5 Керування процесами контактного зварювання і зварювання тиском

5.1 Контактне точкове (шовне) зварювання як об'єкт автоматичного керування

Об'єкт автоматичного керування під час контактного зварювання — технологічний процес, який характеризується електричними і тепло­вими полями, а також пластичними деформаціями в зоні зварювання.

Керуючі і збурюючі дії, що визначають формування зварного з'єднання, додаються до зварювальної машини та безпосередньо в зону зварювання. Основними параметрами процесу точкового (шовного) зварювання є такі: зварювальний струм /_зв; час зварювання t_3B, а для шовного зварювання час імпульсу t_t та час паузи t_п між імпульсами зварювального струму; зусилля стиснення F_CT електродів; розміри робочої поверхні електродів та роликів; для шовного зварювання режим характеризується швидкістю переміщен­ня v_3B зварюваних деталей. Щоб забезпечити високу продуктивність процесу та потрібний рівень показників якості зварних з'єднань, систе­ми керування устаткуванням для точкового (шовного) зварювання по­винні відповідати специфічним вимогам.

Так, похибка задавання і дотримування встановлених значень ос­новних параметрів зварювального режиму повинна бути не більшою як 3—5 % для електричних параметрів і 8—10 % — для механічних. Час вмикання та вимикання заданого струму повинен відпрацьовува­тися точно за періодами напруги мережі. Закони змінювання струму можуть бути лінійними, експоненціальними або будь-якими, що вима­гаються згідно із заданою програмою.

Діапазон регулювання параметрів із урахуванням можливості дії кількох збурень повинен бути не меншим як 30—40 % від заданого значення. Так, зниження I_зв на 10 % може призвести до зменшення діаметра ядра і відповідно міцності з'єднань при зварюванні сталей на 20—25 % від номінального значення. Такі самі параметри, як зварю­вальне та кувальне зусилля стиснення електродів, допускають зміну в межах 10—15% від номінальних значень без істотного погіршення якості зварних з'єднань.

Зварювальний струм I_зв — один із основних параметрів, що визна­чає режим зварювання та якість зварного шва. Спосіб амплітудного за­давання та регулювання I_зв полягає в зміні його діючого значення при перемиканні ступенів зварювального трансформатора або в зміні на­пруги заряджання U_зар батареї конденсаторів під час конденсаторно­го зварювання (рисунок 5.1, а, б).

Найбільшого поширення набув спосіб фазового регулювання діючо­го значення струму при зміні фази вмикання вентильного (тиристорно­го) контактора (рисунок 5.1, в).

З позицій автома­тизації найзручнішим є електромагнітний привод, який застосову­ють тільки до машин малої потужності.

а — амплітудне регулювання при перемиканні ступенів 1, 2 зварювального трансформатора; б — амплітудне регулювання під час конденсаторного зварю­вання (1-U_зар1, 2-U_зар1, U_зар1>U_зар2); в-фазове регулювання ( )

Рисунок 5.1 – Задавання зварю­вального струму

Час зварювання t_3B у зварювальних машинах змінного струму зада­ють при вмиканні вентильного (тиристорного чи ігнітронного) контакто­ра на потрібний час, який вимірюється числом періодів живильної мережі (рисунок 5.2, а).

При однопівперіодному зварюванні тривалість імпульсу I_зв можна регулювати зміною фази напруги, яка керує вмиканням вентилів (рисунок 5.2, б). При конденсаторному зварюванні тривалість імпульсу струму залежить від ємності С_зар і коефіцієнта трансформації К зварю­вального трансформатора (рисунок 5.2, в, г).

Зусилля стиснення F_CT електродів при механічному приводі задаєть­ся тягарями або пружинами та системами важелів, а при пневматичному і пневмогідравлічному приводах регулюється редукторами тиску. Як що зварювальна машина мав електромагнітний привод стиснення, то F_ст визначається струмом в обмотці електромагніту.

а — при зварюванні на змінному струмі (t₂ > t_t); б — при однопівперіодному зварюванні ( ); в-при змінні зарядної ємності (1-С₁, 1-С₂, С₁-С₂, t₁-t₂); г-при змінні коефіцієнта коефіцієнта трансформації (1-k₁, 2-k₂, k₂>k₁, t₂-t₁)

Рисунок 5.2 – Задавання часу зварювання

Рисунок 5.3. Циклограма роботи зварю­вальної машини

К - контактор; БК — блок керування; ЗТ — зварювальний трансформатор; ПС — привод стиснення; ВК — вторинний кон­тур; ЗВ — зварювальний виріб

Рисунок 5.4 – Збурюючі дії під час зварю­вання

Найчастіше застосовують ступінчасте регулювання тиску в пнев­матичному або пневмогідравлічному приводі, забезпечуючи потрібний цикл (рисунок 5.3): t_x...t₂ — попереднє стиснення деталей; t₂...t₃ — стис­нення у процесі проходження зварювального струму; і_я...і₄ — підви­щене зусилля стиснення під час кування. Такий цикл задають вмикан­ням у моменти часу t_x...t₄ електропневмоклапанів, які забезпечують по­давання повітря в певні камери привода стиснення.

Розміри робочої поверхні електродів (їхній діаметр при точковому зварюванні, радіус заточування і ширина робочої поверхні роликів при шовному зварюванні) істотно впливають на розміри зварного шва і за­даються перед зварюванням.

Задавання і стабілізація керуючих дій із потрібною точністю ще не гарантують виконання зварних з'єднань із потрібними міцнішими ха­рактеристиками, оскільки через вплив різних збурень процес зварю­вання протікає в умовах, відмінних від номінальних (рисунок 5.4).

На зварювальну машину разом із тиристорним контактором і ре­гулятором циклу зварювання діють такі збурення: коливання напруги живильної мережі ; зміна опору контура машини (активно­го r_к та індуктивного ); зміна зусилля стиснення електродів внаслідок змін тиску в повітряній мережі або сил тертя в приводі стиснення; зміна геометричних розмірів робочої поверхні електродів (діаметра електрода при точковому зварюванні і ширини ролика при шовному зварюванні), а також зміна швидкості при шовному зва­рюванні. До збурень, які діють безпосередньо на зварне з'єднання, на­лежать: зміни товщини або інших розмірів зварюваних деталей , опір контакти деталь — деталь внаслідок наявності різних плівок і ока-лин; шунтування зварювального струму раніш звареними точками за­лежно від кроку між ними або випадковими контактами внаслідок нерівностей зварюваних листів та ін.

Крім перелічених збурень, можливі й інші, які через незначні ве­личини меншою мірою впливають на процес (наприклад, зміна тепло­фізичних властивостей і хімічного складу металу, режиму охолод­ження електродів тощо).

Збурення, по-різному впливаючи на окремі етапи процесу зварю­вання, параметри режиму і роботу зварювальної машини, спричи­нюють порушення умов утворення зварного з'єднання і погіршення його якості.

Коливання напруги живильної мережі — збурення, що діє на зва­рювальну машину. Найнебезпечнішим є зменшення напруги живлен­ня, що призводить до непровару і зниження міцності зварної точки. Якщо підвищується напруга U_M, можуть виникати вибризкування рід­кого металу, пропали та ін. Напруга U_M протягом доби може зміню­ватися як плавно, так і стрибкоподібно, коли вмикають потужні спо­живачі енергії. Короткочасні зміни напруги можуть досягати від —25 до +15 % U_м.ном. Ці зміни суттєво впливають на процес зварю­вання і можуть значною мірою знизити якість виконуваних зварних з'єднань. Крім того, коливання U_M впливають на стабільність роботи блоків керування, що призводить до порушень заданого циклу зва­рювання.

Зміна опору вторинного контура зварювальної машини (активного та індуктивного) у процесі зварювання або протягом деякого часу спричинює зміну зварювального струму і енергії, яка виділяється у зоні зварювання, що впливає на якість зварювання. Зміна активного опору зумовлена нагріванням і спрацюванням струмоведучих частин зварювального контура, послабленням або окисленням контактів, особливо в місцях болтових з'єднань, а також ковзких контактів у шовних машинах. Індуктивний опір контура збільшується внаслідок уведення до цього контура значних феромагнітних мас. Зміна опорів контактних машин — одна з найнебезпечніших збурюючих дій, яка часто трапляється у виробничих умовах.

Зміна зусилля стиснення електродів у зварювальних машинах, що мають пневматичний і пневмогідравлічний приводи стиснення, залежить від коливань тиску в пневмосистемі і впливає на опір зва­рюваних деталей та на пластичну деформацію металу в зоні зварюван­ня. Якщо підвищується тиск, то збільшується площа стикання елект­рода з деталлю, що призводить до зменшення густини струму і не­провару. Зниження тиску супроводжується збільшенням опору зони зварювання і, як наслідок, підвищенням імовірності появи вибризку­вань і розкидів міцнісних властивостей з'єднання.

Зміна геометричних розмірів робочої поверхні електродів відбува­ється внаслідок природного спрацювання електродів. Ступінь спра­цювання залежить від багатьох факторів: режиму зварювання; зварю­ваного матеріалу; чистоти його поверхні; інтенсивності охолодження; стійкості матеріалу, з якого виготовлено електроди, тощо. В резуль­таті спрацювання електродів збільшується площа контактної поверхні, зменшуються густина струму та розміри литого ядра, що призводить до непровару.

Зміна опору зварюваних деталей внаслідок відхилень в умовах обробки їхніх поверхонь може відбуватися від зразка до зразка та від однієї партії виробів до іншої. Особливо це помітно на мате­ріалах, які вкрито окалиною, або оксидними плівками, що не усува­ються перед зварюванням. Опір зварюваних деталей може змінюватися також внаслідок змінювання товщини листів або діаметра круглих заготовок, наприклад прутків або дроту. Розкид значень опору дета­лей призводить до зміни тепловиділення у зоні зварювання і, як на­слідок, значного розкиду міцнісних характеристик зварних швів.

Шунтування зварювального струму спостерігають перш за все, якщо послідовно ставлять точки. За цих умов струм, що протікає через зварювану точку, може змінюватися внаслідок відгалуження якоїсь частини струму через раніше зварені точки.

Сумарне значення струму у вторинному контурі змінюється вна­слідок шунтування не на багато, однак зварювальний струм, що про-тікає безпосередньо через зварювану точку, може знижуватися до не­припустимого рівня. Із збільшенням товщини деталей і зменшенням відношення кроку точок до їхнього діаметра ступінь шунтування зростає.

Аналіз основних збурень при точковому повному зварюванні по­казує, що якість зварювання та її основний показник — міцність зварного шва — можуть значно знизитись, якщо на зварювальну ма­шину і зону зварювання діятимуть збурення. При відносно малому значенні окремих збурень одночасна дія на об'єкт у разі їхнього не­сприятливого поєднання також може спричинити неприпустиме зни­ження якості зварювання. Цим можна пояснити періодичне з'явлення дефектних з'єднань навіть за суворого дотримання технології зварю­вання.

Ступінь впливу та ймовірність виявлення розглянутих збурень різні і можуть по-різному відбиватися на якості зварних з'єднань за­лежно від умов зварювання, суворості дотримання технологічної дис­ципліни, ступеня спрацьовування устаткування та ін. Так, збурен­ням, яке зустрічається найчастіше і важко усувається, є коливання напруги мережі, тоді як зміни опору зварювального контура при на­лежній експлуатації устаткування можна практично усунути.

Кількісну оцінку ступеня впливу на якість зварювання різних збурень і будь-яких інших параметрів, які можна виміряти або роз­раховувати в процесі зварювання, можна дати на основі експериментально-статистичних даних із використанням методу дисперсійного аналізу. Метод [6] передбачає зварювання показної кількості зразків в умовах, що змінюються в допустимих межах основних параметрів режиму з одночасною реєстрацією енергетичних параметрів у зоні контакту, його опору та ін. Як вихідний показник звичайно беруть діаметр ядра точки. В результаті обчислення загальної дисперсії та її часткових складових для цього показника можливе встановлення значень кореляційних залежностей між діаметром ядра та окремими параметрами режиму. Такий підхід дає змогу обгрунтувати вибір найвпливовішого параметра режиму для конкретних зварюваних ма­теріалів і товщин. Так, для неіржавіючих сталей найефективнішим виявляється керування режимом за потужністю та енергією.

Системи автоматичного контролю та регулювання на основі моде­лі, яка використовує інформацію про один електричний параметр, не дають змоги з потрібною точністю розв'язувати поставлені завдання. Це примушує розробляти багатофакторні моделі процесу, до яких входили б водночас різні параметри режиму та процесу зварювання.

Щоб запобігти шкідливому впливу збурень на якість зварних з'єднань, треба широко застосовувати методи і пристрої автоматичного регулювання. Основне завдання регуляторів — стабілізація парамет­рів режиму зварювання або зміна їх за програмою, що забезпечує протікання процесу в оптимальних умовах.

Створення CAP точкового і шовного зварювання пов'язане з де­якими складностями, головна з яких — неможливість безпосереднього вимірювання в процесі зварювання основного показника якості; діа­метра ядра d_я точки. Крім того, складності виникають через особли­вості процесу зварювання: короткочасність та переривчастість харак­теру зварювального процесу; високі енергетичні параметри устатку­вання; сильні перешкоди, утворювані потужними електромагнітними полями зварювального контура.

Швидкодія — найважливіша вимога до регуляторів процесу кон­тактного зварювання, оскільки протягом короткого проміжку часу (близько 10^-2 с) повинні бути здійснені операції вимірювання ре­гульованої величини, порівняння її із заданим значенням і вироблен­ня керуючої дії. Потрібну швидкодію і точність можна забезпечити тільки на основі використання досягнень сучасної електронної та мі­кропроцесорної техніки.