Сварка давлением как объект управления. Основные параметры процесса и возмущающие воздействия.

Объект автоматического управления при контактной сварке — технологический процесс, который характеризуется электричес­кими и тепловыми полями, а также пластическими деформация­ми в зоне сварки.

Управляющие и возмущающие воздействия, определяющие формирование сварного соединения, прилагаются к сварочной машине и непосредственно к зоне сварки. Основные параметры процесса точечной и шовной сварки: сварочный ток I_св, время сварки t_CB; для шовной сварки также время импульса t_ии время паузы t_n между импульсами сварочного тока, усилие сжатия элек­тродов при сварке F_CB; размеры рабочей поверхности электродов и роликов; для шовной сварки режим характеризуется скоростью перемещения v_CB свариваемых деталей.

Обеспечение необходимого уровня показателей качества свар­ных соединений и прежде всего их прочности требует задания и поддержания установленных значений большинства параметров сварочного режима с точностью не менее ±5 %. Такие параметры, как сварочное и ко­ночное усилия сжатия электродов, допускают изменение в преде­лах 10... 15 % от номинальных значений без существенного ухуд­шения качества сварных соединений.

Сварочный ток I_св — один из основных параметров, опреде­ляющих режим сварки и качество сварного шва.

Способ амплитудного задания и регулирования I_св заключается в изменении его действующего значения при переключении сту­пеней сварочного трансформатора (рис. 3.2, а) или изменении напряжения зарядки U_зaр батареи конденсаторов при конденса­торной сварке (рис. 3.2, б). Наиболее распространен способ фазового регулирования дей­ствующего значения тока при изменении фазы включения вен­тильного (тиристорного) контактора (рис. 3.2, в).

Рис. 3.2. Задание величины сварочного тока I_св:

а — амплитудное регулирование при переключении ступеней 1, 2 сварочного трансформатора; б — амплитудное регулирование при изменении напряжения зарядки батареи конденсаторов при конденсаторной сварке: 1 — U_зар1; 2 — U_заp2; U_зар1>U_зap2; в — фазовое регулирование: α₁>α₂, 1 — i₁; 2 — i₂; i₁>i₂; α — угол открытия тиристоров; i — мгновенное значение тока.

Время сварки t_CB в сварочных машинах переменного тока задают при включении вентильного (тиристорного или игнитронного) контактора на требуемое время, кратное числу периодов питаю­щей сети (рис. 3.3, а). При однополупериодной сварке продолжительность импульса /_св можно регулировать изменением фазы напряжения, управля­ющего включением вентилей (рис. 3.3, б). При конденсаторной сварке длительность импульса тока зависит от емкости конденса­торов С (рис. 3.3, в) и коэффициента трансформации сварочного трансформатора k (рис. 3.3, г).

Рис. 3.3. Задание времени сварки:

а — при сварке на переменном токе: t₂>t₁; б — при однополупериодной свар­ке: 1 — α₁; 2 — α₂; α₁>α₂; t₁>t₂; в — при изменении зарядной емкости: 1 — С₁; 2 — С₂; С₁> С₂; t₁>t₂; г — при изменении коэффициента трансформации: 1 — k₁; 2 — k ₂; k ₂>k ₁; t ₂>t ₁.

Усилие сжатия электродов при механическом приводе задают грузами или пружинами и системами рычагов, а при пневмати­ческом и пневмогидравлическом приводах регулируют редуктора­ми давления. Если сварочная машина имеет электромагнитный привод сжатия, то усилие сжатия электродов определяется током в обмотке электромагнита. Для автоматизации процесса наиболее удобен электромагнитный привод, применяемый только для ма­шин малой мощности.Чаще всего применяют ступенчатое регулирование давления в пневматическом или пневмогидравлическом приводе, обеспечи­вая необходимый цикл предварительного сжатия F_ПС деталей t₁ — t₂ (рис. 3.4), сжатия усилием F_CB в процессе прохождения свароч­ного тока t₂—t₃ и повышенного усилия сжатия F_K0B во время ковки t₃—t₄. Такой цикл задают включением в моменты времени t₁—1₄ электропневмоклапанов, обеспечивающих подачу воздуха в опре­деленные камеры привода сжатия.

Рис. 3.4. Циклограмма работы сва­рочной машины:

t₁ - t₂ - «Сжатие»; t₂ - t₃ — «Сварка»; t₃ - t₄ — «Ковка»; t₄ - t₅— «Пауза»; F_П.С. — сила предварительного сжатия; F_KОB — ковочное усилие; остальные обо­значения см. на рис. 3.1, 3.2.

Размеры рабочей поверхности электродов (их диаметр при то­чечной сварке, радиус заточки и ширина рабочей поверхности роликов при шовной сварке), существенно влияющие на размеры сварного шва, задают перед сваркой.

Задание и стабилизация управляющих воздействий с требуе­мой точностью еще не гарантирует получение сварных соединений с необходимыми прочностными характеристиками, так как в результате влияния различных возмущений процесс сварки про­текает в условиях, отличных от номинальных

На сварочную машину, включая тиристорный контактор и ре­гулятор цикла сварки, действуют следующие возмущения: колеба­ния напряжения питающей сети U_c; изменение сопротивления вто­ричной контура машины (активного R_К и индуктивного Х_к = ωL); изменение усилия сжатия электродов вследствие изменений дав­ления в воздушной сети р_с или сил трения в приводе сжатия; изменение геометрических размеров рабочей поверхности элект­родов (диаметра электрода d_ЭJl при точечной сварке и ширины ролика при шовной сварке), изменение скорости при шовной сварке. К возмущениям, воздействующим непосредственно на свар­ное соединение, относят изменения толщины или других размеров свариваемых деталейδ_Д; сопротивления контакта деталь — деталь R_Д вследствие наличия различных оксидных пленок; шунтирование сварочного тока ранее сваренными точками (в зависимости от величины шага l _ш между ними) или случайными контактами вслед­ствие неровностей свариваемых листов η и т. п.

Кроме перечисленных возмущений, возможны и другие, кото­рые в связи с незначительной величиной в меньшей степени вли­яют на процесс (например, изменение теплофизических свойств и химического состава металла, изменение режима охлаждения электродов и т.п.).

Возмущения, оказывая различное влияние на отдельные эта­пы процесса сварки, параметры режима и работу сварочной ма­шины, приводят к нарушению условий образования сварного со­единения и ухудшению его качества.

Количественная оценка степени влияния на качество сварки различных возмущений (и любых других параметров), которые под­даются измерению или расчету в процессе сварки, может быть дана на основе экспериментально-статистических данных с ис­пользованием метода дисперсионного анализа.

Для оценки степени связи переменных процесса с показателем качества (диаметром ядра d_Я) используют квадрат корреляцион­ного отношения, %:

Для предупреждения вредного влияния возмущений на каче­ство сварных соединений широко применяют методы и устрой­ства автоматического регулирования. Основная задача регулято­ров — стабилизация параметров режима сварки либо их измене­ние по программе, обеспечивающей протекание процесса в опти­мальных условиях.

Создание САР точечной и шовной сварки связано с некоторы­ми трудностями, главная из которых — невозможность непосред­ственного измерения в процессе сварки основного показателя качества — диаметра ядра d_Я точки. Кроме того, трудности возни­кают из-за особенностей процесса сварки: кратковременности и прерывистого характера сварочного процесса; высоких энергети­ческих параметров оборудования; сильных помех, создаваемых мощными электромагнитными полями сварочного контура.

Быстродействие — важнейшее требование к регуляторам про­цессов контактной сварки, поскольку в течение короткого про­межутка времени (приблизительно 10^-2 с) должны быть осуще­ствлены операции измерения регулируемой величины, сравнения ее с заданным значением и выработки управляющего воздействия. Требуемое быстродействие и точность могут быть обеспечены толь­ко при использовании достижений современной электронной и микропроцессорной техники.