Автоматическое управление положением сварочной горелки при сварке и наплавке.

Одним из важнейших факторов качественного формирования сварного шва является обеспечение такой точности траектории сварочного инструмента относительно продольной оси сварного соединения, при которой в сварном шве не возникают такие, прежде всего, дефекты, как непровры с обратной стороны соединения при однопроходной сварке или непровары внутри соединения при сварке с двух сторон.

Для корректировки положения сварочной головки относительно поверхности свариваемого изделия как в поперечном относительно стыка, так и в вертикальном направлениях в сварочных автоматах и автоматических сварочных головках предусматривают корректирующие устройства типа «винт-гайка», которые в ряде конструкций снабжают реверсивным электроприводом дистанционного управления с основного или дублирующего пультов. Такие устройства позволяют оператору-сварщику корректировать положение дуги относительно свариваемого соединения вручную, что далеко не всегда может гарантировать высокое качество формирования сварного шва, особенно при сварке длинномерных или ответственных швов. Системы автоматического направления сварочного инструмента по стыку (будем так называть эти системы) позволяют устранить неблагоприятное влияние субъективного фактора, освобождая оператора от утомительного наблюдения за положением дуги относительно стыка и способствуя формированию шва без дефектов типа «непровар».

Для осуществления автоматических методов направления сварочного инструмента по стыку применяют различного рода датчики и соответствующие им системы регулирования делят на две группы – системы с регуляторами прямого и непрямого действия.

В регуляторах прямого действия датчик представляет собой щуп с копирными роликами, который вынесен вперед по отношению к сварочной горелке и жестко с ней связан (рис. 17,а). Сварочная головка может свободно перемещаться в поперечном направлении благодаря шарнирной подвеске к несущей конструкции сварочного трактора. Копирные ролики могут устанавливаться в разделку кромок (рис. 17,б) или прижимаются к верхней кромке при сварке нахлесточного соединения (рис. 17,в) или к одному из элементов углового или таврового соединения (рис. 17,г). При отклонении стыка от первоначального направления копирные ролики отклоняют вместе с собой и сварочную головку. Такими системами самокопирования оснащались как отечественные (трактор типа УТ – 1250), так и зарубежные сварочные тракторы.

а) б) в) г)

Рис. 17. Расположение копирных роликов в регуляторах прямого действия

Регуляторы, использующие копирные ролики, как указывается в литературе по вопросам автоматического направления сварочного инструмента по стыку, имеют недостатки, которые заключаются в том, что для правильной работы регуляторов необходимо своевременно устранять люфты, возникающие в шарнирах при эксплуатации этих систем, и иметь по длине стыка неизменную разделку кромок. Кроме того, такие регуляторы применимы только для сварки сравнительно небольших толщин свариваемого материала, так как при больших толщинах и соответственно большом весе сварочного инструмента боковое давление кромок (даже наиболее рационально разделанных) оказывается недостаточным для перемещения тяжелого инструмента.

В автоматических системах с регуляторами непрямого действия датчик, с помощью которого управляющее устройство получает информацию о положении стыка, вырабатывает электрический сигнал, преобразуемый в поступательное перемещение сварочного инструмента исполнительным механизмом, в качестве которого обычно применяют электропривод. Такие системы принято делить на три разновидности по месту расположения датчика относительно сварочной горелки и по характеру связи с ней:

системы, в которых датчик расположен над стыком впереди горелки и жестко с ней связан, т.е. горелка и датчик перемещаются одновременно одним и тем же приводом) (рис. 18,а);

системы, в которых датчик расположен сбоку от горелки, параллельно ей и имеет с горелкой жесткую связь (рис. 18,в);

а) б) в) г) Рис.18. Варианты систем автоматического направления сварочной головки по стыку (объяснение в тексте)

системы, в которых датчик расположен над стыком впереди горелки и связан с ней гибко, т.е. датчик имеет свой привод поперечного перемещения, горелка – свой (рис. 18,г).

Рассмотрим принцип действия и специфику этих систем подробнее.

На (рис. 18,а) сварочный автомат (СА) перемещается в направлении, указанном стрелкой, по направляющей 1. При отклонении стыка 2 в сторону от направляющей датчик (Д), расположенный над стыком, вырабатывает сигнал, который через усилитель (У) поступает на исполнительное устройство (ИУ). В качестве исполнительного устройства обычно применяют двигатель постоянного тока с независимым возбуждением. Получив сигнал с усилителя, двигатель через редуктор 3 перемещает сварочную горелку (Г) и жестко связанный с ней датчик (Д) в исходное для датчика положение над стыком 2 с заданной точностью.

Если стык имеет криволинейный характер, то в этой системе при перемещении датчика возникает так называемая методическая погрешность m (рис. 18,б) положения сварочной головки относительно стыка. Величина этой погрешности зависит от коэффициента кривизны К (в мм/м) и расстояния L (в мм) между датчиком и сварочной горелкой. По конструктивным ограничениям расстояние L чрезвычайно трудно сделать меньше 60 мм, поэтому, например, уже при К=10 мм/м методическая погрешность составит 0,6 мм.

Общая погрешность e₀ расположения сварочной горелки относительно стыка

e₀ = m + e_c, (3)

где e_с - точность, с которой система обеспечивает расположение датчика над стыком.

Общая погрешность должна быть меньше или равна допустимому отклонению (Sд) электрода от стыка, которое задается исходя из соображения качественного формирования проплава. С учетом этого замечания можно записать

m + e_c = e₀ £ Sд. (4)

Если условие (4) по тем или иным причинам обеспечить не удается, можно попытаться применить вариант системы, фрагмент которой изображен на рис. 18,в. В этой системе датчик расположен параллельно сварочной горелке не над стыком 2, а над «технологической» полосой 4, нанесенной параллельно (L1= L2 =…) или, точнее, эквидестантно стыку на расстоянии, равном расстоянию между датчиком и сварочной горелкой.

При таком расположении датчика методическая погрешность m отсутствует: расстояние между датчиком и горелкой в принципе не ведет к возникновению дополнительной погрешности, а кривизна стыка может достигать значительной величины без заметного ущерба для качественного формирования проплава. Опыт

проектирования и внедрения таких систем в промышленность позволяет сказать, что проблемным вопросом при их создании является не вопрос создания автоматического регулятора, а технически и экономически эффективное решение вопроса относительно способа и средств нанесения «технологической» полосы или ее эквивалента, позволяющего с помощью того или иного датчика отслеживать положение стыка. Кроме того, далеко не всегда конструкция изделия и сборочно-сварочная оснастка оставляют возможность для удобного расположения полосы или ее эквивалента. Поэтому при значительной кривизне стыка наиболее перспективным вариантом построения системы можно считать вариант, который иллюстрируется рис.18,г, несмотря на то, что технически этот вариант сложнее предыдущих вариантов.

Действительно, на сварочной головке, как показано на рис. 18,г, расположены два механизма поперечного перемещения: один - для датчика, второй – для сварочной горелки. Сварочный автомат (СА) имеет две системы автоматического регулирования: для управления положением датчика и для управления положением сварочной горелки, которая взаимодействует с первой через блок памяти (БП) или, как его иногда называют, блок запаздывания. Сигнал с датчика (Д) через усилитель (У1) поступает на исполнительное устройство (ИУ1), которое через редуктор 3 (если ИУ1 – электродвигатель) перемещает датчик в нужном направлении с заданной точностью по положению относительно стыка. С редуктором связан датчик угла поворота (на рисунке не показан), сигнал с которого фиксируется в каждый момент времени в блоке памяти и несет информацию о направлении и величине перемещения датчика. Через время t = L/Vc (L – расстояние между датчиком и горелкой; Vc – скорость сварки) сигнал из блока памяти поступает на усилитель У2 и с него на исполнительное устройство (ИУ2), которое перемещает горелку туда и настолько, куда и насколько в этой точке переместился датчик t секунд назад.

До появления микропроцессорной техники эти системы не находили применения в промышленности из-за сложности в настройке и эксплуатации блоков памяти. На уровне микропроцессорной техники создание таких систем становится экономически целесообразным.

В системах, изображенных на рис. 18,а и 18,г, в качестве датчиков положения стыка, как правило, применяют индуктивные или индукционные датчики. Самой простой конструкцией можно считать индуктивный датчик, изображенный на рис. 19, а. Датчик состоит из П-образного ферромагнитного сердечника, на котором расположены обмотки W1 и W2. Обмотки питаются напряжением

Uп повышенной частоты, и вместе со вторичными обмотками трансформатора образуют мостовую схему, с измерительной диагонали которой снимается напряжение выхода Uвых. Ток высокой частоты, проходя по обмоткам датчика, создает высокочастотный магнитный поток, который наводит в поверхностном слое свариваемого металла вихревые токи. Эти токи, в свою очередь, создают собственные магнитные потоки, которые, взаимодействуя с рабочими магнитными потоками, определяют в конечном итоге общее значение полного сопротивления (Z1 и Z2) каждой из обмоток и, следовательно, падения напряжения на них. При расположении датчика симметрично оси стыка падения напряжения на обмотках одинаковы по величине и напряжение на выходе мостовой схемы равно нулю. Если симметрия нарушается (стык смещается в ту или другую сторону), сопротивления Z1 и Z2 становятся не равными из-за того, что «интенсивность» вихревых токов под стержнями сердечника тоже становится не одинаковой, и в результате на выходе мостовой схемы возникает напряжение определенной величины и фазы относительно питающего напряжения (фаза Uвых или совпадает с фазой питающего напряжения Uп, или находится в противофазе к нему). Величина Uвых зависит от величины смещения стыка, а фаза – от того, в какую сторону стык сместился. Основным недостатком простейшего индуктивного датчика является его чувствительность к изменению величины зазора D (см. рис. 19,а), а значит, и к возможному превышению кромок. Чтобы компенсировать влияние этих факторов на показания датчика, его конструкцию приходится существенно усложнять, вводя Ш-образный сердечник и дополнительные обмотки, что, впрочем, не изменяет по существу принцип его работы.

Следует отметить также, что частота напряжения питания датчиков различной конструкции, при которой их чувствительность максимальна, различна для различных свариваемых материалов и лежит в диапазоне от 20 до 40 кГц, что вынуждает применять в схеме управления генераторы с подстройкой генерируемой частоты.

При создании систем по варианту, изображенному на рис. 18,в, в качестве «технологической» полосы, как правило, пытаются использовать красящее вещество, по цвету контрастное поверхности свариваемого материала, а в качестве датчика – фотоэлектрический датчик с оптической системой. Один из вариантов такого датчика показан на рис. 19,б. Конструктивно датчик представляет собой промышленно выпускавшийся оптический прибор, называемый излучатель отраженного света. В корпусе 1 прибора размещена лампа накаливания 2, система линз 3, поляризующая свет пластина 4

и матовое стекло 7. Световой поток, создаваемый лампой 2, преломляется и направляется вниз, создавая за счет линз 3 яркое световое пятно 5 на поверхности свариваемого изделия, освещая контрастную полосу 6, расположенную на расстоянии L от стыка.

Световой поток, отражаясь от поверхности изделия, проходит сквозь пластину 4 и создает теневое изображение полосы на матовом стекле 7.

а) б) в) г)

Рис. 19. Датчики, используемые в регуляторах непрямого действия систем автоматического направления сварочной головки по стыку (пояснение в тексте)

На матовом стекле размещаются два фоторезистора 9, имеющие электрические выводы 11. Фоторезисторы разделяются электроизоляционной прокладкой 10 (рис. 19, в) и располагаются симметрично теневому изображению полосы так, что а1 = а2, и светочувствительный слой 8 того и другогофоторезистора освещаются с одинаковой интенсивностью. Фоторезисторы ФР1 и ФР2 (рис. 19,г) включены в разные плечи мостовой схемы и, если световой поток F одинаков, а резисторы R1 и R2 имеют равные сопротивления, напряжение на выходе мостовой схемы равно нулю. Если стык смещается относительно датчика и симметрия освещенности нарушается, сопротивления фоторезисторов становятся различными, и на входе схемы возникает напряжение, величина которого пропорциональна величине смещения, а полярность зависит от того, в какую сторону сместился стык.

Расстояние Н (рис. 19,б) датчика от поверхности изделия может быть значительным (300 мм и более), что позволяет избежать трудностей при его размещении на сварочной головке. Следует отметить, однако, что чем больше расстояние Н, тем с большей точностью требуется поддерживать в процессе сварки угол между вертикальной осью датчика и поверхностью изделия, так как при изменении этого угла происходит смещение изображения полосы на матовом стекле и, следовательно, возникает вероятность ложного срабатывания системы.

В заключение скажем, что здесь рассмотрены лишь обобщенные сведения по вопросу об автоматическом направлении сварочной головки по стыку. Более подробную информацию об этих системах можно получить, если обратиться к литературным источникам, например [4].