5.11 Автоматизація дифузійно–вакуумного зварювання

Зростаюче використання дифузійно-вакуумного зварювання (ДВЗ) для з'єднання спеціальних сталей, кольорових металів і їхніх сплавів, а також неметалевих матеріалів обумовлене істотними перевагами цього способу зварювання порівняно з традиційними способами зварювання плавленням, тиском, а також із паянням:

а) дифузійний механізм утворення з'єднання дає змогу зварювати матеріали, з'єднання яких іншими способами ускладнене або неможли­ве; під час нагрівання у вакуумі зварювані поверхні очищуються через знегажування і дисоціацію оксидних плівок;

б) вихідні властивості матеріалів мінімально змінюються внаслідок невисокої зварювальної температури (звичайно );

в) процес ДВЗ є екологічно чистим, оскільки він не супроводжуєть­ ся виділенням шкідливостей, характерних для інших способів зварю­вання і паяння.

Утворення з'єднання за ДВЗ обумовлене одночасною дією трьох основних параметрів режиму: температури Т нагрі­вання заготовок, зусилля Р їхнього стиснення і тривалості t_зв ізомет­ричної витримки у вакуумі або контрольованому газовому середовищі. Температура нагрівання визначає пластичні властивості зварюваль­ного контакта та інтенсивність процесів дифузійного масообміну у цій області. Підвищення температури при сталості інших параметрів режи­му збільшує міцність з'єднання до певного рівня [8], після якого міц­нісні властивості змінюються не на багато або погіршуються внаслідок змін структури матеріалу.

П ри зварюванні напівпровідникових матеріалів граничні значення температури нагрівання обмежені умовою збереження їхніх електро­фізичних властивостей, тому для автоматизації дифузійних процесів застосовують додаткові механічні, хімічні, електростатичні та інші дії.

Рисунок 5.50 – Об'ємна залежність міцності а_в з'єднань від температури і тиску

У деяких випадках, якщо зва­рюють скло, ситали, кераміку та ін., на процес істотно впливає не тільки температура, що встанови­лася у виробах, але й швидкість її зміни на початку і в кінці нагріван­ня. Ці швидкості визначають у кож­ному конкретному випадку, вихо­дячи з вимог мінімізації залишкових напруг і деформацій у зварюваль­ному вузлі внаслідок різниці кое­фіцієнтів температурного розши­рення з'єднуваних матеріалів.

Зусилля стиснення Р заготовок у процесі їхнього нагрівання визначає сумарну фактичну площу контактування та інтенсивність процесів дифузії. Однак розглядати вплив зусилля стиснення поза його зв'язком із тепловою дією методологічно є некоректним, оскільки при ДВЗ, як і при інших способах зварювання, тиск, механічна і теплова енергії, бу­дучи взаємопов'язаними, діють одночасно.

За умови утворення рівноцінного з'єднання зв'язок між температу­рою нагрівання Т і зусиллям стиснення Р повинен визначатися співвід­ношенням

ТР = const.

Ця залежність повинна враховуватися при побудові систем керуван­ня якісними показниками зварних з'єднань, утворених ДВЗ. Так, за­лежність міцності від температури і тиску у загальному випадку є три­вимірною поверхнею (рисунок 5.50), яка при перетині з площиною Т — р утворює межу зварюваності. Поєднання режимів нагрівання і тиску, що знаходяться в області А, не можуть забезпечити якісного з'єднання. Ця умова виконується тільки поєднанням режимів, розміщених в облас­ті В.

Час зварювання (нагрівання) t_зв обирають із умови забезпечення пов­ноти протікання процесів дифузії та утворення з'єднання з потрібними міцнісними властивостями. У загальному випадку зі збільшенням часу нагрівання міцність з'єднання збільшується до певного значення; даль­ше нагрівання може призвести до погіршення якості внаслідок зміни структури матеріалів, деформацій тощо. У ряді випадків істотним па­раметром режиму, що впливає на міцність і пластичність, є час витри­мування деталей під тиском після завершення їхнього нагрівання.

Активність контрольованого газового середовища визначається сту­пенем його взаємодії зі зварюваними матеріалами. Найпоширенішим під час ДВЗ є вакуумування простору робочої камери. Нагрівання за­готовок у вакуумі супроводжується їхньою дегазацією, що сприяє під­вищенню якості з'єднання. Чим вищий ступінь розрідження, тим ак­тивніше очищуються поверхні, полегшуються умови з'єднання їх, що особливо важливо при ДВЗ різнорідних матеріалів. Однак досягнення глибокого вакууму поєднане зі значними витратами часу і подорожчан­ням устаткування. Тому в ряді випадків замість вакууму використо­вують нейтральне або відновлюване газове середовище тиском нижче атмосферного. Особливо широко застосовується таке середовище у разі використання як джерела нагрівання плазми жевріючого розряду.

О сновними збуреннями, що порушують нормальне протікання проце­су ДВЗ, є зміни умов нагрівання і стиснення заготовок. Режим роботи нагрівача найчастіше порушується через змінювання струму джерела живлення внаслідок коливань мережної напруги. Звичайно короткочас­ні кидки струму

Рисунок 5.51 – Функціональна схема системи керування устаткуванням для ДВЗ

практично не відбиваються на температурі, що вста­новилася у виробі, внаслідок значної теплової інерційності нагрівача. Лише у разі використання як джерела нагрівання плазми жевріючого розряду навіть короткочасні зміни струму можуть спричинити переходи жевріючого розряду у дуговий, що є неприпустимим.

Повільні зміни напруги мережі протягом одного зварювального цик­лу при використанні нестабілізова­ного джерела живлення нагрівача призводять до порушення теплової рівноваги всередині робочої камери і, отже, до зміни умов формування з'єднання. Це збурення найнесприят­ливіше впливає під час зварювання вузлів, що вимагають прецизійного регулювання температури, напри­клад, якщо температура нагрівання близька до точки Кюрі зварювального матеріалу.

Джерелом збурень зусиллям стис­нення є теплові деформації зварюва­них деталей і вузлів механізму стис­нення у випадку, якщо їхня конструк­тивна схема має високу жорсткість. Щоб усунути вплив цього збурення, достатнім є введення до конструк­ції механізму стиснення пружних компенсаторів, наприклад силь­фонів.

До технологічних збурень належать порушення технології підготов­ки та складання зварюваних вузлів і очищення внутрішньої поверхні робочої камери. Внаслідок недостатнього очищення поверхонь зварю­ваних деталей і внутрішніх поверхонь камери, а також через присут­ність матеріалів, що виділяють гази при нагріванні, зволікається, а іноді виявляється і неможливим досягнення глибокого вакууму.

Локальні регулятори процесу ДВЗ. Узагальнену функціональну схему системи керування устаткуванням для ДВЗ подано на рисунку 5.51. У робочій камері РК розміщується джерело нагрівання ДЖ виробу В. Простір усередені РК вакуумується до 10^-5Па або наповнюється ро­бочим газом (сумішшю газів) тиском до 1—10 кПа. У першому ви­падку як джерело нагрівання застосовують високочастотні індук­тори, радіаційні електронно-променеві та електроконтактні нагрі­вачі. У другому випадку нагрівання здійснюється у плазмі жевріючого розряду.

Оператор за допомогою системи керування СК установкою керує системами вакуумування СВ і охолодження CO камери, маніпулятором виробів MB і системою стиснення СС виробів. Зворотні зв'язки за кон­трольованими параметрами із системою керування здійснюються датчиками вакууму ДВ, режиму охолодження ДО, температури виробу ДТ, позиціонування ДП і зусилля стиснення ДЗ.

Окрім перелічених основних систем, установки ДВЗ часто обладну­ються додатковими пристроями, що виконують допоміжні технологіч­ні операції (іонне очищення з'єднуваних поверхонь, напилення тощо).

Система вакуумування є найважливішою і найсклад­нішою у складі устаткування для ДВЗ. Час відкачування робочої ка­мери може сягати 50—80 % від загального зварювального циклу, тому продуктивність системи вакуумування істотно впливає на продуктив­ність устаткування в цілому. Збільшення продуктивності насосів ва­куумної системи різко здорожує устаткування, оскільки вартість цієї системи складає основну частину загальної вартості зварювальної ус­тановки.

Найпоширенішою в установках ДВЗ є схема двоступінчастого ваку­умування, коли попереднє розрідження створюється форвакуумним насосом, а глибокий вакуум — дифузійним паромасляним, турбомо-лекулярним, електро-розрядним та іншими насосами. Найвідповідаль­ніша операція керування системою вакуумування — це визначення мо­менту переходу від попереднього до завершального вакуумування.

Передчасне вмикання паромасляного насосу найчастіше призводить до аварійних ситуацій, а затримка його вмикання збільшує тривалість процесу вакуумування. Контроль вакууму і вмикання насосів здійс­нюються оператором візуально за показниками вакуумметра, що з'єдна­но з первинними перетворювачами вакууму, найпоширенішими серед яких є термоелектричні (діапазон вимірювань до 10^-1 Па) і іонізаційні (до 10^-5 Па) вакуумметри.

При автоматизації процесу вакуумування здійснюється вимірюван­ня струму емісії термоелектричного вакуумметра типу ПМТ або роз­рядного струму інверсно-магнетронного манометричного перетворю­вача з холодним катодом типу ПММ. Залежність цих електричних па­раметрів від вакууму використовується для того, щоб керувати схемами вмикання насосів, вакуумних вентилів та ін. Такі системи керування вакуумуванням застосовуються в установках вакуумного напилення типу УВН-71-ПЗ, ВУ-1 тощо і можуть бути використаними при модер­нізації зварювального устаткування для ДВЗ.

Система нагрівання виробу забезпечує потрібний закон зміни температури виробу і виконується за схемою двопозиційного ре­гулятора (рисунок 5.52).

Напруга задатчика потрібної температури нагрівання U (Т_о) порів­нюється на вході двопозиційного регулятора з напругою U (Т) датчика температури ДТ. Виконавчий пристрій ВП керує джерелом живлення ДЖ нагрівача Н, за який звичайно застосовують або високочастотні індуктори, що живляться ламповим ВЧ-генератором, або радіаційні циліндричні нагрівачі з молібденової (ніобієвої) стрічки, що живляться струмом промислової частоти через понижувальний трансформатор.

Рисунок 5.52 – Функціональна схема системи керування нагріванням

У разі використання як нагрівача плазми жевріючого розряду темпера­тура нагрівання залежить не тільки від струму розряду, але й від тис­ку газу і міжелектродної відстані, що забезпечує ширші можливості для побудови CAP нагріванням.

Як первинні перетворювачі використовують загальнопромислові технічні засоби — термоелектричні перетворювачі (діапазон вимірю­вань до 1300 °С), оптичні і фотоелектричні пірометри (600—1800 °С). Якщо істотну роль відіграє не тільки апаратура, але й швидкість її зміни, то застосовують програматори установки U (Т_о).

Система стиснення залежно від зусилля, що розвивається, використовує електромеханічні (зусилля до 10 кН) або гідравлічні (до 100 кН) приводи.

Для електромеханічних приводів раціонально використовувати електромеханізми з шарико-гвинтовими передачами (ШГП) і двигуном постійного струму, які серійно випускаються. Такі приводи компактні, мають достатньо широкий діапазон регулювання і добре вписуються у конструктивну схему типового устаткування для ДВЗ. Конструкція електромеханізму у ШГП вилучає люфти і «вибігання» вихідного штока після вимикання електродвигуна, що особливо потрібно для плавного прецизійного регулювання зусилля стиснення. Однак область застосу­вання електромеханічних приводів обмежена тільки зварюванням ма­логабаритних вузлів, якщо зусилля стиснення не перевищують 10 кН. Для стиснення великогабаритних заготовок застосовують гідропри-води, що забезпечують можливість плав­ного регулювання значних зусиль. Основ­ні недоліки гідравлічних систем стис­нення — значні габаритні розміри, під­тікання масла і високий рівень шуму. Відомі безприводні системи стиснення, коли потрібне зусилля створюється за рахунок термонатягу в жорсткому замк­неному силовому контурі під час його нагрівання

Рисунок 5.53 – Схема силового кон­туру з використанням теомона­тягу

(рисунок 5.53). Заготовки 3 встановлюються всереди­ні жорсткого замкненого контура 1, виконаного зі сталі 10X13 із невеликим коефіцієнтом теплового розширення. По­переднє стиснення заготовок здійснюється гвинтовим притискачем; верхній і нижній притискачі 2 виготов­лені з матеріалу з великим порівняно зі сталлю 10X13 коефіцієнтом теплового розширення (сталь Х18Н9). Під час нагрівання заготовки стискаються зусиллям, що виникає внаслідок різниці коефіцієнтів теплового розширення елементів контура, і пропорційне температурі нагрівання силового контура.

Для побудови систем автоматичного керування процесом стиснення як первинні перетворювачі звичайно використовуються загальнопро-мислові технічні засоби — тензометричні перетворювачі, які встанов­люють на елементи, що пружно деформуються (мембрани, скоби), роз­міщені у силовому контурі привода стиснення.

Перспективним для такої мети виявляється використання п'єзоквар­цевих і п'єзокерамічних перетворювачів, що є разом із тим елементами коливального контура генератора високої частоти. Перетворення зусил­ля у зміну частоти електричних коливань зручне для поєднання вимі­рювального пристрою з мікропроцесорними системами керування.

Програмне керування устаткуванням для ДВЗ. Якісне з'єднання при ДВЗ можна дістати тільки в результаті здійснення суворо регла­ментованої послідовності виконання окремих операцій під час термоме­ханічної дії на виріб, жорстко пов'язаної з етапами вакуумування робо­чого простору.

На рисунку 5.54 подано спрощений типовий алгоритм керування уста­новкою дифузійно-вакуумного зварювання з паромасляною системою вакуумування. Після команди «Пуск» перевіряються блоківки наявності тиску в системі водяного охолодження, пристрої захисту персоналу від високої напруги та ін. Якщо хоча б одна з блоківок спрацювала, вмикається відповідна сигналізація. При нормальному стані блоківок оператор (дії, виконувані оператором, позначено подвійною стрілкою) вмикає пускач № 1, який запускає форвакуумний насос, потім відкри­ває вакуумний вентиль.

За показаннями вакуумметра № 1 оператор приймає рішення про можливість вмикання пускача № 2 нагрівача паромасляного насосу і програматора нагрівання виробу. Після досягнення потрібного ваку­уму і температури нагрівання виробу оператор відкриває вакуумний затвор робочої камери і вмикає привод стиснення виробу, а при досяг­ненні потрібного зусилля стиснення оператор запускає реле часу зва­рювання. Коли сплине цей час, вимикається нагрівач виробу і запуска­ється реле часу витримування виробу під тиском. Далі оператор за­криває вакуумний затвор і реверсує привод стиснення, звільняючи виріб. Після вмикання вентиля напуску і вирівнювання тисків усере­дині робочої камери з атмосферним оператор вмикає привод піднімання ковпака камери.

Розглянутий алгоритм є найпростішим, оскільки не охоплює опера­цій керування маніпулятором виробу і допоміжними технологічними процесами.

Рисунок 5.54 – Узагальнений алгоритм керування устаткування для ДВЗ

Рисунок 5.55 – Функціональна схема СПК із мікроЕОМ

У реальних виробничих умовах оператору слід суворо дотримувати­ся послідовності виконання окремих процедур керування, контролюва­ти велику кількість параметрів, що характеризують стан окремих агре­гатів устаткування, і швидко приймати оптимальне рішення під час по­рушень нормального ходу процесу. Якість зварних з'єднань при ДВЗ суттєво поліпшується і стабілізується в межах всієї партії однотипних виробів, якщо функції оператора по керуванню і прийманню рішень виконують системи програмного керування (СПК).

Система програмного керування ДВЗ з м і к­ р о Е О М. З алгоритму керування типовою установкою для ДВЗ ви­пливає, що потрібно забезпечити програмне керування не менш ніж трьома взаємопов'язаними процесами: вакуумуванням, нагріванням і стисненням заготовок.

Для великосерійного виробництва зварних вузлів класів метал + скло, метал + кераміка, скло + кераміка та ін. розроблено універсаль­не устаткування з програмним керуван-ням від мікроЕОМ.

Система складається з чотирьох функціональних модулів (рисунок 5.55): модуль вакуумної автоматики MBА; модуль нагрівання МН; модуль стиснення МС; модуль мікроЕОМ і джерел живлення МДЖ.

Модуль вакуумної автоматики містить блоки ручного БРКВ і авто­матичного БЛКВ керування вакуумуванням, вакуумне реле ВР, ваку­умний насос ВН і вакуумметр В. Автоматичне керування всіма етапами вакуумування здійснюється мікроЕОМ на базі програмованого конт­ролера МС 2702.

Після досягнення заданого вакууму вмикається модуль нагрівання МН, що містить блок ручного керування нагріванням БРКН, силовий тиристорний регулятор нагрівання СРН, блок вимірювання температури БВТ і радіаційний нагрівач, який розміщено навколо виробу у ро­бочій камері.

Фактичне значення температури, перетворене БВТ у цифровий код, порівнюється у ПК МС 2702 із заданим значенням, що зберігається в його пам'яті; сигнал розузгодження використовується для керування СРН.

Модуль стиснення заготовок містить блок ручного задавання тиску БРЗТ, задатчик швидкості навантаження ЗШН, сервопривод наванта­ження СН і блок вимірювання навантаження БВН, що виконує роль перетворювача «аналог — код».

Модуль МДЖ, окрім ПК МС 2702, містить триканальне джерело живлення із захистом від короткого замикання і обривання кіл наван­таження.

Система програмного керування нагріван­ням за математичною моделлю призначена для керу­вання температурою нагрівання з'єднуваних поверхонь заготовок у варіанті використання джерелом нагрівання плазми жевріючого розря­ду. Контроль температури у цьому разі як контактними, так і безкон­тактними вимірювальними пристроями ускладнений через високу тем­пературу плазми і фонове випромінювання розряду.

Залежність теплового стану зони з'єднання під час іонного нагріван­ня від розрядного струму і тиску захисного газу, що характеризують відповідно потужність і густину енергії у плямі нагрівання, дає змогу створити математичну модель нагрівання, яка враховує параметри ре­жиму і характеристики зварюваних заготовок.

Для заготовок порівняно простої форми (циліндра, паралелепіпеда та ін.) математична модель для температури нагрівання має вигляд

(5.23)

де Т ( ) — поточна температура зони зварювання; h_e — ефективний ККД нагрівання; І_р, U_p — струм і напруга жевріючого розряду від­повідно; F — площа поперечного перерізу з'єднуваних деталей; К, С, — теплопровідність, теплоємність і густина матеріалу заготовок від­повідно; — коефіцієнт температуровитрачання.

Потрібна точність моделі досягається за числа членів ряду п 4.

На рисунку 5.56 подано функціональну схему СПК нагріванням плаз­мою жевріючого розряду з використанням математичної моделі (5.23). Система має ієрархічну структуру — на першому рівні керування ви­користовуються локальні регулятори струму розряду і тиску газу, на другому — мікропроцесорна система, що керує роботою регуляторів першого рівня через зміну відповідних установок І_р і U_p.

Обчислювальний пристрій ОП на базі програмованого контролера МС-2702 здійснює:

а) розрахунок поточних значень температури за формулою (5.23);

Рисунок 5.56 – Функціональна схема СПК із математичною моделлю

б) розрахунок значень розряд­ного струму

в) розрахунок тиску газу

де Р_кр — наперед відоме для кон­кретного матеріалу і типорозміру заготовок значення критичного тис­ку, за якого відбувається перехід жевріючого розряду ЖР у дуговий.

Результати обчислень відбиваю відбиваються на екрані дисплея і за допомо­гою цифро-аналогових перетворювачів ЦАП використовуються для ке­рування локальними регуляторами режиму жевріючого розряду.