5.9 Керування контактним стиковим зварюванням

Контактне стикове зварювання як об'єкт керування і завдання його автоматизації. Нерознімне з'єднання під час контактного стиково­го зварювання утворюється в процесі сумісної пластичної деформації розігрітих торців заготовок під дією сил, напрямлених нормально до площини з'єднання. Характерно, що два етапи — нагрівання і подаль­ше осаджування — притаманні всім різновидам контактного стиково­го зварювання (рисунок 5.27).

Рисунок 5.27 – Класифікація методів контактного стикового зварювання

Під час зварювання опором зварювані вироби попередньо зводяться до стикання з певним зусиллям, після чого вмикається струм. Режим зварювання опором визначають установочною довжиною деталей, нап­ругою на вторинній обмотці зварювального трансформатора і зусиллям стиснення деталей у напрямі осі. Команди на зміну зусилля стиснення і вимикання струму після осаджування найчастіше подаються від кінеч-них вимикачів, встановлюваних за ходом руху рухомого затискача машини, або реле часу.

Термічний цикл при зварюванні опором визначають потужністю, що виділяється, та часом протікання процесу. Оскільки потужність — це функція напруги на зварюваних деталях та їхнього опору, коливання напруги і опору зварювального кола (за рахунок нестабільної підготов­ки торців і зачищення деталей) виявляють істотний вплив на якість утво­рених з'єднань. Тому зварювання опором має відносно обмежене засто­сування. Цим способом звичайно з'єднують деталі невеликого (100— 200 мм2), як правило, круглого перерізу з низьковуглецевих сталей, а також алюмінію і міді.

Найбільшого поширення набуло контактне стикове зварювання оп­лавленням. Зварення оплавленням поділяють на зварювання безпе­рервним оплавленням і оплавленням із попереднім підігріванням мето­дом опору.

Під час зварювання безперервним оплавленням деталі зближують із сталою на початковому етапі або такою, що поступово наростає, швид­кістю при ввімкненому зварю­вальному трансформаторі. Оплавлення деталей відбува­ється в результаті безперерв­ного утворення і руйнування рідких контактних перемичок між торцями заготовок і су­проводжується інтенсивним викиданням часток розплавле­ного металу та вкороченням деталей.

Режим безперервного оплавлення визначають швидкістю переміщення рухомої плити машини і_п, вторинною напругою холостого ходу трансформатора U_2x.x опором машини Z_к.з, вилітанням деталей і припуском на оплавлення . Найбільший вплив на формування тем­пературного поля у зварюваних деталях виявляє швидкість переміщен­ня. Чим більша швидкість v_n, тим вищий градієнт температурного поля і температура з об'ємах, які безпосередньо прилягають до оплавлюва-них поверхонь. Якщо на торцях досягається температура, близька до температури плавлення металу, то встановлюється рівноважний тепло­вий стан, за якого дальше оплавлення не призводить до збільшення нагрівання деталей. Із збільшенням швидкості v_n рівноважний тепловий стан встановлюється за меншої тривалості оплавлення, а загальна кількість накопичуваної в деталях теплоти знижується.

Якщо зварювати тонкостінні деталі з поперечним перерізом до 1000—1500 мм², то утворення якісного з'єднання можливе при невели­кій зоні нагрівання, яку дістають під час великої швидкості переміщен­ня. Потрібну зону розігрівання при зварюванні невеликих розвинених перерізів можна дістати тільки добиранням відповідної програми швидкості оплавлення за . Коливання напруги в межах —10...+15 % при цьому не відбиваються істотно на температурі нагрівання деталей.

Якщо зварювати товстостінні (понад 10 мм) деталі та з великим ком­пактним перерізом (рейки, прокат тощо), то потрібна досить широка зона розігрівання, яку можна дістати тільки при незмінній у процесі оплавлення швидкості υ_n = 0,2...0,3 мм/с. Зниження швидкості υ_n до 0,15 мм/с зменшує температуру в зоні термічного впливу (ЗТВ) на 100 °С, що може вплинути на утворення дефектів. Підвищення швидкості понад зазначеної межі призводить до збільшення викидів нагрітого ме­талу і скорочення зони розігрівання. Тому застосування замкнених си­стем регулювання, наприклад стабілізації зварювального струму з дією на швидкість υ_n, виявляється неефективним. Доцільніше у такому разі знижувати напругу U₂ за ходом зварювання. Найвищого термічного ККД процесу можна досягти при зміні напруги U₂ у функції темпера­тури на оплавлюваних торцях [16].

Реалізувати режими оплавлення на гранично низьких напругах U₂ можна тільки за допомогою спеціальних автоматичних регуляторів [45], до того ж такі режими оплавлення найкритичніші до коливань напруги живильної мережі. При високому опорі короткого замикання Z_к.з машини зниження U₂ навіть на 5 % може спричинити коротке за­микання зварювального кола, що позначиться на стабільності нагрівання.

При зварюванні оплавленням можна інтенсифікувати нагрівання, якщо зменшити іскровий проміжок між деталями до певного критич­ного значення. Такий процес може мати місце при короткочасному під­вищенні швидкості подавання. У разі чергування періодів імпульсів підвищення швидкості подавання та її зниження відбувається механічне руйнування контактів, якщо вони існують у твердому стані, і оплав­лення може протікати безперервно. Процес імпульсного оплавлення дістають під час накладання додаткових коливальних рухів на основ­ний поступальний рух рухомої плити машини. Найчастіше коливання надаються одній із зварюваних деталей за допомогою спеціальних ру­хомих затискних губок, обладнаних віброприводом, у той час як інша деталь подається назустріч першій із заданою швидкістю υ_n.

Режим імпульсного оплавлення характеризується додатково формою коливальних рухів (звичайно близькою до синусоїди), їхніми ампліту­дою і частотою. На практиці протягом усього процесу зварювання за­дають сталими значення амплітуди (0,1—0,5 мм) і частоти (5—20 Гц) коливань, а регулюють тривалість імпульсів струму, діючи на швид­кість подавання. Застосовуючи спеціальні регулятори швидкості, мож­на зменшити тривалість пауз між імпульсами. Інтенсивність нагріван­ня при незмінній тривалості імпульсів струму відповідно зростає. По­рівняно зі зварюванням безперервним оплавленням ККД імпульсного оплавлення вдвічі вищий, відповідно припуск на оплавлення і загаль­на тривалість процесу значно скорочуються [15]. Та все ж процес ім­пульсного оплавлення не набув широкого розповсюдження через зни­ження експлуатаційної надійності роботи зварювального устаткуван­ня в умовах вібрації.

Тривалість пауз між імпульсами можна значно зменшити або усу­нути зовсім, якщо обмежитись тільки зупинками плити машини на пе­ріоди розвитку вторинного плавлення або незначним розведенням. Та­кий процес дістав назву пульсуючого оплавлення [16]. Його реалізація можлива на стикових машинах, привод переміщення плити яких осна­щено швидкодіючим електрогідравлічним підсилювачем із регулятором швидкості, охопленим зворотним зв'язком за зварювальним струмом.

При зварюванні оплавленням із попереднім підігріванням потрібне температурне поле дістають під час нагрівання деталей методом опору. Попереднє підігрівання здійснюється частіше через надавання одній із деталей зворотно-поступального руху, який забезпечує періодичне за­микання та розмикання зварювального кола (рисунок 5.28). Внаслідок періодичного переривання струму досягається вирівнювання темпера­турних полів по поперечному перерізу деталей. Ступінь вирівнювання температури залежить від точності підготовки торців деталей до зварю­вання і точності встановлення деталей у затискних пристосуваннях машини.

t_імп — тривалість імпульсу підігрівання; t_п — тривалість паузи між імпульсами; t_під — трива­лість підігрівання: t_опл — тривалість оплавлення; t_ос — тривалість осаджування; I_ос — струм осад­жування; L — переміщення плити машини; ∆_опл — припуск на оплавлення; ∆_ос—припуск на осаджу-вання

Рисунок 5.28 – Циклограма процесу зварювання оплавленням із підігріванням

Параметри режиму попереднього підігрівання визначають температурне поле в зоні зварювання на момент переходу від підігрі­вання до безперервного оплавлення.

Роль оплавлення зводиться у розглянутому випадку до утворення шару рідкого металу на торцях заготовок і відповідної захисної атмо­сфери в Іскровому проміжку. Таку саму роль відіграє оплавлення, якщо технологічним циклом передбачено попереднє нагрівання заготовок зовнішнім джерелом, наприклад під час зварювання гарячого прокату. Завдяки попередньому нагріванню металу керування оплавленням об­межується зміною швидкості v_n за заданою програмою без застосуван­ня зворотного зв'язку за параметрами процесу.

За всіх способів стикового зварювання оплавленням потрібно під­тримувати стійкість процесу. При нестійкому оплавленні процес може припинятися або переходити на окремих ділянках у тривале коротке замикання торців. У цьому випадку через більшу частину поверхні оп­лавлення струм не проходить і рідкий метал, вкритий плівкою оксидів, встигає закристалізуватися до осаджування, що призводить до небез­печних дефектів у з'єднанні. У більшості випадків плівки є оксидами металів та інших хімічних елементів, що містяться у вихідному матері­алі. Тому утворення їх безпосередньо пов'язане з окислювальними ре­акціями, що відбуваються на оплавлюваних поверхнях.

Розплавлені оксиди легко видалити із стику за осаджуванням. Ту­гоплавкі оксиди видаляються зі стику разом із рідким металом лише частково. Послабити окислювальні реакції на поверхнях оплавлення можна добором режиму зварювання. Чим інтенсивніше проходить оп­лавлення, тим вищий тиск газів у іскровому проміжку. Вміст кисню зменшується, оплавлювана поверхня частіше поновлюється і утворен­ня оксидів послаблюється. Тому кінцева стадія процесу оплавлення характеризується різким збільшенням швидкості переміщення загото­вок (рисунок 5.28). Кінцева швидкість оплавлення виявляє істотний вплив на з'явлення дефектів. Зменшення на 10 % призводить до по­яви окремих дефектів, а за більших відхилень — групи дефектів по пло­щині з'єднання. Оскільки іскровий проміжок пов'язаний лінійною за­лежністю з напругою U_2х.х, то збільшення напруги U₂ у кінцевий період вимагає пропорційного збільшення мінімально допустимого рівня швидкості [17]. На цій стадії процесу важливий контроль його три­валості і значень та U_2кін.

Процес оплавлення стійкий, якщо під час дії на нього всілякого роду збурень він має властивість самовирівнювання (саморегулювання). Оцінку умов, за яких оплавлення протікає стійко, можна провести з використанням залежності корисної потужності у зварювальному кон­такті Q_к від струму І (рисунок 5.29). Нехай якимсь визначеним тепловому стану контакта і значенню швидкості оплавлення відповідає потужність Q_o. Із випадковим збільшенням кількості елементарних контактів струм І повинен зрости. Якщо зростання струму супроводжується збільшенням потужності понад Q_o, то це означав збільшення швидкості плавлення порівняно

з і швидкістю подавання и_п, що повинно призвести до зменшен­ня провідності елементарних контак­тів і зниження струму. За тих же умов, якщо потужність Q_o зменши­лась, то швидкість спадає. При незмінній швидкості v_n спадання швид­кості призведе до прогресивного зростання площі контактування оплав-люваних деталей — до короткого за­микання

Рисунок 5.29 – Оцінка стійкості процесу оплавлення

зварювального кола. Режим зварювання, що відповідає точці 1, можна вважати стійким, а точці 2 — нестійким.

Отже, оплавлення при жорстко заданій швидкості υ_n може бути стійким, якщо в районі робочої точки приросту струму відповідає при­ріст потужності того самого знаку. Область ліворуч від максимуму по­тужності (рисунок 5.29) відповідає стійкому оплавленню, праворуч — не­стійкому. Під час зварювання безперервним оплавленням провідність контакта змінюється у широких межах, тому забезпечити стійкість про­цесу із потужністю, близькою до максимального значення, не вдається. Середнє значення потужності в 3—5 разів менше від максимального значення. Струм І_м, що відповідає максимуму потужності Q_к.m (рисунок 5.29), залежить від опору короткого замикання машини Z_к.з і ко­ефіцієнта потужності:

де — активний опір зварювального контура.

Можна показати, що

де — вторинна напруга холостого ходу зварювального трансформатора.

В ідеальних випадках, якщо Х_к.з=0, то і якщо

Рисунок 5.31 – Вплив опору короткого за­микання на сумарну площу дефектів зварного з'єднання (R і X — активна і індуктивна складові опору Z_K.3

Рисунок 5.30 – Залежність корисної по­тужності машини від струму наван­таження для різних опорів Z_K.3

ТО

Отже, на стійкість і час перехідних процесів під час оплавлення іс­тотний вплив виявлють величина і характер опору зварювального кон­тура машини. Зі збільшенням опору короткого замикання машини зву­жується область допустимих коливань струму і зменшується похідна для одного й того самого значення зварювального струму (рисунок 5.30). Активний опір звужує область стійкого плавлення більшою мірою, ніж реактивний опір. Цей висновок підтверджують експеримен­тальні дані.

Процес оплавлення переривчастий за своєю природою. Якщо пере­рви протікання струму у зварювальному колі відсутні, то на окремих ді­лянках контактуючих поверхонь паузи неминучі. Короткочасні перерви оплавлення не виявляють впливу на стабільність і рівномірність нагрі­вання металу навіть при самих малих швидкостях зближення деталей 0,1—0,2 мм/с. Тільки у кінцевий період оплавлення, перед осаджуван­ням, тривалість переривань процесу повинна бути обмеженою. Допус­тима тривалість коротких замикань або переривань струму перед осад­жуванням залежить від зварюваного матеріалу та товщини стінки і визначається експериментально для кожної групи деталей. Так, якщо зварюють труби, допускається збільшення струму за 0,03 с до початку осаджування, для рейок — 0,1 с. Із більшою тривалістю з'являються грубі дефекти — пори, непровари.

Статистичні дані показують, що до 80 % виявлених дефектів пов'я­зані з порушенням безперервності оплавлення перед осаджуван­ням [16].

В умовах виробництва неминуча дія на процес всілякого роду збу­рень, що призводять до відхилення параметрів режиму зварювання від наперед підібраних значень і відповідних відхилень зони розігрівання зварюваних деталей від оптимальних значень. До таких збурень нале­жать коливання напруги мережі, зміни опору короткого замикання ма­шини та ін. [6]. Із збільшенням опору машини зростає напруга , мі­німально потрібна для збудження процесу оплавлення, збільшуються глибина кратерів на торцях і сумарна площа дефектів у з'єднанні (рисунок 5.31), відповідно знижується якість зварних з'єднань. Найнебез-печніші одночасно діючі навіть невеликі відхилення кількох пара­метрів, якщо кожне з них сприяє, наприклад, зниженню стійкості про­цесу оплавлення або зміні потрібної зони нагрівання. Тому одна з Основних вимог до системи керування зварювальною машиною — за­безпечити поряд із стійкістю також безперервність процесу оплавлен­ня і оптимальне температурне поле у зварюваних деталях до моменту осаджування.

Заключна стадія процесу стикового зварювання — осаджування — характеризується припуском на осаджування _ос, швидкістю До­кладеним зусиллям Р_ос і часом осаджування під струмом t_oc.с. Перелі­чені параметри звичайно задаються жорстко і в процесі зварювання не регулюються. Відхилення від оптимальної тривалості осаджування під струмом може спричинити надмірне нагартовування металу стику під час недостатнього нагрівання або зниження пластичності [23]. Мінімаль­не значення t_oc.с має бути сумірним з тривалістю закриття іскрового проміжку. Швидкість осаджування и_Ос залежить від зварюваного матеріалу. Для маловуглецевих сталей v_oc має бути не менш ніж 20 мм/с, для алюмінієвих сплавів — на порядок вище. Осаджування деталей повинно провадитись за час менший, ніж час кристалізації тонкого шару розплавленого металу. Інтервал часу охолодження металу на торцях від температури Т₁, що відповідає моменту існування перемич­ки, до температури Т₂, за якої ще немає небезпеки затвердіння оксидів, можна приблизно

оцінити за формулою

де — товщина шару розплавленого металу; у, с, ,т — густина, пи­тома теплоємність, коефіцієнт теплопровідності і прихована теплота плавлення зварюваного матеріалу відповідно; — градієнт температури біля торця.

Для вуглецевої сталі значення не виходять за межі сотих часток секунди і лише у рідкісних випадках, із широкою зоною нагрівання, становлять десяті частки секунди. Отже, мінімально допустима швид­кість осаджування залежить від теплофізичних властивостей металу і від градієнта температурного поля, тобто від ширини зони розігрівання деталей, яка визначає ступінь пластичної деформації деталей, необхід­ний для утворення з'єднань потрібної якості. Тому, контролюючи осад­жування _ос, можна непрямо судити про стабільність температурного поля у деталях.

Автоматичне керування попереднім підігріванням. Підігрівання провадиться під час повторно-короткочасного протікання струму вна­слідок розривання зварювального кола при зворотно-поступальному ру­сі однієї з деталей чи внаслідок періодичного вимикання первинної об­мотки зварювального трансформатора з мережі. Другий спосіб застосо­вують дуже рідко, оскільки він вимагає точної обробки торців заготовок під зварювання. Класифікацію систем керування підігріванням наве­дено на рисунку 5.32.

Системи першої групи. Процес переривчастого піді­грівання (див. рисунок 5.28) самодовільно завершується, якщо торці заго­товок розігріваються настільки, що можливе стійке оплавлення із вста-

Рисунок 5.32 – Класифікація систем керування попереднім підігріванням

новленою швидкістю . Керування приводом зворотно-поступального переміщення плити машини здійснюється за струмом (або напругою) короткого замикання торців заготовок. На початку процесу підігріван­ня, коли деталі не розігріті, струм короткого замикання має максималь­не, а напруга мінімальне значення. У міру розігрівання торців контакт­ний опір зростає, що спричинює відповідні зміни початкових значень струму і напруги в моменти коротких замикань. Коли струм чи напруга наберуть значень, що встановилися, відповідний датчик (наприклад, реле струму або напруги з регульованою уставкою) виробляє сигнал для переходу привода переміщення в режим безперервного оплавлення. Момент переходу до оплавлення залежить від коливань мережної нап­руги. Встановлено, що відносна зміна температури

де Т_н, Т_н — номінальна температура нагрівання і її відхилення від­повідно; е₀ — питома енергія за Т = 0, що припадає на одиницю маси оплавленого металу.

Оскільки відхилення напруги і температури мають протилежні зна­ки, підвищенню напруги відповідає зниження температури, за якої від­бувається самодовільний перехід до безперервного оплавлення, і нав­паки. Відносні зміни температури можуть на багато разів перевищува­ти зміни напруги, що спричинили їх.

Системи другої групи. Найбільшого поширення набу­ли системи програмного керування підігріванням. Звичайно програму­ють тривалість імпульсів струму короткого замикання і пауз між ними, а також загальний час підігрівання. Команда на перехід від підігріван­ня до оплавлення подається лічильником імпульсів. Відбувається змен­шення швидкості переміщення плити машини, що забезпечує гарантова­ний перехід до режиму оплавлення.

Системи програмного керування забезпечують стабільніше розігрі­вання деталей, ніж системи першої групи. Під час коливань напруги мережі відносні зміни температури дорівнюють приблизно подвоєній відносній зміні напруги:

Системи третьої групи. Вплив коливань напруги ме­режі і опору зварювального контура машини на температурне поле в де­талях до моменту переходу у режим безперервного оплавлення можна зменшити, використовуючи системи автоматичного регулювання піді­гріванням зі зворотними зв'язками за енергією, потужністю або темпе­ратурою металу.

Зварюючи вироби великої протяжності (широкі смуги, обичайки та ін.), вимірювати температуру в одній фіксованій точці поверхні дета­лі недостатньо. Температуру потрібно контролювати в кількох точках уздовж поверхні оплавлення і розміщених від неї на однаковій відста­ні. З цією метою в оснащення затискних губок машини встановлюють контактні датчики температури DT₁ — DT_п (рисунок 5.33). ТермоЕРС е₁ — е_п, що генерується під час підігрівання, далі посилюється і порів­нюється з напругою U_з, пропорційною заданій температурі підігріван­ня. Коли досягається за всіма вимірювальними каналами задане значення температури, схема збігання видає команду на перехід від пі­дігрівання до оплавлення. Пристрої подібного призначення легко реалі­зувати, використовуючи контактні мілівольтметри, наприклад типу МЗОЗК.

Системи третьої групи мають загальний недолік — вони не можуть забезпечити формування заданого температурного поля в деталях в умо­вах дії збурень технологічного характеру (якості підготовки торців під зварювання, точності встановлення деталей у затискні пристосування, спрацьовування затискних губок та ін.). Істотний вплив технологічних збурень на процес формування температурного поля становить один з основних недоліків способу попереднього підігрівання опором.

П рограмне керування процесом оплавлення. Практично керування процесом оплавлення обмежене можливостями зміни за заданою програ­мою швидкості переміщення плити машини

Рисунок 5.33 – Схема формування сигналу зворотного зв'язку за темпера­турою металу

Рисунок 5.34 – Класифікація систем програмного керування процесом оплавлення

або вторинної напруги. За­значені параметри можуть змінюватися одночасно у функції часу або шляху переміщення рухомої плити. Програмування за переміщенням найдоцільніше у тому разі, якщо потрібно витримувати точно задані розміри деталей, наприклад вироблення зварних кілець із чистових профілів. Можливі варіанти побудови систем програмного керування показано на рисунку 5.34.

На практиці найбільшого застосування набули розімкнеш системи програмного керування (СПК) швидкістю переміщення рухомої плити машини. Програма переміщення задається степеневою залежністю:

де L_п — переміщення рухомої плити під час оплавлення, мм; t — три­валість оплавлення, с. Коефіцієнти а і п визначаються теплофізични­ми властивостями металу і обираються залежно від кінцевої швидкості переміщення υ_п і припуску деталей .

Використання таких програм переміщення дає змогу збуджувати оплавлення при відносно низьких швидкостях і підвищувати їх в кін­цевій стадії у 10—30 разів. При цьому стійкість процесу оплавлення за­безпечується лише за рахунок саморегулювання.

Програму переміщення найчастіше задають за допомогою кулачка і визначають його профілем і швидкістю обертання. Цей спосіб зада­вання програми — найпростіший, однак він має істотні недоліки: при зварюванні деталей із нерівними торцями тривалість сплавлення коси­ни не повинна входити до загального часу зварювання; із зміною почат­кового зазора неможливо задати програму переміщення плити машини одразу ж із моменту збудження оплавлення; тривала експлуатація про­фільних кулачків спричинює спрацьовування робочої поверхні і зміну заданої програми переміщення. Та все ж пограмуючі пристрої на базі профільних кулачків застосовують у серійних машинах типу МС2008, МСО-606 для зварювання арматури будівельних конструкцій.

Для програмування за переміщенням зручніше використовувати різні комутаційні пристрої. В машинах типу К617, К607, К340, К566, призначених для зварювання кільцевих заготовок, поступальний рух рухомої станини через рейку і систему шестерень перетворюється в обертальний рух, який передається на вал перемикача.

У машинах типу К355А, К190П, К555 для зварювання рейок і про­фільного прокату програми зміни швидкості v_n і напруги U₂ задаються за допомогою реле часу, за які використовують командні прилади типу КЕП-12У і МКП. Обидва прилади дають змогу задавати тривалість операцій при вмиканні і вимиканні електричних кіл загальним числом 12. Якщо запуск командних приладів провадити при досягненні стру­мом наперед встановленого значення, то можна усунути вплив початко­вого зазора і косини зрізу на відтворення програми.

У деяких стикових машинах із гідравлічним приводом (типу МСГР-500 та ін.) програма швидкості оплавлення задається зміною прохідного перерізу гідравлічного дроселя у контурі керування при­водом рухомої плити. Істотним недоліком такого програмування є те, що внаслідок зміни температури рідини змінюється її в'язкість, а через всілякі втрати тиск у гідросистемі не лишається сталим, тому відтво­рення заданої програми відбувається з великими похибками.

Точніше відтворення заданої програми швидкості забезпечується слідкуючим гідроприводом, тобто гідроприводом зі зворотним зв'язком за переміщенням. Таким приводом оснащені машини типу К355А, К190П, К584М та ін. Зворотний зв'язок у приводі здійснюється золот­ником, корпус якого встановлено на рухомій плиті машини. Його шток переміщується за допомогою гвинта редуктора, встановленого на неру­хомій плиті. Редуктор обертається від двигуна постійного струму малої потужності (77 Вт). Під час безперервного руху штока золотника ста­нина машини і встановлений у ній корпус золотника безперервно руха­ються слідом за штоком, відсліджуючи усі його переміщення. Тому змі­ни в'язкості масла або просочування його з однієї порожини гідроци­ліндра в іншу практично не позначаються на точності слідкування. Гідроприводи, які використовують у машинах конструкції ІЕЗ ім. Є. О. Патона АН України, мають порівняно високі динамічні власти­вості. Так, зупинка рухомої станини машини К355А, що рухається зі швидкістю 0,25 мм/с, здійснюється через 0,1 с після подавання сигналу, тоді як на машині МСГР-500 із дросельним приводом — через 1,0 с. Та все ж швидкодія слідкуючих приводів недостатня для відтворення ре­жимів зварювання, які характеризуються високими питомими потуж­ностями, як, наприклад, під час пульсуючого оплавлення.

Динаміку привода стикової машини можна підвищити, якщо усу­нути з контура регулювання дві інерційні ланки — двигун постійного струму та електромашинний підсилювач, і керувати гідроциліндром переміщення рухомої станини, застосовуючи електрогідравлічний під­силювач типу ПЕГ.С.

Підсилювач (рисунок 5.35) складається з двох блоків — електрогідрав­лічного з важелем зворотного зв'язку та золотникового. Електрогідрав­лічний блок є електромеханічним перетворювачем, конструктивно об'єд­наним з керуючим диференціальним елементом «сопло — заслінка». Перетворювач В є поляризованим пристроєм, що поляризує магнітний потік, який утворюється постійними магнітами Е1 та Е2, а керуючий магнітний потік — котушками L₁ і L₂, на які подають вхідні сигнали.

L₁, L₂ — котушки; Я — якір; Е₁, Е_г — по­стійні магніти; ДКЕ — диференціальний ке­руючий елемент; ВЗЗ — важіль зворотного зв'язку; ЗЛ — золотник; ДР1, RP2 — постій­ний дросель; Ф — фільтр; Р — гідравлічний розподільник; В — електромеханічний пере­творювач; ГВМ — гідравлічний виконавчий механізм

Рисунок 5.35 – Схема електрогідравлічного під­силювача:

При взаємодії магнітних потоків на якорі Я виникає момент, який про­порційний електричному вхідному сигналу.

Змінні дроселі диференціального керуючого елемента ДКЕ, утворені соплами і заслінкою, яка кінематич­но з'єднана з якорем електромеха­нічного перетворювача, і постійні дроселі ДР1 і ДР2 утворюють гід­равлічний міст, у діагональ якого ввімкнено золотник ЗЛ гідравліч­ного розподільника Р.

Зворотний зв'язок побудований за принципом силової компенсації переміщення золотника і реалізований за допомогою важеля зворотного зв'язку ВЗЗ, одним кінцем з'єднаного із золотником, іншим— із заслін­кою. Під час нульового вхідного сигналу змінні опори гідравлічного моста рівні. Отже, рівними є тиски у торцевих камерах золотникової па­ри, і золотник перебуває у середньому положенні. Коли з'являється вхідний електричний сигнал, якір електромеханічного перетворювача повертається, що спричинює зміщення заслінки диференціального ке­руючого елемента ДКЕ. В результаті виникає розбаланс гідравлічного моста, через що з'являється перепад тисків у торцевих камерах золот­никової пари. Золотник починає переміщуватись, відкриваючи доступ робочої рідини в одну з порожнин гідроциліндра переміщення рухомої плити машини і зливання з другої його порожнини. Водночас перемі­щення золотника призводить др згину важеля зворотного зв'язку і пов'язане з цим переміщення заслінки до середнього положення. Пере­міщення золотника припиняється, якщо момент сили, спричиненої де­формацією важеля зворотного зв'язку, дорівнюватиме моменту на якорі електромеханічного перетворювача, і заслінка повернеться у середнє положення. Таким чином забезпечується пропорційна залежність між положенням заслінки, а отже, витрачанням робочої рідини і значенням вхідного електричного сигналу.

Рисунок 5.36 – Залежність потуж­ностей машини і оплавлення деталей від струму

Приводи з підсилювачами типу ПЕГ.С мають тривалість перехідно­го процесу 0,03—0,04 с і застосовуються на нових стикових рейкозварювальних машинах К839, К840 та на ма­шинах інших типів.

Незважаючи на безперервне удоскона­лення способів і апаратури для задавання програми, застосування розімкнених систем керування не забезпечує гарантованої якос­ті зварних з'єднань під час дії на процес різних збурень. У таких системах керуюча дія не залежить від умов зварювання, які безперервно змінюються в умовах вироб­ництва. Ліпші результати дає застосу­вання СПК з коректуючими зворотними зв'язками за парамет­рами зварювального процесу (напругою, струмом, пульсаціями струму). У практиці найбільшого поширення набули коректори швидкості оплавлення із зворотним зв'язком за зварювальним струмом, принцип дії яких пояснено на рисунку 5.36. У точці перетину кривих потужність, яку розвиває машина 1, і потужність, яка потрібна для оплавлення деталей 2, однакові, що забезпечує стійке протікання оплав­лення. Із випадковим збільшенням струму від значення І_вст., що вста­новилося, потужність, яку розвиває машина, виявляється більшою по­тужності, потрібної для оплавлення. Надмірна потужність сприяє при­скоренню нагрівання і руйнуванню елементарних контактів і, як на­слідок, збільшенню опору іскрового проміжку, що супроводжується зменшенням струму до значення І_вст. Із струмом, меншим І_вст., потуж­ність, яку розвиває машина, виявляється меншою потужності, що її потрібно для оплавлення. Опір іскрового проміжку зменшується, що призводить до відновлення значення струму, яке встановилося. Якщо залежність, відбиту кривою 2 на рисунку 5.36, використати для задавання зміни швидкості подавання деталей у функції струму, то такий корек­тор швидкості забезпечить стійке оплавлення в умовах струму зварю­вання _f що змінюється.

Принципову електричну схему коректора швидкості за струмом для стикових машин із електрогідравлічним приводом оплавлення показано на рисунку 5.37. Схему коректора виконано на операційних підсилювачах D1—D3.

Рисунок 5.37 – Принципова схема коректора швидкості за струмом

На вході схеми стоїть активний двопівперіодний випрямляч В, який увімкнено до трансформатора струму ТА, встановленого в пер­винному колі зварювального трансформатора. Вихід системи увімкнено до котушок електрогідравлічного підсилювача через електронний під­силювач потужності типу ППЕ, що забезпечує струм навантаження до 100тА. Швидкість руху плити машини «Уперед» встановлюється поло­женням повзуна потенціометра R10 і визначається вихідною напругою підсилювача D3. Зона нечутливості за струмом встановлюється потен­ціометром R4. Якщо під час оплавлення зварювальний струм не пере­вищує зону нечутливості, то діод VD1 лишається у провідному стані, шунтуючи вихід підсилювача D1. Задане значення швидкості и_п не змі­нюється, процес протікає за рахунок саморегулювання. Якщо напруга на виході випрямляча В перевищить зону нечутливості, схема D1 почи­нає працювати як підсилювач. При цьому на виході схеми D2 з'явля­ється позитивна напруга, яка на вході схеми D3 підсумовується з нега­тивною напругою задатчика швидкості. В результаті напруга на виході схеми D3 і відповідно швидкість зменшуються пропорційно вхідному сигналу аж до реверса. З технологічних міркувань іноді слід обмежити максимальну швидкість розведення колон машини під час оплавлення. Для цього у зворотний зв'язок схеми D3 увімкнено стабілітрон VD3. Нахил статичної характеристики коректора швидкості регулює потен­ціометр R6, змінюючи коефіцієнт підсилювання D2.

Використання коректорів швидкості подавання із зворотним зв'яз­ком за струмом навіть на звичайних універсальних машинах із великим опором короткого замикання Z_к.з дає значний ефект, оскільки при цьо­му забезпечується одна з основних вимог, які висуваються до систем керування машиною,— стійкість процесу оплавлення. Короткочасний характер дії коректорів не призводить до помітного збільшення часу оплавлення, і задана програма переміщення практично не порушуєть­ся. Коректори швидкості дають змогу також знизити приблизно на 20 % вторинну напругу, потрібну для збудження оплавлення (рисунок 5.38).

Р егулювання напруги U₂ здійснюється контакторними схемами — перемиканням ступенів автотрансформатора в первинному колі стико­вої машини або тиристорними переривниками — зміною кутів вмикан­ня вентилів. Потрібна програма зни­ження напруги U₂ задається част­ково тими самими способами і при­строями, що й програма зміни швид­кості оплавлення. Перевага тиристорних переривників — стабілізація і плавна зміна

1 — без коректора швидкості оплавлення; 2 — із коректором

Рисунок 5.38 – Залежність мінімальної вторинної напруги зварювального трансформатора від внутрішнього опору машини під час зварю­вання

напруги U₂, мала інерційність і можливість коректувати програму зниження напруги залежно від дійсного протікання зварювального процесу. Принципову електричну схему коректора напруги з позитивним зворотним зв'яз­ком за струмом детально розглянуто в [6].

Застосування систем керування з коректорами швидкості і напруги дає великий технологічний ефект, що виражається в істотному підви­щенні термічного ККД, стійкості процесу оплавлення І точності від­творення режиму зварення.

Системи автоматичного контролю і керування на основі мікроЕОМ. Стабільність якості з'єднань великою мірою визначається надійністю та досконалістю систем контролю і керування стиковими машинами. Провідною тенденцією при створенні таких систем є перехід від вико­ристання елементів «жорсткої» логіки до програмної логіки на основі мікроЕОМ. Застосування комп'ютерів дає змогу значно скоротити.тер­міни розробки нових систем керування, істотно розширити їхні функції за зниження вартості апаратури, підвищити її надійність, зменшити габаритні розміри і споживчу потужність. Стає можливою перевірка справності системи керування, контроль і прогнозування стану зварю­вального устаткування. Обчислювальні можливості і швидкодія мікро-ЕОМ дають змогу реалізувати алгоритми контролю і керування проце­сом стикового зварювання з математичними моделями в реальному ча­сі [17].

В ІЕЗ ім. Є. О. Патона розроблено комп'ютерну систему контролю, на яку покладено завдання збирання, обробки, аналізу інформації про процес і прийняття рішень про якість зварного з'єднання (рисунок 5.39). У блок первинної обробки інформації БПОІ надходять сигнали з датчи­ків зварювального струму ДС, напруги ДН, переміщення ДП і тиску в циліндрах затиснення ДТ1 і осаджування ДТ2. Передавання даних із блоку БПОІ до ЕОМ здійснюється пристроєм збирання аналогових даних. Аналогові сигнали перетворюються у послідовний формат даних, передаються по волоконно-оптичній лінії зв'язку ВОЛЗ і видаються на виході приймача у вигляді паралельного формату. Протяжність оптич­ного кабеля може досягати кількох сот метрів. Застосуванням такого кабеля забезпечується гальванічний розв'язок між стиковою машиною і ЕОМ і її захист від високого рівня електромагнітних перешкод при зварюванні.

Наявність у складі пристрою збирання аналогових даних аналого-цифрового перетворювача і шістнадцятиканального комутатора дає змогу спростити апаратурну частину системи контролю.

На всіх етапах зварювального циклу провадиться вимірювання, об­числення фактичних значень параметрів режиму і порівняння їх з до­пустимими межами відхилень.

Якщо на стадії оплавлення витримуються із заданою точністю при­пуск _опл, напруга U₂ і швидкість v_n, то можна гарантувати стабільне нагрівання деталей.

Р исунок 5.39 – Комп'ютерна система контролю з волоконно-оптичною лінією зв'язку

Відповідність заданій програмі наростання швид­кості та її кінцевому значенню v_кін на етапі форсування, а також від­сутність переривань у протіканні струму оплавлення свідчать про по­трібну інтенсивність процесу перед осаджуванням, тобто про виконання основних умов, потрібних для формування якісного зварного з'єднання, які покладаються на систему керування машиною. На етапі осаджуван­ня провадиться контроль припуску _ос, початкової швидкості v_oc, три­валості t_ос.с, зусилля Р_ос і Р_зат і відсутності прослизання деталей у за­тискних губках. При виході контрольованих параметрів за межі допус­ку або на запит оператора інформація про зварювальний процес у циф­ровій формі виводиться на принтер. Контролюючи параметри режиму, можна прогнозувати якість зварних з'єднань.

Ступінь досконалості системи керування машиною виявляє вплив на вибір контрольованих параметрів. Так, якщо в системі керування передбачено стабілізацію напруги на вторинній обмотці зварювального трансформатора, то напругу перед зварюванням не контролюють. Вико­ристання силового тиристорного контактора з цифровою системою ке­рування дає змогу з точністю до періода провадити вимикання зварю­вального трансформатора з живильної мережі при осаджуванні дета­лей. У цьому разі тривалість осаджування під струмом не контролюють.

Сучасні системи керування стиковими машинами орієнтовані на за­стосування однокристальних мікроЕОМ типу К1816ВЕ48, К1816ВЕ35 та ін. Розроблено контролер РСМ-401 стосовно до машин типу МСО-606-1 і КСЦО-1201 для зварювання арматури і кілець ланцюгів оплавленням із попереднім підігріванням. На рисунку 5.40 показано струк­туру системи керування СК282, розроблену в ІЕЗ ім. Е. О. Патона АН України для зварювання котельних труб на машині ЦСТП-25-42 і за­лізничних рейок на машинах К839, К840 безперервним і пульсуючим оплавленням. Систему побудовано на однокристальній мікроЕОМ К1816ВЕ48. До складу мікроЕОМ входять ОЗП (64 X 8 біт), ППЗП (1 к X 8 біт), таймер, блок пріоритетного переривання, елементи оп­трон -

Рисунок 5.40 – Мікропроцесорна система керування стиковою машиною

ного розв'язку. Основні функції системи такі:

керування електромагнітами YA гідрозолотників виконавчих пристроїв машини за командами, які надходять із пульта оператора, та згідно з циклограмою роботи машини;

1. керування електрогідравлічним приводом ПЕГ.С переміщення плити машини і фазою вмикання тиристорного контактора КТ-12;

2. задавання режимів зварювання з можливістю їхнього редагуван­ня з клавішного пульта;

3. контроль параметрів режиму зварювання з видаванням інформа­ції на цифрові індикатори.

Програми зміни швидкості і напруги U₂ задаються у функції пе­реміщення плити машини і під час зварювання можуть коректуватися сигналом зворотного зв'язку за зварювальним струмом. У пам'ять си­стеми можна записати кілька програм залежно від типорозміру зварю­ваних виробів. Вибір тієї або іншої програми провадиться набиранням її порядкового номера на клавіатурі пульта оператора. За допомогою клавіатури можна також відкоректувати програму на будь-якій її ді­лянці або ввести нову. При цьому значення параметрів режиму висві­чуються на цифрових індикаторах. Аналогічним чином провадиться зміна статичних характеристик коректора швидкості, а також допусків контрольованих параметрів режиму зварювання.

Система має 24 дискретних входи з гальванічним розв'язком і 16 (із можливістю розширення до 32) дискретних виходів. Передбачено дві модифікації плати вихідних силових ключів — на оптронних тиристо­рах і на транзисторах (рисунок 5.41). Це дає можливість роботи системи керування із золотниками, електромагніти YA яких працюють на змінному або постійному струмі.

а – постійного струму, б – змінного струму

Рисунок 5.41 – Схеми вмикання електромагнітів

Інформація про зварювальний струм із трансформатора струму ТА (див. рисунок 5.40) і переміщення плити маши­ни (із датчика переміщення ДП) надходить на плату мікроЕОМ у ви­гляді послідовних імпульсів. Схему ЛЦП «напруга — частота»

Рисунок 5.42 – Принципова електрична схема перетворювача напруги у частоту для кана­лу зварювального струму

для ка­налу зварювального струму показано на рисунку 5.42. Її виконано на ос­нові прецизійного випрямляча D1.1, інтегратора D2.1, компаратора D2.2 і ключа VT2.

Змінна напруга із зашунтованого трансформатора струму надходить на входи D1.1 і D1.2. Якщо на вході негативна напруга, то вона підси­люється і інвертується підсилювачем D.1.2. Позитивна напруга підси­люється і інвертується підсилювачем DLL Обравши коефіцієнт пере­давання інвертованого сигналу у 2 рази більшим, ніж неінвертованого (такого, що надходить через R9), на виході D1.2 дістанемо позитивний сигнал із тим же коефіцієнтом передавання, що й для негативного вхід­ного, забезпечуючи випрямлення.

Випрямлений сигнал через R11, R12 подають на вхід інтегратора D2.1. Якщо напруга на його виході досягне верхньої точки перекидання компаратора D2.2, він змінить свій стан, відкриваючи транзистор VT2. Конденсатор С1 розряджається до досягання на виході інтегратора ниж­ньої точки перекидання компаратора, що спричинює запирання тран­зистора VT2. Далі весь цикл повторюється. Частота перемикань про­порційна вхідній напрузі перетворювача. Для забезпечення симетрії вихідних імпульсів часи заряду і розряду конденсатора С1 повинні бути рівними, що забезпечується виконанням умови

Фазозсувне коло R18, R19, С2, R20 компенсує вплив транзистора VT2 на лінійність передавальної функції у верхній частині робочого діапазону частот. Підсилювач потужності вихідного сигналу виконано на транзисторі VT3. Для встановлення режиму програмованих тай­мерів перетворювач у початковому стані видає імпульси з частотою f_поч, які задають подаванням напруги від стабілізатора VT1 на вхід D1.2.

Перетворювач сигналу переміщення плити машини у частоту ви­конано аналогічно до перетворювача струму, з тією лише різницею, що тут немає потреби випрямляти сигнал.

Переміщення плити машини здійснюється сервоприводом з ПЕГ.С (див. рисунок 5.40), на вхід якого через підсилювач потужності ППЕ від задатчика переміщення подають керуючий сигнал 0—10 В. Мінімаль­на дискрета задавання становить 2,5 мВ, що відповідає переміщенню плити машини на 0,0125 мм у діапазоні 0—50 мм. Щоб плита рухалась із постійною швидкістю, процесор має обчислювати черговий елемен­тарний приріст за переміщенням тривалістю 10 мс. Потім процесор обчислює нове значення переміщення, яке видає на задатчик. Отже, лінійний закон переміщення на кожній ділянці оплавлення апрокси-мується ступеневою функцією. При осаджуванні приріст, що дорівнює припуску _ос, додається до попереднього значення.

Схема задатчика переміщення (рисунок 5.43) складається з вхідного ре­гістра, ЦАП і джерела опорної напруги.

Вхідний регістр складається з мікросхем DJ, D2, оптронних діодів VD1 — VD3 і схеми затримки R9C1, R10C2. Він має приймати від про­цесора послідовний 12-розрядний код і перетворювати його в паралель­ний код. Послідовний код передається через діод VD2 на інформаційний вхідD1.1. Послідовність стробується синхроімпульсами, які надходять ч

Рис. 5.43 – Принципова електрична схема задатчика переміщення

ерез VD1.

Під час перезаписування інформації з одного зсувного ре­гістра в другий відбувається її затримка для надійного перемикання

старшого розряду попереднього ре­гістра. Сформований паралельний код із D1, D2 перезаписується в ЦАП за сигналом «запис».

Ц

Рисунок 5.44 – Алгоритм роботи комп’ютерної системи керування стиковою машиною

АП складається з мікросхем D3, D4, D5 і має перетворювати паралельний 12-розрядний код у 2-полярний аналоговий сигнал 0— 10,24 В, який далі використовують для керування гідропідсилювачем. Джерело опорної напруги зі­брано на транзисторі VT1 і підсилю­вачі D6. Транзистор VT1 і резис­тор R11 стабілізують струм, що протікає через стабілітрон VD5. Резистори R12, R15, R21 утворюють подільник, увімк-нений до входу 2 підсилювача D6. Подільник розра­ховано так, щоб змінним резисто­ром R21 можна було дістати на виході підсилювача напругу 10, 24 В. Для видавання уніполярної напруги 0—10,24 В на фазообер­тач ФО використано восьмирозрядний ЦАП, який має загальні вхід­ний регістр і джерело опорної на­пруги із задатчиком переміщення. Система керування працює за алгоритмом (рисунок 5.44). Після вми­кання джерела всі виконавчі меха­нізми встановлюються у вихідне положення: розтискаються затискні губки, забороняється подавання зварювальної напруги та ін. Потім процесор опитує АЦП, щоб дістати інформацію про положення рухомої плити в момент вмикання системи керування, і видає на привод керу­ючий сигнал, що відповідає даному положенню. Усувається можливість некерованого руху плити в момент вмикання машини. Інформація про її положення виводиться на цифрові індикатори. Після цього аналізується положення перемикача для задавання постійних параметрів режиму. Відповідні його уставці режими зварювання і параметри контролю переписуються із ППЗП в 0ЗП.

Після завершення підготовчих операцій система готова до роботи з пультом оператора і клавіатурою. Можна виділити два основних режи­ми роботи: «Редагування» і «Робота». Перший дає змогу виводити на індикатори параметри режиму зварювання і уставки контролю та у ра­зі потреби коректувати їх. У цьому режимі система працює тільки з кла­віатурою, що запобігає аварійним ситуаціям у разі несвоєчасного натис­кання кнопки на пульті оператора.

При натисканні клавіші «Робота» параметри режиму зварювання завантажуються до внутрішнього ОЗП мікроЕОМ. Система перестає реагувати на клавіатуру і сприймає сигнали тільки від зварювальної машини, відпрацьовуючи функції кнопки, натисненої на пульті опера­тора.

При надходженні команди «Пуск — Зварювання» система починає відпрацьовувати заданий режим зварювання і контролює його. На циф­ровий дисплей щосекунди видається повідомлення про час зварювання, переміщення рухомої плити машини або середнє значення зварюваль­ного струму. Якщо в процесі зварювання були порушення заданого ре­жиму, то система керування вмикає світлову сигналізацію «Режим по­рушено». Інформацію про реальні значення параметрів, що вийшли за межі допуску, можна дістати після завершення зварювання натискан­ням клавіші ПК (параметри контролю) у режимі «Редагування».

Розроблену систему керування можна використовувати на стикових машинах інших типів. При цьому потрібна лише заміна програм у пам'яті мікроЕОМ.