Способы контроля величины проплавления с обратной стороны свариваемого изделия.

Заданные термический цикл и геометрические размеры шва можно считать обобщенным критерием качества. Закон их изменения зави­сит от эффективной погонной энергии дуги q_эф

где q_эф - 0,24 I_дU_дη_Эф — эффективная тепловая мощность дуги; η_Эф — эффективный КПД дуги, характеризующий отношение теп­лоты, введенной в шов, к общей теплоте, выделенной сварочной дугой.

В свою очередь закон регулирования величины отношения q_эф зависит от типа действующих возмущений на объект источник питания—-дуга—сварочная ванна.Влияние этих возмущений на качество свар­ного соединения не может быть компенсировано с помощью си­стем автоматической стабилизации параметров режима сварки. Их влияние условно может быть оценено эквивалентным изменени­ем коэффициента q_эф, характеризующим изменение условия тепловложения в свариваемый материал.

Частично устранить влияние конструктивных возмущений можно, измеряя и записы­вая их с помощью специального датчика в период холостого про­хода стыка и затем корректируя (в процессе сварки) параметры режима по записанной программе. Однако из-за тепловой дефор­мации детали в процессе сварки такая программа часто малоэф­фективна. Поэтому наиболее приемлем способ введения в систему регулирования ОС по некоторому обобщенному параметру, на ко­торый в процессе сварки влияют как конструктивные, так и тех­нологические возмущения. В качестве такого параметра можно принять температуру металла сварочной ванны или околошовнойзоны. Температуру можно регулировать, изменяя эффективную по­гонную энергию q_эф в системе источник питания—дуга—свароч­ная ванна. Задача регулирования при этом сводится к стабилиза­ции подвижного температурного поля. Температуру можно измерить лишь на некотором расстоянии от сварочной дуги, что обусловливает появление погрешностей измерения относи­тельно реальной температуры под дугой и запаздывание в переда­че сигнала управления.

Для измерения температуры целесообразно применять бескон­тактные датчики, действие которых основано на измерении ин­тенсивности излучения с поверхности металла. Использование контактных датчиков приводит к большим погрешностям из-за инерционности датчика и отсут­ствия постоянного контакта между ним и металлом. Применение бесконтактных датчиков позволяет приблизить точку измерения температуры (площадку визирования датчика) к сварочной дуге.

Устройство визирования состоит из трех бесконтакт­ных датчиков температуры. Точки визирования датчиков Д1 и ДЗ расположены на одинаковом расстоянии от точки визирования датчика Д2. Сигналы с Д1 и ДЗ поступают на сравнивающее уст­ройство. Разность между ними усиливается усилителем. Получен­ное напряжение суммируется с напряжением генератора, питаю­щего двигатель Ml механизма перемещения сварочного аппарата и двигатель М2 коррекции устройства визирования.

Разница в скорости перемещения устройства визирования и сварочной горелки преобразуется в напряжение обратной связи U_oc. Система поиска работает таким образом, что если сигнал датчика Д1 больше сиг­нала датчика ДЗ, то двигатель М2 через редуктор Р2 перемещает устройство визирования влево относительно дуги и наоборот если сигнал ДЗ больше сигнала Д1. Предполагается, что наиболее на­гретая точка находится между точками визирования Д1 и ДЗ и ее температуру измеряет датчик Д2.

Рассмотренная система — система однокоординатного поиска (предполагается, что наиболее нагретая точка находится в плос­кости стыка). В общем случае может быть применена двухкоординатная система поиска, в которой поиск наиболее нагретой точки осуществляется и в плоскости, перпендикулярной плоскости стыка.

Рассмотрим принцип работы, измерительные схемы и конст­рукции датчиков величины проплавления. Полезным является из­лучение расплавленного металла, участвующего в каждый дан­ный момент в формировании шва.

Изменение площади изотерм имитировали измене­нием сварочного тока. С увеличением площади увеличивается ко­личество излучаемой энергии. Возникает необходимость устранить воздействие на датчик еще раскаленного, но уже закристаллизо­вавшегося металла корня шва и металла околошовной зоны, сум­марная энергия излучения которых достаточно велика.

Чтобы ограничиться воздействием на датчик только энергии излучения расплавленного металла, формирующей корень шва, желательно иметь датчик с чувствительностью по спектру в пре­делах длин волн λ = 0,6... 1,2 мкм, исходя из величины температу­ры расплавленного металла (для стали 1 800 К).

На датчик, имеющий такую спектральную чувствительность, воздействует в основном расплавленный металла и в достаточной степени исключается воздействие излучения из зоны более длин­ных волн ( λ > 1,2 мкм).

В таких датчиках можно применять фотосопротивления, однако они обладают значительной инерционностью.

Лучшие характеристики имеют кремниевые фотодиоды. Они более температуростабильны и имеют хорошую спектральную чув­ствительность в диапазоне волн λ < 1,2 мкм, не воспринимая из­лучения закристаллизовавшегося металла и металла околошовнойзоны, когда λ > 1,2 мкм.

Обычно кремниевые фотодиоды применяют в комбинации с фильтрами.

Используя спектральные кривые коэффициента пропуска­ния х_х различных стекол, можно выбрать оптическое стекло с необходимой характеристикой по пропусканию.

При создании работоспособного датчика очень важно защи­тить его от теплового воздействия среды и дуги. При нагреве фо­тодиода возникают изменения его параметров, что приводит при отсутствии излучения от объекта к появлению напряжения на выходе измерительной схемы. Для устранения этого недостатка разработаны два схемных решения, существенно снижающих эф­фект дрейфа ложного срабатывания схемы:

использование в схеме двух идентичных фотодиодов: рабоче­го и компенсационного (рис. 2.47);

использование одного фотодиода, но в паре с операцион­ным усилителем (рис. 2.48).

Схема эффективна при оптимальном выборе нагрузки фотодиода, который при облучении световым потоком от объекта работает в режиме генерации фототока.

Рис. 2.47. Измерительная схема и конструкция датчика величины проплавления с двумя фотодиодами:

а — измерительная схема; б — конструкция датчика; 1 — стекло простое; 2 — фильтр СЗС26; 3 — фетр; ФД1 — рабочий фотодиод; ФД2 — компенсационный фотодиод; R — резистор; RP — потенциометр; U_on — опорное напряжение; Ф — световой поток; I_н, R_H — ток и сопротивление нагрузки.

Рис. 2.48. Измерительная схема дат­чика проплавления стыка с одним фотодиодом в комбинации с опера­ционным усилителем:

RK — терморезистор; ОУ — операцион­ный усилитель; I_BX, R_ОС— сопротивле­ние входа и обратной связи; U_вых — на­пряжение выхода; остальные обозна­чения см. на рис. 2.46, 2.47.

Обычно нагрузку выбирают менее 10 Ом. Это позволяет увели­чить быстродействие и повысить линейность световой характери­стики измерительной схемы.

Чувствительный элемент датчиков проплавления — это фото­элемент. Все датчики содержат защитный кожух, фо­кусирующую и передающую оптику. В некоторых конструкциях ко­жух датчиков дополнительно охлаждается либо только водой, либо струей газа и водой вместе. Газ в процессе сварки используют так­же для защиты обратной стороны шва. Струя газа, не влияя на спектр лучистого потока, предохраняет входной зрачок датчика от запыленности. Особенность применения датчика — это возможность использовать его непосредственно под зоной свар­ки в стесненных условиях (из-за малых поперечных размеров). В зону контроля сварки датчик вводят на жесткой штанге, через которую подают аргон (для защиты входного оптического отверстия и охлаждения датчика) и выводят электрические сигналы.

Особенности конструкции датчика:

малые габаритные размеры (поперечное сечение 20x20 мм)*;

защита от запыленности и капель жидкого металла сварочной ванны при прожогах;

использование узкополосных светофильтров для выделения излучения только от расплавленного металла сварочной ванны при полном проплавлении;

оптическая схема, обеспечивающая защиту от прямого излуче­ния дуги через зазор в стыке;

охлаждение датчика аргоном, поступающим через жесткую штангу;

наличие рабочего и компенсационного фотоприемников в схе­ме измерения;

дифференциальный выход для исключения влияния помех от дуги;

микропроцессорный блок с цифровой индикацией значения ширины проплавления в миллиметрах;

наличие аналогового выхода для построения замкнутой систе­мы управления;

наличие цифрового выхода для передачи значений в ЭВМ.

При плазменной сварке применяют способ регулирования про­плавления по контролю (с обратной стороны изделия) параметров факела ионизированных газов (рис. 2.52). Параметры факела изме­ряют с помощью фотоэлектрического датчика (рис. 2.52, а) или по разности потенциалов между свариваемым изделием 1 и искусст­венно вводимой под деталь контактной подложкой 2 (рис. 2.52, б).

Рис. 2.52. Способы контроля проплавления при плазменной сварке: а — с помощью фотоэлектрического датчика ФЭ; б — по разности потенциалов U _вых на проникающей плазме; 1 — изделие; 2 — подложка; Ф — световой поток

Экспериментально установлена линейная зависимость между шириной обратного валика и измеряемыми параметрами факела.

Из-за сложности визирования датчика с обратной стороны шва иногда необходимо построить бесконтактные датчики, устанав­ливаемые со стороны дуги. Основное условие работоспособности датчика в таком случае — это наличие корреляции между сигна­лом с датчика и выбранным критериальным параметром шва (на­пример, размером обратного валика при сварке со сквозным проплавлением).

Возможности использования таких датчиков расширяются при аргонодуговой сварке металлов толщиной 1...5 мм, если внешняя длина дуги стабилизирована.

Способы контроля формирования шва по информации со сто­роны дуги основаны:

на измерении интенсивности излучения спектральной линии базового элемента (например, линии хрома);

бесконтактном измерении температуры в околошовной зоне и размеров сварочной ванны телевизионными и оптическими сред­ствами;

использовании математических моделей, связывающих основ­ные размеры шва (например, обратного валика) с параметрами режима сварки.