2.7 Керування параметрами поперечного перерізу швів

Стабілізація основних параметрів зварювального режиму дає змогу забезпечити достатньо малі відхилення значень лінійної енергії від розрахункової. Однак при цьому технологічні збурення, такі як зміна товщини зварюваного металу, ширини зазора, кута скосу або кривини поверхні кромок, притуплення їх, температури попереднього підігрівання та інші лишаються за контуром керування і не враховуються при виробленні регулюючої дії. У цих умовах за­побігання неприпустимим відхиленням розмірів поперечного пере­тину швів, які задають відповідними стандартами або технічними умовами, потребує реалізації складніших законів керування пара­метрами режиму дугового зварювання. При цьому слід враховувати, що зміна лінійної енергії достатня для регулювання термічними циклами під час дугового зварювання, але недостатня для того, щоб керувати формою шва, оскільки струм, швидкість переміщення і на­пруга дуги по-різному впливають на форму шва при незмінній ліній­ній енергії.

Керування процесом зварювання можливе на основі застосування математичних моделей, які встановлюють залежність регламентовано­го параметра процесу зварювання—ширини шва або глибини проплавлення — від технологічних умов (товщини металу, зазора між зварюваними деталями, діаметра електродного дроту) і параметрів режиму (напруги і струму дуги, швидкостей зварювання і подавання дроту). Системи керування повинні мати обчислювальні пристрої для розрахунку на основі моделей значень параметрів зварювального режиму (за даними поточного контролю відповідними датчиками технологічних параметрів) і виконавчі пристрої для коригування зварювального режиму і положення пальника відносно стику зварю­ваних кромок.

Створення замкнених систем керування, які забезпечують потрібні геометричні параметри зварювального шва на основі вихідної і по­точної інформації про умови зварювання, при максимальній продук­тивності процесу і мінімальних витратах зварювальних матеріалів найповніше відповідає вимогам повної автоматизації дугового зварю­вання.

Деякі частинні розв'язки загального завдання керування розмірами зварних швів грунтуються на набутій у процесі зварювання інформа­ції про глибину проплавлення як параметра найчутливішого до більшості характерних збурень, особливо тих, які важко усунути — технологічних. Оскільки безпосередній контроль розміру проплав­лення у процесі зварювання технічно ускладнений, як правило, вимірюють еквівалентні величини — світлове чи теплове випромінення від плями нагрівання зі зворотного боку шва або температур в центрі цієї плями. Якщо зварювання стикових з'єднань однобічне, про постійність розміру провару у стику може свідчити незмінність ширини шва зі зворотного боку стику. У системах автоматичного керування на основі інформації про глибину проплавлення як ре­гулюючі дії можуть використовуватися зварювальний струм у без­перервному чи імпульсному режимах, амплітуда поперечних коли­вань електрода, швидкість зварювання та ін.

Контроль температури нагрівання зварюваного металу у корені шва можна здійснити, наприклад, фотоелектричними датчиками. Однак сигнали, здобуті від них, відображують сумарне випроміню­вання шва по всій площі візування, що, як показує досвід, недо­статньо повно характеризує зміни проплавлення у процесі зварю­вання. Системи регулювання проплавлення з такими датчиками реа­гують із запізненням на збурення, які супроводжують процес зва­рювання, і вимагають застосування спеціальних систем керування положенням датчика для пошуку точки візування і синхронного пе­реміщення датчика з плямою нагрівання [1]. Спроби позбутися цих Недоліків зменшенням площі візування ділянки, випромінення якої використовується для того, щоб контролювати проплавлення, не дали позитивних результатів, оскільки у процесі зварювання максимально нагріта ділянка змінює своє положення і навіть може виходити із зони візування.

Більші можливості дає метод сканування зони кореня шва за допомогою телевізійного датчика на відиконі. З інформації, здобутої на його виході, може бути виділений сигнал, пропорційний макси­мальному випромінюванню в області сканування. Такий датчик має малу інерційність і при його використанні площа візування може бути встановленою більшою за площу плями випромінювання. Це дає змогу усунути вплив зміни положення цієї плями на сигнал датчика, а у поєднанні з відеоконтрольним пристроєм здійснювати і візуальне спостереження за процесом зварювання.

Досвід застосування телевізійного датчика під час зварювання вольфрамовим електродом в аргоні стикових з'єднань неіржавіючої сталі показав, що існують пропорційні залежності між сигналом дат­чика і глибиною проплавлення, а також між сигналом датчика і ши­риною зварного шва зі зворотного боку стику (рисунку 2.29).

У системі автоматичного регулювання проплавленням (рисунку 2.30) із релейним законом керування зварювальним струмом як датчика застосована телевізійна камера на відиконі ЛІ-437 [10]. Випроміню­вання зі зворотного боку шва 1 (рис. 2.30) оптичною системою дат­чика 2 передається до мішені його відикону. У датчику здійснюється відрядкове сканування плями нагрівання і здобутий на його виході сигнал подається до блоку 5, де відбуваються потрібна корекція і підсилення сигналу. В блоці 4 напруга сигналу датчика U_д порівню­ється з еталонною напругою U_eт, яка задає ширину кореня шва. Коли U_д < U_ет, то зварювальний струм, здобутий від джерела живлення 5, характеризується значенням I_в, яке перевищує струм, що забезпечує заданий розмір проплавлення. Коли U_д > U_ет, зва­рювальний струм встановлюється на рівні I_н, явно меншому від по­трібного для забезпечення заданого розміру проплавлення. Отже, зварювання здійснюється при живленні дуги фіксованими значеннями струмів, увімкнення яких провадиться залежно від зміни вихідного сигналу телевізійного датчика 2 системи.

Блок 6 — відеоконтрольний пристрій, на екрані якого можна спо­стерігати положення нагрітої плями у зоні стику. Як джерело живлення 5 може бути застосоване серійне джерело живлення типу ВСВУ. Керування зварювальним струмом у цьому разі здійснюється прямокутними імпульсами напруги змінної тривалості і амплітуди, які формуються на вході блоку 4.

При однобічному зварюванні стикових з'єднань листових матеріа­лів завтовшки 0,8—2,5 мм і швидкостях зварювання до б • 10~³ м/с система гарантує утворення зварних швів із повним проплавленням у стику і стабілізацією ширини шва зі зворотного боку стику з точ­ністю не гірше як ±20 % при: а) зміні швидкості зварювання до ±50 %; б) зміні зазора у стику від 0 до 0,3 мм і перевищенні зварю­ваних кромок до 30 % від товщини зварюваних деталей; в) появі в про­цесі зварювання різнотовщинності зварюваних кромок до ±30 %.

Я кщо зворотний бік шва недосяжний для того, щоб розмістити датчики (зварювання кільцевих стиків довгих труб малого діаметра, приварювання до труб запірної арма­тури і виконання інших подібних з'єд­нань), щоб контролювати наскрізне проплавлення, можна скористатись із способу, який засновано на залежно­сті напруги дуги від її довжини і

Рисунок 2.29 – Зміна сигналу датчика за­лежно від ширини b шва зі зворотного боку стику зі швидкістю зварювання 5 • 10^-3 м/с і товщиною основного ме­талу 1,2 мм (1) та 2,5 мм (2)

Рисунок 2.30 – Система автоматичного ре­гулювання проплавлення

а — характер змін тис­ку р захисного га­зу зі зворотного бо­ку шва, напруги U і струму і_д дуги; б — послідовні стадії форму­вання шва: на початку проплавлення І, при на­скрізному проплавленні ІІ і після затвердіння металу зварювальної ванни ІІІ

Рисунок 2.31 – Спосіб ви­значення наскрізного проплавлення при ІДЗ

утворенні примусових коливань рідкого прошарку під дугою шля­хом пульсації тиску захисного газу зі зворотного боку шва. Досягнення наскрізного проплавлення визначають за появою регулярних коливань напруги зварювальної дуги, які збігаються за частотою з вимушеними пульсаціями захисного газу. Для надійного виділення інформативного сигналу додатково аналізують зміни амплітуди коливань напруги дуги. Наскрізний провар вважають досягнутим при монотонному зростанні цієї амплітуди у 2—3 су­міжних періодах коливань тиску захисного газу.

Якщо під час імпульсно-дугового зварювання (ІДЗ)

досягнуто провару, то провадять зниження зварювального струму до рівня струму чергової дуги. Затримкою часу t₃ між моментом фіксації досягнення наскрізного провару t_пp і переходом до струму чергової дуги t_п регулюють величину g опуклості металу з боку кореня шва (рисунку 2.31). При зварюванні дугою, яка горить безперервно, алгоритм керування процесом повинен передбачати стабілізацію параметрів зварювального режиму, що забезпечують провар.

Ф ункціональну схему системи контролю проплавлення при ІДЗ стиків труб малого діаметра показано на рисунку 2.32. Керуюча мікроЕОМ (КЕОМ) через пристрій спряження з об'єктом ПСО вмикає джерело зварювального струму ДЗС і задає частоту f роботи пульсатора ПГ захисного газу — аргону Аr, який подається в порожнину труб. Щоб створити достатній тиск всередині труби, при мінімізації витрат аргону застосовано дросель Др.

Рисунок 2.32 – Система контролю наскрізного про­плавлення

Після досягнення наскріз­ного проплавлення у момент t_пр (див. рисунок 2.31) рідкий метал зварювальної ванни починає коливатися з часто­тою f. При цьому змінюються довжина дуги l_д та її напруга U_д. Змінна складова U_д час­тотою f виділяється аналого­вим смуговим фільтром Ф, який забезпечує попереднє заглушення вищих гармонік частоти мережі, і надходить до КЕОМ, де відбувається додаткова цифрова фільтрація цього сигналу. В результаті застосування такої двокаскадної комбінованої схеми фільтрації і виді­лення сигналу досягнення наскрізного проплавлення забезпечується заглушення завад, підсилення інформативної складової аналізованого сигналу. Після досягнення наскрізного проплавлення КЕОМ із за­тримкою часу t₃ перемикається ДЗС на струм чергової дуги і починав виконувати алгоритм переходу до зварювання наступної точки.

Швидкодії системи сприяє підвищення частоти f пульсації аргону. Однак із зростанням f в результаті неминучої інерційності пневматичної системи прогресивно знижується перепад тиску все­редині труби, відповідно зменшуються розмах коливань довжини дуги і рівень інформативного сигналу. Щоб забезпечити коливання зварювальної ванни з амплітудою, достатньою для зміни напруги дугового проміжку, що реєструється, при збереженні задовільної швидкодії, треба частоту пульсації аргону встановити у межах 4— 20 Гц. Наприклад, при зварюванні труб діаметром 8 мм оптимальною є частота 8 Гц, яка дає змогу видати інформацію про досягнення на­скрізного проплавлення у систему керування не пізніше як через 0,3 с. Застосування розглянутої системи при зварюванні труб з титану діаметром 8 мм із відхиленням товщини стінки ±15 % від номіналь­ного значення забезпечило при гарантованому наскрізному проплав­ленні стику кромок стабілізацію опуклості металу з боку кореня шва до рівня g<<0,2 мм [34].