5.13 Автоматизація зварювання тертям

Процес утворення зварних з'єднань під час зварювання тертям мож­на розглядати як результат сумісної дії вхідних змінних — осьового зусилля F (t) і кутової швидкості обертання (t), а також збурень на вихідні — показники якості зварних з'єднань. Залежно від характеру зміни F (t) і о (t) розрізняють три основних способи зварювання тер­тям:

Звичайний (конвенційний) спосіб характеризу­ється нагріванням зварюваних зразків при сталому значенні швидкості обертання _н і докладанні сталого за значенням осьового зусилля на­грівання F_H із дальшим збільшенням його до зусилля проковування F_np у момент гальмування зварюваної деталі (рисунок 5.64, а).

Інерційний спосіб зварювання тертям містить розгін однієї із зварюваних деталей до швидкості со_гюч і докладання до зварюваних деталей двоступеневого силового циклу при спадаючій ку­товій швидкості обертання від _поч до 0 (рисунок 5.64, б).

Комбінований спосіб (рисунок 5.64, в) відрізняється від. звичайного інерційним завершенням процесу гальмування деталі, що обертається, на стадії докладання зусилля проковування F_nр.

На відміну від способів зварювання, при яких термічна дія на виріб здійснюється електричною енергією, нагрівання під час зварювання тертям відбувається перетворенням механічної енергії в теплову безпо­середньо у місці з'єднання. При цьому такі збурюючі дії, як коливання напруги живильної мережі або стан навколишнього середовища фак­тично не впливають на параметри процесу. Стабільність відтворення заданого силового циклу залежить від типу привода осьового зусилля, який застосовують.

Установки для зварювання тертям звичайно оснащують пневматич­ними, гідравлічними або електромагнітними приводами осьового зусил-

Рисунок 5.64 – Основні способи зварю­вання тертям

ля. Гідроприводи автономні і достатньо стабільні, пневмоприводи під­даються впливу коливань тиску у пневмомережі, а на зусилля, що роз­вивається електромагнітами, впливає зазор у магнітній системі.

Найістотніші збурюючі дії, що впливають на міцність зварних з'єд­нань, визначаються якістю підготовки торців зварюваних деталей, на­явністю скосів по сполучуваних поверхнях, забруднень, задирів, ок­сидних або жирових плівок.

Щоб прогнозувати якість зварних з'єднань, слід використовувати характеристики фізичних процесів, що супроводжують зварювання тертям. До таких показників процесу належать: М — момент тертя, N — потужність тепловиділення, — осаджування (пластична дефор­мація зварюваних деталей), t — температура стику або розподіл темпе­ратурного поля по поверхні торців зварюваних деталей.

Завдання автоматичного керування процесом зварювання тертям зводиться до стабілізації параметрів керуючих дій і визначенню опти­мального моменту часу переходу від нагрівання до проковування.

Існуюче устаткування для звичайного зварювання тертям дає змогу регламентувати процес нагрівання або за часом нагрівання t_H, або за осаджуванням при нагріванні l_н [33]. Регламентація за часом реко­мендується у тих випадках, коли лінійні розміри заготовок мають вели­кі допуски, поверхні спряження оброблені зі скосом, на них є задири, відколи та ін. Регламентація за осаджуванням застосовується у тих випадках, коли ставлять високі вимоги до розмірів деталей. При цьому на контактуючих поверхнях можна допустити наявність оксидів, жиро­вих плівок тощо.

Для інерційних машин способи регламентації процесу нагрівання за часом нагрівання або осаджування виявляються малоефективними, оскільки потребують витрат часу на відпрацювання технології і не за­безпечують стабільність протікання процесу зварювання. Відомий спо­сіб регламентації процесу нагрівання за моментом сил тертя. Типову криву зміни моменту сил тертя під час інерційного зварювання пока­зано на рисунку 5.65. Перший максимум М₁ на кривій моменту і зниження його до значення, що встановилося (фаза t₁), пов'язані з виникненням контакту між виступами поверхонь, їх деформацією, утворенням і руй­нуванням місточків схоплювання. Потім надходить фаза t₂, що встано­вилася, за якої відбувається розігрівання стику по всьому перерізу. Фаза t₃ характеризується виникненням другого максимуму моменту М₂ і спаданням його до нульового значення. У цій фазі відбувається остаточне формування зварного з'єднання. Вмикання проковування за цим способом здійснюють при переході з фази t₂, що встановилася, до фази t₃ виникнення другого максимуму моменту тертя. Дослідженнями, проведеними в ІЕЗ ім. Є. О. Патона АН України, встановлено, що для більшості зварюваних матеріалів перехід до максимуму моменту тертя відбувається при швидкості обертання шпинделя, яка становить 10— 20 % від початкової, що відповідає 1—4 % запасеної в обертовому маховику

Рисунок 5.65 – Діаграма зміни моменту сил тертя під час інерційного зварювання тертям

Рисунок 5.66 – Схема програмування циклу зварювання за швидкістю

кінетичної енергії. З цього випливає можливість створення си­стеми керування силовим циклом у функції швидкості обертання шпин­деля.

Схема керування (рисунок 5.66) дає змогу вмикати силовий цикл зварю­вання при досягненні шпинделем заданої кутової швидкості обертання, а також дозувати витрати енергії, накопиченої в маховику під час нагрівання і проковування. Схема містить компаратори DA1 і DA2 із підсилювачами вихідного струму VT1, VT2, реле вмикання циклу на­грівання KV1 і проковування KV2. Коли напруга тахогенератора до­сягає значення напруги задавання U_зад, то спрацьовує компаратор ЇМ/, реле KV1 вимикає привод обертання і вмикає привод осьового зусилля на «нагрівання». Далі, по зниженню напруги U_тг до значення, що від­повідає 10—20 % початкової швидкості, компаратор DA2 перемикає реле KV2, яке своїми контактами перемикає задавальну напругу з «на­грівання» на «проковування» на вході регулятора привода осьового зусилля.

Силовий електромагнітний привод. В інерційних машинах для зва­рювання тертям, розроблених в ІЕЗ, як привод осьового зусилля засто­совують одно- і двополюсні силові електромагніти постійного струму (рисунок 5.67).

В ідомо, що сила, яку розвиває електромагніт, залежить не тільки від струму в його котушці, а й від зазора в магнітній системі, який може змінюватись як від установочних роз­мірів виробів, так і через їхнє оса­джування в процесі зварювання. Вплив цих збурюючих дій на осьове зусилля можна усунути введенням зворотного зв'язку за осьовим зусил­лям в систему регулювання струму котушки електромагніту.

1 — нерухомий магнітопровід; 2 — силова котуш­ка;

3 — вал машини; 4 — рухомий магнітопровід

Рисунок 5.67 – Силові електромагніти

Як датчик зусилля застосовують пристрої, що грунтуються на принципі вимірю­вання пружних деформацій конструктивних елементів машини з тен­зометричними, індуктивними або ємнісними перетворювачами. Однак такі пристрої не завжди можна застосовувати без помітного ускладнен­ня конструкції машини.

Сила, яку розвиває електромагніт,

(5.26)

де Ф — магнітний потік; — магнітна проникність; S — площа по­верхні полюсів електромагніту. Із формули (5.26) випливає, що вимірю­вання зусилля можна звести до вимірювання магнітного потоку робочих полюсів електромагніту.

Для котушки індуктивності однополюсного електромагніту (рисунок 5.67, а), що вмикається до джерела постійного струму, можна за­писати рівність

(5.27)

де і (t) — струм, що протікає в котушці; r — опір котушки;

U_ж — нап­руга, прикладена до котушки.

Із рівняння (5.27) магнітний потік

Такий спосіб вимірювання магнітного потоку може бути здійсненим при використанні підсумовуючого та інтегруючого підсилювачів. При цьому на інвертуючий вхід підсумовуючого підсилювача подають нап­ругу, пропорційну струму, що протікає по котушці Y, який знімають із шунта R_ш, ввімкненого послідовно з силовою котушкою Y, а на неінвер­туючий вхід — напругу з подільника R1 — R2, увімкненого паралель­но до джерела живлення котушки (рисунок 5.68). Спосіб, відзначаючись простотою, має той істотний недолік, що через нагрівання котушки струмом, який проходить через неї, порушується баланс

де R_K — активний опір котушки електромагніту; R_ш — опір шунта, що призводить до зниження точності вимірювання магнітного потоку. Стабільніші результати вимірювання магнітного потоку можна ді­стати, використовуючи додаткову вимірювальну котушку, розміщену поблизу робочого торця електромагніту, сигнал якої

подають на вхід інтегруючого підсилювача.

Рисунок 5.68 – Схема вимірювання магніт­ного

потоку

Рисунок 5.69 – Функціональна схема си­лового електро-магнітного привода

В інерційних машинах для зварювання тертям, розроблених в ІЕЗ ім. Є. О. Патона АН України, застосовуються двополюсні силові елек­тромагніти, що мають три додаткові вимірювальні котушки, послідовне вмикання яких дає змогу врахувати потоки розсіювання і діставати су­марну ЕРС у вигляді

де Ф₁, Ф₂ — потоки внутрішнього і зовнішнього полюсів відповідно.

Здобуте при цьому значення, пропорційне магнітному потоку, мож­на використовувати як сигнал зворотного зв'язку регулятора осьового зусилля.

Регулятор (рисунок 5.69) складається з компаратора 1, підсилювача по­тужності 2, тиристорного ключа 3, що живить силову котушку І елек­тромагніту 4, інтегратора 5 у колі зворотного зв'язку за магнітним по­током, який вимірюється котушкою ІІ. Ключ S, що перемикається ок­ремим пристроєм керування ПК, призначено для встановлення нульо­вих п очаткових умов інтегрування.

Рисунок 5.70 – Принципова схема силового електромагнітного привода

Принципову схему регулятора осьового зусилля наведено на рисунку 5.70. Живлення силової котушки І електромагніту Y здійснюється тиристорним випрямним мостом VS1, VS2, VD2, VD3. Оптронні тири­стори VS1 і VS2 керуються ключем VT1 і двовходовим компаратором DA1, на один із входів якого подають задавальну напругу, а на дру­гий — сигнал зворотного зв'язку з виходу інтегратора DA2. У вихід­ному стані схеми задають нульові початкові умови інтегрування шун­туванням, наприклад контактами реле, інтегруючої ємності С1 (кола встановлення початкових умов на схемі не показані). Під час подаван­ня напруги U_M на випрямний міст у силовій котушці І електромагні­ту починає наростати струм, а у вимірювальних котушках ІІ збуджу­ється ЕРС, пропорційна зміні магнітного потоку. ЕРС подається на вхід інтегратора DA2, вихідна напруга якого пропорційна магнітно­му потоку електромагніту. Ця напруга подається на вхід компаратора DA1, де вона порівнюється із задавальною, і при перевищенні напругою зворотного зв'язку задавальної компаратор DAI перемикається в ну­льовий стан і запирає транзистор VT1. При цьому припиняється про­ходження струму через керуючі переходи силових тиристорів, вони за­пираються і струм, а отже, і магнітний потік електромагніту почина­ють зменшуватись. ЕРС вимірювальних котушок, пропорційна цій зміні потоку, інтегрується, напруга зворотного зв'язку зменшується до рівня, меншого заданого, компаратор перемикається в одиничний стан, відпирає через VT1 силові тиристори і в котушці І знову відбува­ється зростання струму. Отже, здійснюється стабілізація магнітного потоку, утворюваного силовою котушкою електромагніту на рівні, що визначається задавальною напругою.

Описана вище система регулювання належить до класу нелінійних систем із структурною стійкістю. Щоб оцінити динамічні властивості системи, можна визначити час t₃ зростання зусилля від нуля до номі­нального значення, яке відповідає часу зростання струму в перехідному процесі від 0 до i_н під час вмикання котушки з індуктивністю L і ак­тивним опором r до джерела постійного струму з напругою U_Ж:

де і_н — номінальний струм силової котушки, який визначено за зако­ном повного струму магнітного кола силового електромагніту; — коефіцієнт форсування живильної напруги; — стала часу силової котушки електромагніту.

Щоб досягти високих динамічних властивостей на стадії проектуван­ня, слід задатися t_н у межах 0,1 ...0,2 с, при цьому коефіцієнт форсу­вання живильної напруги k_ф = 5 ... 10.

У статичному режимі властивості привода осьового зусилля з елек­тромагнітом описуються регулюючою характеристикою F = f (U_BX). Враховуючи, що в статичному режимі задавальна напруга U_зад дорів­нює вихідній напрузі інтегруючого підсилювача U_{вих.інт}

де _інт — стала інтегрування, і беручи до уваги співвідношення (5.26), рівняння регулювальної характеристики дістаємо у вигляді

Вимірювання моменту тертя. Найдокладнішу інформацію про яви­ща, що відбуваються на поверхні тертя, і характер перетворення меха­нічної енергії в теплову можна дістати, реєструючи момент, який вини­кає під час зварювання тертям. Він є функцією механічних і теплофізич­них властивостей, форми перерізу і розмірів зварюваних заготовок, тиску і кутової швидкості обертання, а також стану поверхні тертя (шорсткості, забруднень тощо).

Момент тертя можна використовувати для контролю якості з'єднань І керування процесом зварювання. Тут потрібен пристрій для вимірю­вання моменту тертя, оснащений електричним виходом. Із цією метою можуть бути застосовані пристрої, що грунтуються на принципах вимі­рювання пружних деформацій тих або інших конструктивних елементів машини з тензометричними, індуктивними, ємнісними чи іншими датчи­ками.

Одну з можливих конструкцій подібного пристрою наведено на рисунку 5.71. Пристрій виконано у вигляді двох пружних призм 2 із вста­новленими на них тензометричними датчиками 3. Пружні призми за­кріплені на призмах 1 затискача для необертової деталі із зазором щодо останніх. Пружні призми розміщено з боку затискача для обертової деталі і мають робочу поверхню abcdef, ідентичну робочій поверхні ABCDEF призм затискача для необертової деталі. Під дією моменту сил тертя пружні призми зазнають деформацію вигину. Сигнал із вста­новлених на них тензодатчиків пропорційний діючому значенню момен­ту сил тертя.

Друга можливість вимірювання моменту сил тертя може бути здій­снена при звичайному зварюванні тертям на установках, що мають при-вод обертання, виконаний із використанням двигуна постійного стру­му, наприклад установка СТ-118. Відомо, що для двигуна постійного струму обертовий момент М пропорційний струму якоря І_я:

д е С_м — стала, що визначається конструктивним виконанням двигуна; Ф — потік збудження двигуна.

Рисунок 5.71 – Пристрій для вимі­рювання моменту тертя

Рисунок 5.72 – Схема асинхронного тахогенератора

При використанні двигуна постійного струму з незалежним збу­дженням Ф = const вимірювання моменту зводиться до вимірювання струму якоря.

Для машини інерційного зварювання тертям обертання шпинделя після вимикання привода обертання і вмикання осьового зусилля опи­сується рівнянням

де М_т — момент тертя у стику зварного з'єднання; М_о — момент опо­ру в опорах і передачах машини; J — момент інерції обертових частин машини; со — кутова швидкість обертання; t — час.

Оскільки момент інерції J обертових частин машини — значення стале, а момент опору М_о в опорах і передачах малий порівняно з мо­ментом тертя М_т в стику зварного з'єднання, можна вважати, що мо­мент М_т визначається прискоренням d /dt. Тому достатньо продифе­ренціювати сигнал кутової швидкості (який знімають з тахогенерато­ра), щоб знайти прискорення і відповідно момент тертя.

Найповніше відповідає розв'язуванню завдання диференціювання сигналу кутової швидкості асинхронний тахогенератор під час збу­дження його постійним струмом. Асинхронний тахогенератор (рисунок 5.72) має на статорі дві обмотки, зсунуті у просторі на 90 ел. град. Одна з них — обмотка L_B, використовується для збудження магнітного потоку _Фds, з другої — обмотки L_г, знімається вихідна напруга U_г. Під час обертання ротора його елементарні провідники перетинають маг­нітний потік збудження _Фds і у них наводиться ЕРС обертання.

Під дією ЕРС обертання ротором проходять струми, контури яких при великому активному опорі ротора практично збігаються з віссю d потоку збудження _Фds (рисунок 5.72). Ці струми утворюють власний маг­нітний потік ротора _Фqr, який спрямовано поперечною віссю q тахоге­нератора,

Потік _Фqr, зчеплюючись із витками генераторної обмотки Г, наво­дить у них ЕРС:

де W_r— кількість витків генераторної обмотки.

При сталій швидкості обертання _Фqr=const, оскільки магнітний

Потік _Фds також сталий, а отже, е_г = 0. При змінній швидкості обертан­ня пропорційно їй змінюються ЕРС обертання ротора, струм ротора і збуджуваний ним потік ротора _Фqr, поперечною віссю тахогенератора. Отже, у генераторній обмотці наводиться ЕРС, пропорційна похідній швидкості а» за часом, тобто

Це означає, що ЕРС і вихідна напруга U_r асинхронного тахогенера­тора під час живлення його обмотки постійним струмом пропорційні прискоренню ротора, і у цьому режимі тахогенератор є датчиком при­скорення. Слід зазначити, що під час роботи зварювальної машини змі­на потоку поперечною віссю тахогенератора зумовлена не тільки нерів­номірною зміною кутової швидкості, але й вібрацією установки. Вста­новлено, що у машин для інерційного зварювання тертям максимум віб­рації лежить у частотному діапазоні 10—15 Гц. Тому для виділення сигналу d /dt використано підсилювач і фільтр низьких частот. Експе­риментально визначено, що при частоті зрізу фільтра f_зр = 5 Гц крива прискорення не має помітних спотворень. Критеріями оптимізації фільтра було взято: амплітудно-частотну характеристику (у смузі про­пускання фільтра повинна бути максимально плоскою); тривалість зро­стання і затримки сигналу (повинна бути мінімальною); відносне зна­чення перерегулювання (повинно характеризуватися мінімумом).

Таку оптимальну перехідну характеристику має фільтр Бесселя. Однак спадання його амплітудно-частотної характеристики у загально­му випадку виявляється пологішим порівняно з іншими типами опти­мальних фільтрів (Чебишева і Баттерворта). Збільшення крутості спа­дання амплітудно-частотної характеристики може бути досягнуто під­вищенням порядку передавальної функції фільтра. Випробовування датчика прискорення показали, що задовільне заглушення сигналу від вібрацій машини досягається при використанні фільтра шостого поряд­ку, а вихідна напруга досягає свого значення, яке встановилося, за час 0,15 с. Цей час визначається сумарною тривалістю зростання і швидкодією застосовуваного фільтра, що цілком припустимо за трива­лості процесу інерційного зварювання понад 1,5 с.

Автоматизація контролю параметрів зварювання тертям. Якість зварних з'єднань, які виконано зварюванням тертям, можна оцінити за відповідністю параметрів зварювання заданим значенням. Незмінність основних параметрів зварювання тер­тям забезпечує добру повторюваність міцнісних і пластичних властивостей зварних з'єднань.

Як основні параметри звичайно беруть: р_н — тиск нагрівання; р_пр — тиск проковування; — частота обер­тання; t_H — час нагрівання; /_пр — час проковування; L_H — осаджування нагрівання; L — сумарне осаджу­вання під час нагрівання і прокову­вання.

Рисунок 5.73. Діаграма контрольованих параметрів

Межі змінювання вимірюваних па­раметрів задають їхніми мінімальними і максимальними значеннями (рисунок 5.73). Контроль параметрів здій­снюють безперервно за винятком діля­нок та перехідних процесів зростання тиску від 0 до р_н та від р_н до р_пр. Окрім зазначених параметрів у деяких випадках корисно контролювати час гальмування t шпинделя При відхиленні вимірюваних параметрів від заданих зна­чень контролер подає звуковий чи світловий сигнал оператору зварю­вальної установки про порушення технологічного циклу. За потребоюцим сигналом можна блокувати можливість дальшої роботи на установ­ці а також дати оператору зварювальної установки інформацію пропричину і характер відхилень. При зварюванні деталей відповідального призначення до складу контролера додають цифродрукуючии пристрій,що виконує запис основних параметрів процесу зварювання. Такий запис може бути доданим як документ до паспорту на кожну деталь. Крім основних параметрів процесу, на цифродрукуючии пристрій мож­на вивести інформацію про задані значення, дату і час виготовлення,номер деталі та ін.

Тепер в ІЕЗ ім Є О. Патона АН України разом із Інститутом зва­рювання м. Братіслави розроблено уніфіковану мікропроцесорну систе­му керування і контролю параметрів зварювання тертям (рисунок 5.74). Структурно уніфіковану систему керування (УСК) можна поділити на дві рівні: система контролю параметрів і підпорядкована їй система керування машиною. Система контролю забезпечує керування процесом зварювання згідно з параметрами, встановленими технологом на техно­логічному пульті або переданими від зовнішньої ЕОМ. Протікання про­цесу зчитується датчиками процесу (датчики переміщення, швидкості, тиску тощо) і керуюча дія передається на регулятори процесу (приводи обертання осьового зусилля тощо), машини для зварювання тертям МТЗ Решта функцій зварювальної машини реалізується системою ке­рування яка знімає інформацію з датчиків положення механізмів і

Р исунок 5.74. Структура уніфікованої системи керування

пульту керування, і діє на виконавчі механізми (контактори, електро­магніти пневмо- і гідророзподільників тощо), а також зовнішні прист­рої, наприклад маніпулятори завантаження та вивантаження заготовок, і може бути сполучена з центральним пультом керування ЦПК. Програ­мування роботи установки здійснюється з підімкненого зовнішнього пульта програмування або зовнішньої ЕОМ. Пульт програмування дав змогу редагувати програми (введення, витирання), виконання програ­ми в реальному масштабі часу або в покроковому режимі. Відлагод­жена програма записується до ПЗП і встановлюється на плату проце­сора.

Дальше удосконалення системи керування і контролю може відбу­ватися створенням систем керування за математичними моделями про­цесу на основі експериментально-статистичних методів, що пов'язують основні показники якості з параметрами процесу.

Контрольні питання до розділу 5.

1. Дайте характеристику контактного зварювання як об’єкта керування.

2. Які основні параметри точкового зварювання?

3. Якими параметрами характеризується циклограма зварювальної машини?

4. Як впливає коливання напруги живлення на якість зварного шва?

5. Які САК використовуються при контактному зварюванні?

6. Які функції виконують регулятори циклу зварювання?

7. Для чого призначений фазообертач?

8. Які функції виконують регулятори часу ?

9. Як здійснюється регулювання зварювального струму?

10. Як здійснюється регулювання температури у електродній області.?

11. Як здійснюється прогнозування якості зварюванням?

12. За яким принципом працюють діагностичні системи контактного зварювання?

13. Які функції виконують комп’ютерні регулятори часу?

14. Дайте класифікацію методам контактного зварювання?

15. Дайте характеристику дифузійно-вакуумному зварюванню?

16. Як працюють регулятори енергетичних параметрів?

17. Які особливості автоматизації зварювання тертям ?