Системы непрямого действия с электромагнитными бесконтактными датчиками

При большой протяженности стыкового шва эффективны системы непрямого действия с электромагнитными бесконтактными датчиками, так как обеспечивают стабильное качество сварного соединения независимо от квалификации сварщика. Тем не менее, применение этих систем все равно требует дополнительных затрат на более точную сборку соединения, чем при ручной дуговой сварке.

Наиболее распространенными при сварке стыка без разделки являются системы с электромагнитными датчиками. Эти датчики не имеют дорогостоящих деталей и обладают достаточной помехоустойчивостью в условиях дуговой сварки. Наиболее простая конструкция электромагнитного датчика с измерительной системой БИСД-1 представляет собой Ш-образный магнитопровод, на котором находятся три обмотки, рис. 39, а. Обмотка 2, расположенная на среднем стержне, питается от источника повышенной частоты. Переменное магнитное поле, наводит в свариваемом стыке вихревые токи. Непроводящий зазор между деталями разделяет вихревые токи на два контура, рис. 39, б. Результирующее магнитное поле создается как током, протекающим в обмотке 2, так и вихревыми токами.

Рис. 39. Принцип работы электромагнитного датчика:

а - схема датчика; б, в - симметричное и несимметричное расположение вихревых токов относительно стыка; 1, 3 - измерительные обмотки; 2 - обмотка возбуждения; Ф_1,Ф₂ - магнитные потоки; I₁ I₂ - вихревые токи; Е – ЭДС

При симметричном расположении датчика относительно зазора контуры вихревых токов равны, симметричны и . Соответственно равны магнитные потоки ФΙ и Ф2 и наводимые ими ЭДС в измерительных обмотках Ι и 3, которые включены встречно. Результирующая ЭДС, являющаяся выходным сигналом датчика, таким образом равна нулю. При несимметричном расположении датчика (рис. 39, в), контуры вихревых токов различны и . Магнитные потоки также не равны и на выходе датчика появляется ЭДС, фаза которой зависит от направления отклонения датчика от нейтрального положения. При изменении направления отклонения от нейтрального на противоположное фаза меняется на Ι80 градусов. Функциональная схема системы автоматической коррекции неплавящегося электрода относительно стыка показана на рис. 40. Охлаждаемый водой электромагнитный датчик Д прижимается к стыку пружиной, находится впереди сварочной горелки и жестко с нею связан. Сигнал рассогласования с выхода его подается в блок измерительной схемы датчика БИСД-Ι, где после преобразования сигнал предварительно усиливается и направляется в один из усилителей УПТР-3 блока управления трактором или сварочной головки. Сигналы с выхода УПТР-3 управляют тиристорным электроприводом поперечного перемещения сварочной горелки.

Рис. 40. Функциональная схема системы поперечной коррекции электрода относительно стыка

Структурная схема блока БИСД-Ι показана на рис. 41. Генератор G вырабатывает переменное напряжение синусоидальной формы с амплитудой 7,5 В и частотой Ι0-40 кГц. Частота может регулироваться в зависимости от свариваемого материала при настройке блока перед сваркой. Напряжение с генератора является напряжением питания для обмотки 2 датчика (рис. 39) и опорным для фазового дискриминатора ФД (рис. 41). Оно подается на ФД через усилитель-ограничитель УМΙ. При отклонении датчика от линии стыка во время сварки появившийся сигнал рассогласования с измерительных катушек Ι и 3 (рис. 39) усиливается предварительным усилителем ПрУ до величины сравнимой с величиной напряжения задающего генератора G. Затем этот сигнал подается на усилитель-ограничитель датчика УМ2. Оба сигнала в противофазе приходят на триггерный фазовый дискриминатор. Дискриминатор - электронное устройство, где сравниваются два подобных сигнала и на выходе появляется напряжение пропорциональное их разности. Напряжение с дискриминатора усиливается по мощности и подается на вход усилителя УПТР трактора. Величина напряжения контролируется вольтметром на блоке БИСД-Ι.

Рис. 41. Структурная схема блока измерительной схемы индукционного датчика стыка БИСД-1 и распределение вихревых токов при его различных положениях

Усилитель УПТР-3 представляет собой устройство фазоимпульсного управления тиристорным выпрямителем электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением. Особенностью его является модуляция сигнала постоянного тока (преобразование в переменный) с последующим усилением и демодуляцией. Использование усилителя переменного тока в УПТР-3 повышает чувствительность схемы электропривода в четыре раза в сравнении с блоками, в которых применяют усилители постоянного тока, при лучших динамических свойствах.

Основным недостатком такого индукционного датчика и системы регулирования с ним является чувствительность датчика к взаимному превышению кромок стыка, так как при этом изменяются расстояния от стержней магнитопровода до деталей (см. рис. 39) и, соответственно, магнитные потоки ФΙ и Ф2. Поэтому при подготовке стыка под сварку необходимо, чтобы превышение кромок стыка обеспечивало непараллельность основания датчика плоскости стыка в пределах допустимой. От этого зависит точность работы всей системы. Для рассмотренной системы предельный угол α (рис. 42, б) составляет не более 5^о, при этом точность слежения за линией стыка при сварке неплавящимся электродом постоянным током непрерывной или импульсной дугой ± 0,3 мм, а переменным – ± 0,5 мм.

а                              б                      в

Рис. 42. Положение датчика при взаимном превышении кромок

Датчик устанавливается на расстоянии 70 мм от оси электрода при сварке с присадочной проволокой (рис. 43) и 30 мм при сварке без присадочной проволоки.

Рис. 43. Расположение индукционного датчика относительно сварочной горелки

Для компенсации погрешности от превышения кромок к магнитопроводу датчика добавляют дополнительные стержни и обмотки, рис. 44. На среднем стержне расположена обмотка возбуждения 1, а на промежуточных измерительные, дифференциально включенные обмотки 2. На крайних магнитопроводах размещены дополнительные (компенсирующие) обмотки 3, соединенные встречно-последовательно со смежными измерительными обмотками. Сигнал на выходе дополнительных обмоток зависит только от изменения превышения кромок и компенсирует составляющую сигнала измерительных обмоток, которая определяется положением кромок.

Рис. 44. Схема электромагнитного датчика с компенсирующими обмотками

Более сложными являются системы со сканирующими электромагнитными датчиками, которые в сочетании с обработкой сигнала ЭВМ позволяют расширить возможности электромагнитного метода измерения. Сканирующий датчик специальной конструкции работает с цифровым многоканальным модулем. Модуль через интерфейс можно подключать к ЭВМ и к сварочному оборудованию. Такая система может быть использована при сварке нахлесточных и стыковых соединений в среде защитного газа и под флюсом.