Системы с регулированием двух параметров

 

В тех случаях, когда системы с одним регулятором не дают желаемого эффекта, применя­ют системы одновременного регулирования тока и напряжения. Си­стемы с двумя регуляторами используют при сварке длинными пла­стинчатыми электродами (когда необходимо компенсировать падение напряжения на пластине для получения постоянного напряжения на шлаковой ванне), при больших колебаниях напряжения питающей сети или при сварке швов с переменным поперечным сечением (когда требуется изменение режима сварки по заданной программе). Непре­рывное программирование тока сварки наряду с регулированием на­пряжения обеспечивает плавное изменение теплового режима шлако­вой ванны в течение всей сварки, что сохраняет заданную скорость наплавлення металла шва и позволяет повысить его качество.

Системы могут быть образованы из рассмотренных регуляторов напряжения и тока, при этом возможны две системы. Первая система состоит из регулятора напряжения, воздействующего на э. д. с. источника питания, и регулятора тока, воздействующего на скорость подачи электрода. Статические характеристики регуляторов показаны на рис. 6

 

 

 

Рис.6 Рис.7

 

Рис. 6. Внешние характеристики источника питания с регулятором тока (/) и статическая характеристика регу­лятора напряжения (2) с воздействием на скорость подачи электрода

 

Рис. 7. Схема контроля уровня металлической ванны дифференциальной термопарой в (а) и рас­пределение температуры Т (б)по высоте L ползуна: 1 — в ползуне; 2 — в зоне сварки

 

Точка пересечения характеристики А определяет режим ЭШС. Вторая система содержит регулятор, стабилизирующий напряжение воздействием на скорость подачи, и регулятор, стабили­зирующий ток воздействием на э. д. с. источника питания (рис.6). По количеству элементов и стоимости указанные системы равноценны, однако первая система обладает большими технологическими воз­можностями, так как позволяет практически безынерционно стабили­зировать напряжение источника питания.

 

Регулирование уровня металлической и шлаковой ванн

При ЭШС с использованием подвижных формирующих устройств — ползунов необходимо, чтобы уровень металлической ванны относи­тельно ползунов сохранялся неизменным. Это достижимо, если в каж­дый момент времени (кроме начальной стадии) соблюдается условие

 

где F_M — площадь поперечного сечения металла, необходимого для заполнения зазора и создания усиления шва; V_CB— скорость переме­щения аппарата; F_э — площадь поперечного сечения электродной про­волоки; V_п— скорость подачи электродной проволоки.

Уровень металлической ванны можно регулировать, соответствен­но изменяя скорость подачи электрода (V_п), скорость сварки (V_св) или V_п и V_CB одновременно. Однако применение регуляторов энер­гетических параметров, воздействующих на скорость V_п, а также вероятность появления возмущений по разделке шва, для компенса­ции которых необходимо также изменять V_п, не позволяют в полной мере применять схемы регулирования уровня ванны путем воздейст­вия на этот параметр. Значительно большие возможности имеет система регулирования уровня ванны путем воздействия на скорость V_св пе­ремещения аппарата вдоль свариваемого шва. Непостоянство V_св почти не отражается на режиме плавления электрода, в чем состоит основное преимущество такого способа регулирования.

Определение уровня металлической ванны относительно ползуна связано со значительными трудностями, вызванными тем, что необ­ходимо регистрировать и управлять неэлектрической величиной, а также тем, что металлическая ванна покрыта слоем расплавленного шлака. Поэтому основным элементом САР уровня металлической ванны являются датчики, которые должны обеспечивать минималь­ную погрешность измерения. Непосредственное получение информации об уровне металлической и шлаковой ванн производится следующими способами: термодатчиками; контактными датчиками; радиоактивными датчиками; индукционными датчиками.

Занятие №13 (15.10.2015)

 

Термодатчики

Наибольшее распространение получил способ конт­роля уровня ванны с применением дифференциальных термопар. К медному ползуну привариваются две константановые проволоки, образующие две встречновключенные термопары: константан — медь и медь— константан (рис. 7). Один спай располагается несколько выше требуемого уровня металла, другой — ниже. Результирующая э. д. с. термопар пропорциональна разности температур в местах спаев. Опытами установлено, что результирующая э. д. с. термопар равна нулю, когда уровень металлической ванны находится прибли­зительно посредине между точками приварки термопар. Разность двух термо- э. д. с. в дифференциальной схеме очень мала по величине и требует применения усилителей с высоким коэффициентом усиления. Результаты измерений в некоторой степени зависят также от толщины шлакового гарнисажа, амплитуды колебаний электрода, расхода охлаждающей жидкости. Известны дальнейшие усовершенствования этого метода: помещение автономного чувствительного термоэлемента внутри ползуна, изоляция его от расплавленной ванны и установка двух термоэлементов на разной высоте.

Контактные датчики. Способ измерения уровня металлической ванны с помощью контактного датчика, представляющего собой ме­таллический щуп, является наиболее простым. Охлаждаемый водой вертикальный щуп помещается в зазор между свариваемыми изделиями на заданной высоте. Замыкание цепи щуп — изделие служит сигна­лом для управления процессом сварки. В другом случае щуп погру­жается в шлаковую ванну. Напряжение на щупе пропорционально длине шлакового промежутка между ним и жидким металлом ванны. Оно становится равным нулю, когда щуп касается основного металла. Опыт показал, что такие простейшие щупы недостаточно надежны в эксплуатации и обладают большой погрешностью.

Наиболее рационально применять горизонтальный медный щуп, изолируемый от накладки и вмонтированный в ползун. Такой щуп не зашлаковывается, не смачивается расплавленным металлом, обла­дает хорошей износостойкостью и позволяет выделить достаточный по величине электрический сигнал (рис. 8). Конец щупа не высту­пает за плоскость формирующего устройства, в которое он вмонтиро­ван, что позволяет использовать устройство для сварки кольцевых швов. Питание щупа осуществляется от вторичной обмотки сварочного трансформатора через дроссель L (рис. 9). Напряжение щупа после выпрямления подается на резистор R. Потенциометр RP питается от независимого источника. В ветвь сравнения измерительного узла, образованного R и RP, включена обмотка La усилителя мощности А (например, ЭМУ), питающего двигатель М вертикального перемеще­ния сварочного аппарата.

Если падение напряжения на щупе равно нулю, т. е. он закорочен на металлическую ванну, то схема управления выдает сигнал на перемещение сварочного аппарата вверх со скоростью, превышающей скорость образования шва.

Благодаря этому щуп отры­вается от металлической ван­ны и напряжение на нем ста­новится отличным от нуля (рис. 8,б).

 

 

 

Рис. 8. Горизонтальный медный щуп (а) и за­висимость падения напряжения (U_щ) на нем от расстояния h_щ между щупом и зеркалом метал­лической ванны (б):

1 — формирующее устройство; 2 — щуп, 3 — изоли­рующая втулка

 

 

 

 

Это напряже­ние сравнивается с заданным, снимаемым с RP, и в случае совпадения их схема управ­ления выдает сигнал на ос­тановку аппарата. Уровень металлической ванны относительно щупа начинает повышаться вплоть до замыкания щупа на ванну, после чего цикл повторяется. Вентиль VD9 (рис. 9) препятствует реверсированию двигателя М. Практика показала, что рассмотрен­ный регулятор работает устойчиво при всех возможных режимах свар­ки.

 

Недостаток его— невысокая эрозионная стойкость щупа.

Более надежна в работе система, в которой щуп вибрирует посред­ством генератора ультразвуковых колебаний (УЗК.) и создает на его рабочей поверхности кавитацию жидкого металла или шлака. При этом обеспечивается более надежный контакт с измеряемой сре­дой и уменьшается эрозия рабочей поверхности. Однако из-за слож­ности конструкции вибратора УЗК система не нашла широкого при­менения в промышленности.

 

Занятие №14 (19.10.2015)

 

Радиоактивные датчики

 

Применение радиоактивных изотопов значительно облегчает измерение уровня металлической ванны, так как исключается непосредственный контакт измерительного устрой­ства со шлаковой и металлической ваннами.

Рис. 10. Автоматический регулятор уровня ванны с применением радиоактивных изотопов

 

Принцип работы основан на разнице в коэффициентах поглощения гамма-излучения расплавленными шлаками и металлом. Схема регулятора, реализующего этот принцип, приведена на рис. 10. Для измерения уровня ванны перед одним из формирующих устройств располагается небольшой свинцо­вый контейнер Е, в котором размещается определенное количество радиоактивного изотопа ⁶⁰Со. В контейнере имеется щель, перекрыва­емая электромагнитным затвором, для выхода горизонтального пучка гамма-лучей, направленного через плавильную зону на счетную гало­генную трубку В. Счетную трубку для защиты от нагрева помещают в охлаждаемый водой кожух. Свинцовый контейнер с толщиной сте­нок 30 мм позволяет безопасно работать на расстоянии 25—30 см от радиоактивного кобальта.

Импульсы напряжения, получаемые от счетной трубки В при об­лучении ее гамма-лучами, усиливаются, усредняются с помощью электронной схемы А и подаются на вход исполнительного органа И, который воздействует на скорость перемещения аппарата с помощью двигателя М. Чем больше толщина свариваемого металла, тем боль­шим должно быть количество радиоактивного кобальта.

Разработанный в Институте электросварки им. Е. О. Патона регулятор показал вполне удовлетворительные результаты при элек­трошлаковой сварке металла толщиной 120 мм. Уровень металличе­ской ванны поддерживался с точностью +2 мм.

 

 

Индукционные датчики.

 

В Институте электросварки им. Е.О. Па­тона разработан бесконтактный индукционный датчик (рис.11), выполненный на Ш-образном разомкнутом магнитопроводе. Датчик размещен в замкнутой камере, вмонтированной в один из формирую­щих ползунов.

 

 

 

Рис. 11.Индукционный датчик уровня

металлической ванны

на Ш-образном сердечнике

 

 

Две одинаковые намагничивающие обмотки W_t и W₂ расположены на крайних стержнях магнитопровода, а измерительная обмотка W₃ размещена на центральном стержне. Рабочие обмотки W, и W\ включены таким образом, что в центральном стержне созда­ются встречно направленные магнитные потоки Ф_х и Ф₂. При равен­стве магнитных потоков Ф_х= Ф₂ в выходной измерительной обмот­ке W₃ индуцируемая э. д. с. равна 0. Если на пути одного из потоков Ф_г или Ф₂ поместить электропроводное немагнитное тело (расплавленный металл), в нем наводятся вихревые токи, уменьшающие соответ­ственно поток Ф₁ или Ф₂. При этом равенство магнитных потоков в центральном стержне нарушается и в измерительной обмотке W_s на­водится э. д. с.

 

 

 

Занятие №15 (22.10.2015)

Индукционные датчики (продолжение)

 

Второй тип датчика показан на рис. 12. Он состоит из двух разом­кнутых П-образных магнитопроводов 2 и 3, расположенных друг над другом, причем плоскости их плас­тин параллельны друг другу и по­верхности жидкого металла. Каждый из П-образных магнитопроводов охвачен одной из измерительных обмоток 4 и 5, а оба магнитопровода (2 и 3) охвачены одной рабочей обмоткой 6.

 

 

Рис.12. Индукционный датчик уровни

металлической ванны

на П-образном сер­дечнике

 

Применение П-образных магнитопроводов позволяет увеличить проникновение электромагнитной энергии в металл шва, так как рас­стояние между торцами увеличивается по сравнению с Ш-образным магнитопроводом при сохранении одинаковых габаритов. Ток рабочей обмотки 6 создает в каждом магнитопроводе 2 и 3 магнитные потоки, равные по величине и одного направления. Это исключает шунтирова­ние потоков каждым из магнитоприводов, а встречное включение измерительных обмоток обеспечивает на выходе датчика нулевой сигнал. При отсутствии электропроводной среды в зоне действия дат­чика магнитные потоки, создаваемые током рабочей обмотки 6, замы­кающиеся по верхнему 2 и нижнему 3 магнитопроводам, равны э. д. с, индуцируемые в измерительных обмотках 4 и 5 также равны и сигнал на выходе датчика отсутствует. При подходе к нижнему магнитопроводу 3 электропроводной среды (расплавленный металл) в последней на­водятся вихревые токи, искажающие магнитный поток, который за­мыкается по магнитопроводу 3. Равенство магнитных потоков наруша­ется, на выходе появляется сигнал, равный разности э. д. с, индуци­руемый в измерительных обмотках 4 и 5.

Полученный сигнал с датчика подается на регулятор, который вырабатывает команды для управления приводом перемещения подвижного ползуна относительно шва.

Для регулирования уровня ванны при ЭШС может быть применен простейший двухпозиционный релейный регулятор.

Схема двухпозиционного регулятора уровня показана на рис. 13. Напряжение, снимаемое с генератора импульсов прямо­угольной формы G частотой 6000 Гц, поступает на рабочие обмотки датчика уровня В. Выходной сигнал с В, пропорциональный уровню ме­таллической ванны, подается на вход предварительного усилителя А1, нагрузкой которого служит детектор V. Выходное напряжение согласующего усилителя А2, пропорциональное уровню металличес­кой ванны, поступает на вход двухпозиционного регулятора Е и далее на исполнительный механизм ИМ — привод перемещения сварочного аппарата.

Создание автоматического регулятора глубины шлаковой ванны при ЭШС с подвижными формирующими устройствами и регулятором уровня металлической ванны не представляет трудностей. Здесь про­стейшим будет устройство типа щупа, замыкающего цепь при сопри­косновении с поверхностью шлаковой ванны.

В случае ограниченного доступа к шлаковой ванне, как, например, при сварке плавящимся мундштуком или пластинчатыми электрода­ми, измерение глубины шлаковой ванны можно осуществить с помощью периодически погружаемого в ванну щупа. Этот щуп может быть пла­вящимся или неплавящимся. Первый импульс в схеме вырабатыва­ется при соприкосновении конца щупа с верхней поверхностью шла­ковой ванны, а второй — при его соприкосновении с поверхностью металлической ванны. Глубина шлаковой ванны

будет определяться временем между этими двумя импульсами.

 

 

Системы автоматического регулирования уровня шлаковой ванны, построенные на принципе применения фотодатчиков, более сложные

по сравнению с контактными, однако обладают большей надежностью в работе, так как отсутствует непосредственный контакт со сваривае­мым изделием. Разработана схема устройства, содержащего два фото­датчика, направленных на зону сварки и воспринимающих свечение шлаковой ванны и газа над ней (рис.14). Фотодатчик 2 применяется для повышения точности регулирования. Он включен встречно по отношению к датчику / и воспринимает только свечение газа над ван­ной, что исключает помехи от свечения газа за счет вычитания сигна­лов второго датчика из первого. Оба датчика шарнирно соединены меж­ду собой, установлены в водоохлаждаемые тубусы и снабжены инфра­красными светофильтрами. Суммарный сигнал с датчиков, выделяе­мый устройством Е, после усиления и преобразования устройством А поступает на схему управления Y привода перемещения ползунов.