5.10 Автоматизація процесів термообробки з'єднань при стиковому контактному зварюванні

Механічні властивості зварних з'єднань, виконаних контактним стиковим зварюванням опором, можна істотно поліпшити дальшою теп­лообробкою. Вона здійснюється у затискачах (губках) тієї самої зва­рювальної машини і полягає у нагріванні до заданих температур, ви­тримуванні певний час за цих температур і потім охолодженні до темпе­ратури навколишнього середовища. Нагрівання здійснюють змінним струмом, який встановлюється ступенем вмикання зварювального трансформатора або за допомогою керованого тиристорного контактора. Наведені на рисунку 5.45, а, б діаграми струму ілюструють можливі зако­ни зміни струму за величиною і тривалістю його вмикання.

Охолодження термооброблюваної ділянки виробу можна здійснити, наприклад, обдуванням його повітрям.

Параметрами режиму термообробки є такі: довжина l_т.o термооб­роблюваної ділянки деталі; температура нагрівання її; сила струму І, що проходить через термооброблювану ділянку;

Рисунок 5.45 – Цикли термообробки зварних з'єднань

часи t_n — t_n-1 _і витри­мок за заданих температур і часи тривалості дії охолодженого середо­вища на термооброблювану ділянку.

При автоматизації процесу контроль температури оброблюваної ді­лянки провадять за допомогою пірометрів — датчиків температури або за електричною потужністю, яка витрачається на нагрівання. У при­строї з контролюванням температури нагрі-вання зварного з'єднання пірометром (рисунок 5.46) термооброблювана ділянка деталі затискається у губках для термообробки ГТО зварювальної машини ЗМ. Первинна обмотка зварювального трансформатора ЗМ увімкнена до живильної мережі через керований тиристорний контактор КТК. Випроміню­вання з поверхні термооброблюваної ділянки сприймається піромет­ричним перетворювачем ПП і перетворюється ним у електричний сиг­нал, який потім подається на вхід блоку керування БК заданим циклом термообробки (див. рисунок 5.45). Сигнали з виходу БК керують роботою КТК і електромагнітного повітряного клапана ЕМПК (його вмикання і вимикання). Живлення БК і ПП здійснюється від спеціальних джерел живлення.

Р исунок 5.46 – Функціональна схема автома­тичного пристрою для термообробки звар­них з'єднань із контролем температури пірометром

Як ПП можна застосовувати, наприклад, пірометричний пере­творювач ПЧД-121-03 із вторин­ним вимірювальним перетворю­вачем ПВВ-31000, який серійно випускає промисловість. За до­помогою такого ПП можна вимі­рювати температуру в межах 450—750 °С із похибкою до + 1,5 % і діставати на виході ПВВ-31000 уніфікований сигнал. У перетворювачі ПЧД-121-03 чутливий елемент — фотодіод розміщено в мікротермостаті. Показник візування ПЧД-121-03 дорівнює 1:25, тобто він призначений для вимірювання температур об'єктів, розміщених на відстані 1000 мм і таких, що мають діаметр не менш як 40 мм. Для вимірювання температури нагрівання об'єктів, які мають менший діаметр, оптичну систему перетворювача ПЧД-121-03 треба доповнити конденсором, встановленим впритул до об'єктива перетво­рювача, який має рівний із його діаметром світловий діаметр [27]. При цьому потрібна фокусна відстань конденсора f_к може бути знайдена із співвідношення

де d_k — світловий діаметр конденсора; D — діаметр об'єктива перетво­рювача; k — потрібне значення відносного збільшення, що створюється конденсором.

Межі вимірювання перетворювача ПЧД-121-03 можна розширити на область вищих температур. Якщо перед його оптичною системою роз­містити вбираючий фільтр у вигляді двох пластин завтовшки 2 мм із скла ОС-5 та НС-9, за допомогою того самого перетворювача можна ви­міряти температури у межах 700—1100 °С. Конденсор і оптичний фільтр є пристроями, що розміщуються поза корпусом перетворювача і не спричинюють до якихось переробок його конструкції.

Під час вимірювань температури нагрівання термооброблюваної ді­лянки результати їх можуть бути спотворені додатковими похибками, джерелами яких є: зміни відстані від поверхні термооброблюваної ді­лянки до оптичної системи пірометра; зміни положення термооброблю­ваної ділянки малого розміру в площині візування (вихід її із зони візування); зміни умов зовнішньої освітленості поверхні термооброблю­ваної ділянки. Значення похибок, пов'язаних із першими двома причи­нами, можна істотно зменшити, забезпечивши сталість потрібних параметрів, наприклад за допомогою механічних фіксаторів положення термооброблюваної ділянки. Щоб уникнути впливу засвічування по­верхні термооброблюваної ділянки зовнішніми джерелами світла, ді­лянку слід огородити відповідними щитками, заслінками, кожухами.

Отже, пірометричний перетворювач ПЧД-121-3 із вторинним вимі­рювальним перетворювачем ПВВ-31000 і схемою встановлення заданих температур утворює датчик температури нагрівання термооброблюва­ної ділянки виробу. При досягненні ділянки, яку нагрівають, заданої температури сигнал, що виникає на виході БК, може бути перетвореним на команду вимикання струму, а при зниженні температури нижче від заданої — на команду вмикання струму.

На рисунку 5.47 наведено варіант БК на основі реле на герметизованих контактах серії РПГ і уніфікованих елементах «Логіка». Запуск його в роботу здійснюється натисканням на кнопку «Т. О. Вмк.».

Керування роботою тиристорного контактора здійснюється: затиска­чами реле К1 — нагрівання термооброблюваної ділянки повним струмом

Рисунок 5.47 – Схема блоку керування

до температури Т₁ (див. рисунок 5.45, б), затискачами реле КЗ— нагріван­ня імпульсами струму зменшеного значення протягом періоду t₁ — t₂ (див. рисунок 5.45, б) і затискачами реле К4—нагрівання імпульсами стру­му ще меншого значення протягом періоду t₃— t₄ (див. рисунок 5.45, б).

Затискачами реле К5 здійснюється перехід у схемі датчика — вимі­рювача температури від контролю температури ТІ до контролю темпе­ратури Т2. Коли подавати на обмотку реле К6 напругу, спрацьовує електромагнітний клапан ЕМПК (див. рисунок 5.46), який вмикає повіт­ряне дуття, щоб прискорити охолодження термооброблюваної ділянки.

Реле К2 спрацьовує під час досягнення термооброблюваною ділян­кою температури Т1 і вмикає реле часу на елементах Т1 і Т2 і тим за­безпечує витримку термооброблюваної ділянки при температурі Т1 про­тягом періоду t₂ — t₃.

За інших положень перемикача, який задає час витримки, те саме реле часу забезпечує витримку термооброблюваної ділянки при темпера­турі Т2 протягом часу t₃ — t₄ (див. рисунок 5.45, б). Запускання його здійс­нюється сигналом із виходу реле часу на елементах Т6 і Т7. Тим самим реле встановлюється і тривалість охолодження термооброблюваної ді­лянки повітряним дуттям.

Елемент Т8 є підсилювачем потужності; елемент ТЗ — ключ, яким керує сигнал, що надходить із виходу елемента Т1.

Цикл термообробки завершується вмиканням повітряного дуття для пошвидшення охолодження термооброблюваної ділянки до температури навколишнього середовища, після чого пристрій автоматично прихо­дить до початкового стану.

Ефективність використання стабілізації середньої потужності, що витрачається на нагрівання термо-оброблюваного з'єднання, проявля­ється зі зменшенням перерізу і довжини ділянки, яку нагрівають. На практиці ж можливі відмінності одних і тих самих термооброблюваних

Рисунок 5.48 – Регулятор квадрата ефективного значення струму

виробів як за площами їхніх перерізів, так і за довжинами термооброб­люваних ділянок. Ці відмінності повинні компенсуватися відповідними змінами середньої потужності з тим, щоб густина джерел теплоти зали­шалась незмінною.

Середня потужність Р пропорційна квадрату ефективного значен­ня струму І і активному опору R ділянки, яку нагрівають, термооб-роблюваного з'єднання:

(5.22)

Активний опір ділянки, яку нагрівають, термо-оброблюваного звар­ного з'єднання

де — питомий опір; l — довжина ділянки, яку нагрівають; S — пло­ща її поперечного перерізу.

У свою чергу, густина джерел теплоти, що розподіляються у об'ємі, який нагрівають, _{q = P/(lS)}

або після заміни у формулі (5.22) Р і R

де U_a — активна складова спадання напруги на ділянці, яку нагрі­вають.

Отже, якщо можливі зміни установочної довжини термооброблюваної ділянки виробу, то в складі автомату для термообробки повинен бути пристрій, який стабілізує квадрат ефективного значення струму; якщо можливі зміни площі поперечного перерізу однотипних виробів, то повинен бути пристрій, що стабілізує квадрат активної складової спадання напруги.

На рисунку 5.48 наведено функціональну схему пристрою, що дає змогу регулювати струм нагрівання термооброблюваної ділянки виробу і здійснювати стабілізацію квадрата його ефективного значення. У при­строї як датчик використано стандартний трансформатор струму ТС, увімкнений у коло первинної обмотки зварювального трансформатора ЗТ. Виконавчим елементом пристрою є симистор V, увімкнений послі­довно з первинною обмоткою ЗТ. Вимірювальна обмотка ТС наванта­жена резистором R_ш із опором 0,20 Ом. За максимального струму у первинній обмотці ЗТ спадання напруги на цьому резисторі становить 1В. Для нормалізації застосовано операційний підсилювач У1, складе­ний за схемою масштабного підсилювача, з коефіцієнтом зусилля 10. Сигнал, пропорційний квадрату миттєвого значення контрольованого струму, дістається на виході перемножувального пристрою М (мікро­схема типу 525 ПС 2) при вмиканні обох його входів до операційного під­силювача У1. Для підсилення сигналу розузгодження у пристрої засто­совано підсилювач У2, на інвертуючому вході якого підсумовуються напруга задавання з потенціометра R_K і напруга з виходу розмножу­вального пристрою М. Підсилювач У2 складено за схемою інтегратора і параметри у колі R_з.з і С обрані таким чином, щоб стала часу = CR_з.з дорівнювала 0,3 с. Схему і параметри підсилювача розузгодження У2 обрано з умов забезпечення стійкості роботи усього пристрою.

Відомо, що системи автоматичного регулювання з керованими вен­тилями як виконавчими пристроями можуть бути стійкими за наявності інерційної ланки. У даному разі такою інерційною ланкою є підсилювач У2, стала часу якого дорівнює 0,3 с. Щоб забезпечити потрібний запас стійкості, його контурний коефіцієнт підсилення слід взяти рівним 20. Вихід підсилювача У2 увімкнено до входу системи імпульсно-фазового керування СІФК, яка формує вузькі імпульси, що відпирають симистор V_y із фазою на виході, яка змінюється залежно від напруги. До системи СІФК уведено пристрій керованого обмеження мінімального значення кута відпирання симистора V, пропорційного куту зсуву струму ЗТ щодо напруги живильної мережі. Схема СІФК забезпечує арккосинусо­їдальну характеристику і дає змогу безінерційно стабілізувати середнє значення напруги на навантаженні симистора під час коливань напруги живильної мережі. Для цього в схемі СІФК формується пилкоподібна напруга

де U_m -- амплітудне значення напруги живильної мережі;

Напруга U (t) порівнюється із вхідною (керуючою) напругою СІФК, і в моменти рівності миттєвих значень цих напруг формуються вузькі імпульси, що відпирають симистор.

Керований обмежник мінімального кута відпирання симистора є од­новібратором, що запускається імпульсами, сформованими на нулях синусоїди напруги живильної мережі. Прямокутні імпульси з регульованою тривалістю і амплітудою, більшою за максимально можливу амплітуду пил­коподібної напруги, підсумовуються з цією напругою, тому із збільшенням ке­руючої напруги на вході СІФК кут відпирання симистора не може стати меншим від заданого обмежником зна­чення.

Встановлення квадрата струму, що стабілізується, здійснюється потенціо­метром R_к, а переривання струму — контактором S4, керованим програмно-часовим пристроєм, який задає цикл тер­мообробки зварного з'єднання.

На рисунку 5.49 наведено схему такого пристрою, складеного на реле часу ВЛ-48, що серійно випускаються промисловіс­тю, які дають змогу встановлювати ви­тримку часу від 0,1 до 100 с із похибкою ± 1,5 %. Уданому разі кількість ім­пульсів струму може встановлюватися від одного до чотирьох, а тривалість їх регулюватися від 0,1 до 10с. Загальний час циклу термообробки до 20 с задається уставкою реле часу КТ8. Вилучення, за потреби, другого, третього або четвер­того імпульсів із загального циклу про­вадиться за допомогою вимикачів SA1 — SA3. Тривалість імпульсів струму за­дається уставками реле часу КТ1 — КТ7.

Рисунок 5.49 – Схема програмно-ча­сового пристрою

Виконання циклу термообробки забезпечується короткочасним на­тисканням кнопки ST1. Це спричинює подання напруги на обмотку ре­ле К2, яке спрацьовує і заблоковується через власні контакти. Затиска­чами реле К2 запускається реле часу КТ8, вимикається живлення лам­пи підсвічування HL термооброблюваного стику і через затискачі реле часу КТ1 — КТ7 здійснюється подання імпульсів напруги живлення на обмотку реле К7. Затискачами цього реле вмикаються імпульси стру­му нагрівання (див. контакт SH на рисунок 5.48) для термообробки звар­ного з'єднання.

Цикл термообробки завершується автоматично, коли скінчиться час (встановлено реле часу КТ8). Сигналом про це є загоряння лампи HL. На основі цієї властивості не важко створити програмно-часовий при­стрій, що забезпечує здобуття іншої кількості імпульсів струму та з іншими тривалостями.