрода не знайшла практичного застосування, оскільки така система фактично виявилася б системою стабілізації швидкості пода­вання, що можна здійснити і без спеціального регулятора, наприклад із урахуванням саморегулювання дуги — системи АРДС. Дія на опір джерела живлення чи іншого пристрою, послідовно ввімкненого до зварювального кола для цієї мети, не бажана при способі зварювання, який розглядається. Це пояснюється тим, що внутрішній опір дже­рела живлення з жорсткими характеристиками дуже малий, а будь-яке вмикання у зварювальне коло спеціальних регульованих опорів спричинює збільшення кута нахилу зовнішньої характеристики. Одночасно з цим стрімко знижується інтенсивність процесу саморе­гулювання і втрачаються технологічні переваги, притаманні жорст­кій характеристиці джерела живлення.

Рисунок 2.19 – Статична характери­стика системи АРСД із дією на виліт електрода

Використання опору вильоту електрода під час зварювання у захисних газах на підвищених густинах струму (див. рис. 2.6— ІІІ) як керуючої дії у системі АРСД мож­ливе внаслідок інтенсивного розігріван­ня вильоту електрода струмом, що про­тікає крізь нього, і збільшення його опору до значень одного порядку з опо­ром джерела живлення. Так, під час зва­рювання у вуглекислому газі дротом Св-08Г2С діаметром 1,2 мм при зміні вильоту на 1 мм відхилення струму мо­жуть становити 10—12 А.

Статична характеристика системи АРСД з дією на виліт електрода (рисунок 2.19) утворена граничними зовніш­німи характеристиками 1 і 2 живильної системи, які відповідають мінімальному і максимальному значенням опору вильоту, та харак­теристикою 3 регулятора:

Діапазон можливих змін вильоту електрода знаходиться у межах

де L_{в max} — максимальний виліт, при якому підігрівання його стру­мом, що протікає крізь нього, порушує стійкість плавлення електрода. Оскільки в реальних умовах можливі зміни вильоту обмежені, подібні системи АРСД використовуються не для налагодження зна­чення зварювального струму, а для стабілізації його в умовах різних збурень. Відмінною особливістю системи АРСД, яка розглядається, є те, що вона астатично відпрацьовує збурення за вильотом електрода. Однак стабілізація вильоту електрода забезпечується тільки за умови сталих швидкостей подавання, поперечного перерізу електродного дро­ту та застосування стабілізованого джерела живлення.