5.4 Автоматичне регулювання параметрів точкового та шовного зварювання

Взаємозалежність параметрів процесів точкового і шовного зва­рювання значно ускладнює завдання побудови CAP, оскільки жоден із окремо взятих параметрів не містить повної інформації про законо­мірності формування зварного з'єднання. Ці параметри можна поді­лити на три групи. До першої належать електричні параметри: зва­рювальний струм І_зв; параметр I²_3Bt; потужність Р; енергія Q; спадан­ня напруги на електродах £/_ел; опір ділянки кола між електродами R_ел. До другої групи належать параметри, які характеризують тер-модеформаційний процес формування зварного з'єднання: темпера­тура Т; інтенсивність ІК-випромінювання S; переміщення електродів . Найбільшого поширення набули, виходячи з технічної доціль­ності, регулятори за одним із розглянутих параметрів.

У загальному випадку, незалежно від обраного регульованого па­раметра, функціональну схему замкненої CAP виконують за загаль­ною схемою (див. рисунок 1.6), в якій функції підсилювача виконує фазо­обертач із відповідною схемою керування, виконавчого пристрою — тиристорний контактор, який керує трансформатором зварювальної машини, що є об'єктом регулювання.

Автоматичне регулювання зварювального струму. В машинах контактного зварювання найбільшого поширення набула схема жив­лення змінним струмом промислової частоти. Досить широко застосо­вуються схеми живлення акумульованою енергією (в електричному полі конденсатора), а протягом останніх років — живлення постійним струмом або струмом низької частоти.

Струм вимірюють спеціальними вимірювальними перетворюва­чами, для чого використовують шунти, трансформатори струму, по­яс Роговського, датчики Холла та ін. Оскільки вторинні струми кон­тактних машин сягають кількох десятків і навіть сотень кілоампер, найзручнішим датчиком струму є пояс Роговського. Датчики Холла використовують для вимірювання великих струмів, однак вони не є достатньо стабільними, особливо під час коливання температури навколишнього середовища. Шунти і вимірювальні трансформатори на великі струми мають занадто громіздку конструкцію.

Пояс Роговського є тороїдом із немагнітного матеріалу, наприклад текстоліту, рівномірно обвитого тонким дротом, який надівають на

а — на пасивному RС-колі; б — із використан­ням операційного підсилювача

Рисунок 5.14. Принципова схема інтегратора

струмоведучі частини вторинного контура зварювальної машини. ЕРС на виході пояса Роговського пропорційна швидкості змінювання зварювального струму:

(5.9)

де — магнітна стала; F — поперечний переріз тороїда; — кіль­кість витків обмотки; l — довжина середньої лінії тороїда.

Напруга з тороїда подається на інтегратор, вихідна напруга якого виявляється пропорційною миттєвому значенню зварювального стру­му 4в. Найпростішим інтегратором є RC-коло (рисунок 5.14, а), на вихо­ді якого напруга приблизно пропорційна інтегралу від вхідного сиг­налу:

(5.10)

Якщо

Похибку інтегрування можна зменшити при використанні операцій­них підсилювачів на інтегральних мікросхемах (рисунок 5.14, б). Контакт S призначено для того, щоб встановлювати нульові початкові умови на конденсаторі. Дальше перетворення сигналу залежить від того, яке значення струму потрібно виміряти для регулювання: діюче I_зв, середнє I_ср або амплітудне 1_т. У машинах для конденсаторного зва­рювання, низькочастотних і постійного струму звичайно вимірюють амплітудне значення І_т. У машинах змінного струму —діюче I_зв або середнє значення струму /_ср. Діюче значення струму найтісніше по­в'язане з тепловими характеристиками процесу зварювання, однак іноді, щоб зробити простішою вимірювальну апаратуру, в системах регулювання використовують середнє значення струму. Щоб дістати діюче значення струму, слід виконати перетворення:

(5.11)

Середнє значення

(5.12)

де Т-період напруги живильної мережі.

Із порівняння формул (5.11) і (5.12) видно, що апаратурна реаліза­ція закону (5.12) значно простіша, ніж (5.11). Реалізацію закону (5.12) можна дістати, якщо на вхід інтегратора (рисунок 5.14, б) подати напругу, пропорційну зварювальному струму, а ключ S вмикати і вимикати синхронно з частотою живильної мережі. У цьому разів кінці кожного півперіоду Т/2 на виході схеми матимемо напругу, про­порційну середньому значенню струму. Отже, щоб дістати цю напругу, треба сигнал із виходу пояса Роговського проінтегрувати двічі. На­пруга, пропорційна змінному струму, порівнюється з еталонним зна­ченням. Здобутий сигнал помилки використовують для керування фазообертачем, що встановлює такий кут вмикання контактора, за якого середнє значення зварювального струму дорівнює заданому. Сучасні регулятори забезпечують стабілізацію зварювального струму з похибкою не більш як ±1...±2 %. Швидкодія схеми становить 2—3 періоди напруги живильної мережі. За рахунок деякого усклад­нення електронної схеми можна підвищити швидкодію до 1 — 0,5 періоду, що потрібно при зварюванні короткими імпульсами струму і програмному керуванні.

Застосування регуляторів струму дає змогу усунути вплив на якість зварювання коливань напруги живильної мережі, зміни опору контура машини внаслідок його нагрівання чи внесення феромагніт­них мас.

Регулятори параметра . Залежність між часом протікання зва­рювального струму і розмірами ядра точок дає змогу створити при­стрій для стабілізації міцності шва через регулювання часу зварюван­ня. Однак регулятори, які реалізують закон I_3Bt — const, недостат­ньо збільшують час зварювання, якщо зменшується струм, тобто пра­цюють із недокомпенсацією. Ліпше наближення до оптимального за­кону зміни часу зварювання дають регулятори, які підтримують ста­лим добуток квадрата зварювального струму (звичайно діючого зна­чення) на час зварювання I²_звt = const. Особливістю цих регуляторів є те, що вони діють на час проходження зварювального струму. Коли I_звt досягає заданого уставкою значення, припиняється подавання імпульсів вмикання на тиристорний контактор і зварювальний струм вимикається.

Принципову схему вимірювального пристрою регулятора наведе­но на рисунок 5.15. Схема складається з вхідного кола R_НС і двох опера­ційних підсилювачів DA1 та DA2, до того ж DA2 працює у режимі компаратора. Вхідний сигнал, пропорційний діючому або середньому значенню зварювального струму, подають на вхід схеми. Якщо дотри­мується умова , а нелінійний опір R_H має квадратичну залежність, то напруга на конденсаторі С

П

Рисунок 5.15 – Вимірювальний вузол регулятора параметра І²_звt

Рисунок 5.16 – Схема компенсації наведення під час вимірю­вання U_ел

ри U_c = U_зад в момент t₁ на виході компаратора з'являється напруга, яка забезпечує запирання тиристорного контактора і вими­кання зварювального струму в момент часу t = t₁.

Регулятори напруги. В регуляторах напруги на вхід вимірюваль­ного пристрою подається напруга, яку знімають із електродів зварю­вальної машини. Вимірювання спадання напруги між електродами пов'язане з певними складностями, які полягають у тому, що абсолют­не значення U_ел звичайно невелике і не перевищує 0,5—1,5 В. У той самий час на вимірювальне коло діє наведення від проходження зва­рювального струму, що складається з вимірювальною напругою і вносить визначену похибку. Існують методи компенсації цього наве­дення за допомогою зустрічно-ввімкненої напруги U_K, яка знімається з індуктивності, встановленої в контурі зварювальної машини (рисунок 5.16). У результаті вдається в певних межах зменшити похибку вимірювання U_ел. В усьому іншому принцип дії регулятора напруги аналогічний роботі регулятора струму.

Регулятори потужності і енергії. Вихідна напруга вимірювального вузла регулятора напруги повинна бути пропорційною добутку зва­рювального струму І_зв на спад напруги між електродами U_ел:

(5.13)

Особливість регулятора — це наявність пристрою для перемно­ження напруги, пропорційних I_зв та U_ел. Щоб дістати сигнал, про­порційний добутку двох величин, які задано у вигляді напруг постій­ного струму, використовують послідовне каскадне з'єднання широтно-імпульсного модулятора (ШІМ), лінійного амплітудного модулятора ЛАМ і фільтра середніх значень. На рис. 5.17 показано спрощену схему пристрою, в якому ШІМ зібрано на транзисторі VT1 і інтеграль­ному підсилювачі DA1, ЛАМ — на транзисторі VT2, а фільтр — на резисторі R6 і конденсаторі С2. На базу VT1 подають імпульси з частотою мережі, забезпечуючи швидке розряджання конденсатора С1, на якому формується пилкоподібна напруга. Ця напруга пода­ється на вхід підсилювача DA1, що працює в режимі компаратора.

На інший диференціальний вхід цього підсилювача подають напругу U_вх1, пропорційну зварювальному струму U_вх1 = кі_зв. На виході ком­паратора утворюються прямокутні імпульси, тривалість яких пропор­ційна І_зв. Ці імпульси керують амплітудним модулятором, на вході якого формуються імпульси тривалістю, що пропорційна і_зв і амплі­тудою, яка пропорційна . Фільтр середніх значень виді­ляє сталу складову , пропорційну потужності.

У регуляторах енергії перемножуючий пристрій забезпечує пере­множення трьох величин: I_зв, U_ел, t_зв. Дальше використання сигналів, пропорційних потужності або енергії, здійснюється так само, як у регуляторах струму та напруги. Стабілізація потужності чи енергії дає змогу усунути вплив багатьох збурень, а також спрацьовування електродів. Конструктивно ці регулятори складніші порівняно, на­приклад, із розглянутими регуляторами струму, оскільки містять пе-ремножаючі пристрої, які повинні забезпечити перемноження

елект­ричних величин із похибкою не більшою за 1 % протягом t = 0,01... 0,02 с.

Регулятори температури інфрачервоного випромінювання при­електродної області. Температурне поле в зоні зварювання — це одна з основних характеристик процесу, що визначає якість зварювання. У наш час відсутні технічні засоби вимірювання температури безпо­середньо в ядрі зварюваної точки, тому як регульований параметр ви­

Рисунок 5.17 – Вимірювальний вузол регуля­тора потужності

а — термоелектричним перетворювачем; б — фотодатчиком

Рисунок 5.18 – Вимірювання температури приелектродної області

користовують температуру приелектродної області. Температуру вимірюють термоелектричним перетворювачем 2, який вміщують в електрод 1 зварювальної машини так, щоб він торкався поверхні зва­рюваного матеріалу (рисунок 5.18, а). Непряме вимірювання температури можна здійснити безконтакт­ним способом на основі використання датчиків ІЧ-випромінювання, встановлюваних таким чином, щоб у їхньому полі зору розміщувала­ся приелектродна область.

Безпосереднє вимірювання світіння ділянки «електрод —

виріб» здійснюється за допомогою спеціального електрода, в центральному каналі якого встановлюють у рівень із торцем електрода вставку з тугоплавкого прозорого матеріалу, наприклад кварцу (рисунок 5.18, б). Вставка 1 пов'язана з фотодатчиком 3 через світловідвід 2. Під час зварювання на поверхні заготовки виникає світіння, яке реєструється фотодатчиком і використовується, щоб керувати процесом нагріван­ня. Стабілізатори температури приелектродної області та ІЧ-випро­мінювання дають змогу компенсувати вплив багатьох збурень, оскіль­ки в таких випадках регульовані параметри безпосередньо пов'язані з якісним показником процесу — температурним полем. Недолік та­ких регуляторів — залежність показу датчиків від ступеня забруд­неності поверхні зварюваних деталей.

Регулятори переміщення електродів під дією теплового розширен­ня металу. В процесі точкового зварювання внаслідок нагрівання та дальшого розплавлення металу під електродами відбувається місце­ве збільшення товщини зварюваних деталей. Метал у зоні зварювання розширюється і відбувається розсунення електродів зварювальної машини. Цей так званий «дилатометричний ефект» можна використати як показник, що характеризує розмір зварюваної точки. Між перемі­щенням електродів і об'ємом розплавленого металу існує взаємозалеж­ність, яку використовують при побудові автоматичних регуляторів. Приріст лінійного розміру зварюваних деталей під час зварювання становить 8—10 % від їхньої сумарної товщини. Розширення деталей

спричинює переміщення електродо­тримача разом із рухомою частиною зварювальної машини. Це перемі­щення вимірюється датчиком, жор­стко з'єднаним із нерухомою части­ною зварювальної машини. Рухо­мий елемент датчика з'єднано з електродотримачем. У найпростішо­му випадку, щоб виміряти перемі­щення, використовують контактні електромеханічні

датчики, які спра­цьовують при переміщенні елек­трода на встановлене значення.

У регуляторах застосовують ін­дуктивний датчик ІД, який є вимі­рювачем малих переміщень (рисунок 5.19). Він складається з двох котушок W1 та W2, які встановле­но на магнітопроводах, жорстко пов'язаних із нерухомою частиною зварювальної машини. Котушки послідовно ввімкнено з обмотками диференціального трансформато­ра Т. У повітряному зазорі магнітопроводів розміщено якір, який меха­нічно з'єднано з верхнім рухомим електродотримачем. У процесі зварювання це й електродотримач під дією сил теплового розширення переміщується вгору на величину і змінює індуктивний опір ко­тушок W1 та W2. На виході трансформатора Т з'являється сигнал розузгодження, пропорційний , який використовують у автоматич­ному регуляторі, щоб керувати часом протікання зварювального струму.

Рисунок 5.19 – Індуктивний датчик перемі­щення електродів

У деяких випадках цікаво не тільки виміряти переміщення , але й швидкість його змінювання dh/dt, оскільки ця величина харак­теризує швидкість нагрівання. З цією метою вихідний сигнал мосто­вої вимірювальної схеми диференціюють і подають у вузол порівнян­ня. Якщо під дією збурень швидкість нагрівання виходить за вста­новлені межі, сигнал розузгодження, діючи на фазообертач, змінює зварювальний струм таким чином, щоб зменшенню сигналу dh/dt від­повідало збільшення струму і навпаки. Коли переміщення досягне встановленого значення, яке відповідає оптимальному розміру ядра точки, регулятор вимикає струм.

Регулятори, які побудовано на використанні дилатометричного ефекту, забезпечують компенсацію впливу основних збурень на якість зварного з'єднання. Головний недолік цих регуляторів — неможли­вість роботи через вибризкування металу, а також залежність їхньої точності від стабільності сил тертя рухомої частини машини.

Регулятори опору. В процесі зварювання електричний опір ді­лянки кола між електродами (зони зварювання) змінюється за склад­ним законом, до того ж на кінець зварювання його значення R_K менше, ніж на початку. Крім того, для маловуглецевих сталей кри­ва опору має максимум R_m, зміщений ближче до початку нагрівання. За кінцевим опором або за його відносною зміною , де R_cp — середній опір за час зварювання, можна судити про розміри зварювальної точки.

У деяких регуляторах, щоб збільшити перешкодозахищеність, як параметр регулювання використовують інтегральне значення опору.

Оскільки безпосереднє вимірювання опору в процесі зварювання є значно ускладненим, використовують непрямий метод, за яким окре­мо вимірюють спадання напруги між електродами і зварювальний струм, а потім ділять перше на друге, внаслідок чого формується сигнал, пропорційний опору зони зварювання.

Пристрій для виконання операції поділу двох сигналів, пропор­ційний U_ел та I_зв (рисунок 5.20), містить частотний 1 і амплітудний 2 модулятори, які поєднано через розділове коло

3 з інтегратором 4. На­пруга, пропорційна U_ел, подається на вхід амплітудного модулятора 2, а пропорційна струму — на вхід частотного модулятора 1. Вихідний сигнал амплітудного модулятора має вигляд уніполярних імпульсів, амплітуда

Рисунок 5.20 – Схема вимірювань опору зони зварювання

яких пропорційна U_ел а частота f — пропорційна I_зв. Розділо­ве коло 3 призначене для розділення змінної і сталої складових, внаслідок чого напруга на його виході має виг­ляд різнополярних імпульсів тієї самої частоти. Ці імпульси подають на вхід інтегратора 4, на виході якого утворюється напруга, прямо пропорційна U_ел і зворотно пропорційна частоті f. Оскільки частота проходження імпульсів пропорційна І_зв, вихідний сигнал схеми вияв­ляється пропорційним опору:

(5.14)

Цю напругу використовують, щоб керувати фазообертачем і ти­ристорним контактором. У сучасних пристроях регулятори зі зворот­ним зв'язком за різними параметрами суміщуються з автоматичними системами керування та задавання циклу зварювання і описані в 5.7 та 5.8.