Принцип саморегулирования длины дуги при сварке плавящимся электродом
Сварка в углекислом газе — один из наиболее распространенных способов сварки плавящимся электродом. Существенные недостатки этого процесса — повышенное разбрызгивание металла и не вполне удовлетворительный внешний вид швов. Особенно заметно эти недостатки проявляются при сварке проволоками диаметром 1,6. 2,0 мм и средних плотностях тока. Одной из причин разбрызгивания металла является действие электромагнитных сил и плазменных потоков, отталкивающих каплю от сварочной ванны. Капля непрерывно увеличивается; беспорядочно двигаясь, она смещается с оси электрода, а затем может быть выброшена за пределы ванны.
Уменьшить разбрызгивание и улучшить формирование сварных швов можно, заменив CO2 смесями аргона (75. 80 %) и углекислого газа или аргона, CO2 и кислорода. Применение таких смесей экономически оправдано, однако используются они пока мало из-за относительной дефицитности аргона. Устранить недостатки данного процесса сварки можно также, применив проволоки, активированные легкоионизируемыми редкоземельными металлами и поверхностно-активными веществами. Эти меры приводят к увеличению диаметра столба дуги, катодного и анодного пятен, уменьшению массы капель. При достаточно большом диаметре столба дуги электродинамические силы направлены в сторону ванны и способствуют переносу капель. В случае увеличения поперечных размеров дуги снижается удельная мощность в анодном и катодном пятнах, и в результате давление паров, препятствующее переходу капли в ванну, уменьшается.
Следует сказать, что попытки усовершенствовать процесс сварки чисто электротехническим путем, предпринимавшиеся еще на начальном этапе развития сварки в СО2, дали серьезные практические результаты и по сути дела предопределили ее широкое использование в промышленных условиях. Было показано, что статические характеристики источника питания дуги должны быть пологопадающими. Динамические характеристики, определяемые в основном индуктивностью сварочной цепи, должны обеспечивать перенос металла при коротком замыкании с минимальным импульсом электромагнитной силы. В этом случае степень разбрызгивания металла может быть существенно снижена. Дальнейшие многочисленные попытки уменьшить разбрызгивание путем оптимизации формы внешней характеристики источника питания и уменьшения индуктивности сварочной цепи не дали значительного эффекта.
Ряд авторов для ограничения размеров капли рекомендовали периодически снижать напряжение на дуге, что должно было способствовать уменьшению разбрызгивания. Предложенное резкое уменьшение тока в момент разрушения перемычки между каплей и электродом ослабляет силу газодинамического удара и препятствует выбросам металла из ванны. Однако широкое использование указанных рекомендаций в промышленных условиях требовало создания принципиально новой силовой полупроводниковой техники и техники автоматического управления.
В последнее время в связи с развитием такой техники появилась возможность применения ее средств с целью усовершенствования процесса сварки в CO2, особенно проволоками диаметром 1,6. 2,0 мм, широко используемыми в промышленности.
Настоящая работа посвящена исследованию способов управления плавлением и переносом металла при сварке в углекислом газе проволоками относительно большого диаметра.
Перенос электродного металла в сварочную ванну разделим условно на три основные стадии. Во время первой стадии на торце электрода образуется капля заданного размера. Во второй стадии рост ее прекращается, и вместе с концом электрода она приближается к сварочной ванне. Третья стадия завершается переходом металла в ванну с разрушением перемычки между каплей и электродом. Размер капли должен быть малым, во всяком случае не больше диаметра электрода. При этом практически полностью устраняется хаотическое движение капли. О размере капли можно судить по количеству электричества, протекающего через дугу.
Возможны два варианта получения капель заданной массы. По первому варианту управление плавлением и переносом металла осуществляется с помощью импульсов тока постоянной амплитуды Iи и длительности tи. По второму — дуга питается от источника тока с пологопадающей внешней характеристикой. При помощи измерительного устройства определяют количество электричества, прошедшего через дугу, и по достижении заданного значения снижают сварочный ток с целью уменьшения сил, отталкивающих каплю от ванны.
Остановимся более подробно на особенностях первого варианта. После начала короткого замыкания капли с ванной через некоторый интервал времени повышают ток, чтобы сообщить металлу требуемый импульс силы, а к моменту отрыва капли от электрода — снова снижают его. После отрыва капли и возбуждения дуги плавно повышают ток с целью ослабления газодинамического удара.
Описанный цикл изменения сварочного тока и напряжения на дуге показан на рис. 1.
Поскольку механизмы подачи проволоки работают без обратных связей по параметрам сварочного процесса, целесообразно исследовать динамические свойства систем регулирования. Это особенно важно в случае механизированной сварки, при которой существуют значительные отклонения в значениях вылета электрода и скорости движения проволоки в осевом направлении.
Сделаем следующие допущения: нагревом вылета электрода протекающим по нему сварочным током можно пренебречь; скорость сближения капли с поверхностью ванны постоянна и равна скорости подачи проволоки vп.пр; поперечные размеры капли близки к диаметру электрода. В этом случае длина дуги уменьшается по закону
где Lн = L — vп.прtк.з; L — длина отрезка проволоки, расплавившегося за предыдущую стадию горения дуги; tк.з — продолжительность короткого замыкания капли с ванной; t — текущее время, отсчитываемое от начала каждого цикла.
Скорость плавления электрода при фиксированном диаметре проволоки пропорциональна току:
где а — коэффициент пропорциональности.
При отсутствии возмущающих воздействий по длине дуги и скорости подачи проволоки электрод за время одного цикла tц перемещается по направлению к ванне на расстояние
где tи и tп — длительность импульса тока и паузы.
Среднюю длину межэлектродного промежутка за интервал времени tц можно определить с использованием выражения (1):
В соответствии с формулой (2), при питании дуги импульсами тока, имеющими амплитуду Iи и длительность tи, значение L будет равно
где Iп — ток паузы (рис. 1).
Используя формулы (3), (4), (6), найдем значение L и частоту коротких замыканий fк.з:
Выражения (7), (8) показывают, что частоту переноса металла определяют значения Iи, tи, Iп, vп.пр. Если Iп = 0, то значение L не зависит от скорости подачи проволоки. В этом случае, как следует из формулы (5), длина дуги слабо зависит от vп.пр, а при tк.з
Рассмотрим динамические свойства системы регулирования. Допустим, что длина дуги скачкообразно изменилась. Поскольку скорость подачи проволоки остается прежней, отклонение длины дуги приведет к изменению времени tп. Согласно формуле (6), при Iп = 0 значение L не зависит от tп. Поэтому в следующем цикле образования капли длина дуги будет такой же, как и до действия возмущения по длине дуги. Таким образом, влияние скачкообразного изменения длины дуги на процесс сварки устраняется предельно быстро — за один интервал времени tц. Быстродействие устранения возмущений по длине дуги дает возможность вести сварку на небольших токах.
Увеличение скорости подачи проволоки приводит к уменьшению времени tп. Возрастает частота импульсов и, следовательно, среднее значение сварочного тока. Повышение vп.пр возможно до такого значения, при котором время tп становится равным нулю. Дальнейший рост скорости подачи проволоки приведет к слиянию импульсов тока и нарушению устойчивости системы регулирования. Максимально допустимое значение скорости подачи проволоки vп.прmax можно вычислить по формулам (3), (4), (7), считая, что tп = 0:
Что касается отклонений вылета электрода, то они приводят к небольшим изменениям массы капель, поскольку доля энергии, выделяющейся в вылете электрода в обычных условиях, относительно невелика (менее 15. 20 %).
Свойства системы регулирования, основанной на интегрировании сварочного тока, близки к свойствам системы питания дуги импульсами постоянной амплитуды и длительности, так как за время tи расплавляются отрезки проволоки постоянной длины.
Экспериментальные исследования систем управления проводились с помощью транзисторного регулятора, описанного ранее. Транзисторы 1 (рис. 2) работают в режиме переключения с частотой 20 кГц, обеспечивая высокий КПД преобразования энергии. На динамические свойства регулятора большое влияние оказывает индуктивность кабелей, соединяющих его со сварочным аппаратом и изделием 7. Для того чтобы максимально уменьшить индуктивность и вместе с тем обеспечить соответствие реальным производственным условиям, применяли кабели длиной 10 м, причем на половине этого расстояния они находились в непосредственной близости друг от друга. Это позволило достичь скорости изменения тока в сварочной цепи 2*10в6 А/с. Индуктивность сварочной цепи осталась достаточной для сглаживания выходного напряжения регулятора.
В экспериментах осуществлялась наплавка валиков проволокой типа Св-08Г2С диаметром 1,6 мм автоматом АД С-502. Потери металла на разбрызгивание оценивались коэффициентом Kн = (m6р/mпр), где m6p — масса брызг; mпр — масса расплавленной проволоки.
Были исследованы три способа управления плавлением и переносом металла. При первом способе питание дуги осуществлялось импульсами постоянной амплитуды и длительности. При втором способе дуга во время образования капли питалась от источника с пологопадающей внешней характеристикой. Для устранения колебаний тока, связанных с блужданием дуги, система управления имитировала включение дополнительной индуктивности 0,45 мГн в сварочной цепи. Энергия, расходуемая на образование капли, не ограничивалась, но при возникновении короткого замыкания ток резко уменьшался до уровня Iп и поддерживался таким в течение 0,6 мс (рис. 1). Это препятствовало отталкиванию капли. Управление переходом металла с торца электрода в ванну осуществлялось так же, как и в первом способе.
Третий способ управления (для сравнения описанных выше результатов с результатами, получаемыми при эксплуатации обычных источников питания) имитировал работу обычного сварочного выпрямителя с внутренним сопротивлением 0,02 Ом и дополнительной индуктивностью 0,45 мГн.
Первый способ управления обеспечивает стабильный перенос металла, что, в частности, видно из осциллограммы (рис. 3). Потери металла на разбрызгивание по сравнению с обычным источником питания в наиболее неблагоприятном диапазоне рабочих токов снижены на порядок (рис. 4). При использовании второго способа разбрызгивание увеличивается, однако оно все же остается заметно меньшим, чем при третьем способе. Это обусловлено устранением отталкивания капель в случае коротких замыканий и ослаблением газодинамического удара при отрыве капель от торца электрода. При применении обычного источника питания дуги частота перехода капель в ванну и их масса нестабильны. Поэтому шов имеет неровную поверхность. Так, при Iсв = 280 A, Uд = 26 В отклонения высоты валика от среднего значения достигают 15 %. Управление плавлением и переносом металла по первому способу сводит эти отклонения к 3 %.
Таким образом, управление плавлением и переносом металла при сварке в углекислом газе путем изменения сварочного тока позволяет существенно снизить потери металла и улучшить внешний вид шва. Для этого необходим регулируемый источник питания дуги, обеспечивающий скорость изменения тока в сварочной цепи не менее 2*10в6А/с. Достигнуть такой скорости изменения тока позволяют транзисторные регуляторы или источники питания инверторного типа, работающие на частоте 20 кГц и выше.
Саморегулирование при сварке плавящимся электродом. Системы автоматического регулирования длины дуги.
Эффект достигается только при постоянной скорости подачи электродной проволоки и только при некоторых возмущениях. Эффектсаморегулирования поддердивает постоянный ток сварки.
Саморегулирование при сварке плавящимся электродом
Необходимость автоматического регулирования как вида управления обусловлена тем, что на любой объект управления (ОУ) действуют «вредные» факторы, называемые возмущающими воздействиями или просто возмущениями, которые приводят к незапланированным отклонениям величины рабочих параметров, характеризующих нормальное функционирование ОУ. Задача автоматического регулирования – обеспечить значения рабочих параметров ОУ на уровне заданных значений с требуемой точностью.
В системах автоматического регулирования (САР) при их проектировании реализуют тот или другой из трех возможных принципов регулирования: регулирование по отклонению; регулирование по возмущению; комбинированное регулирование.
Рис. 15. Блок – схемы систем автоматического регулирования:
а) по отклонению; б) по возмущению; в) комбинированное
Регулирование по отклонению (рис. 15,а) предполагает построение замкнутой системы, т. е. такой системы, в которой, кроме прямого канала управления, используется еще канал обратной связи. По каналу обратной связи информация о значении регулируемой величины У с выхода системы подается на ее вход, которым является вход управляющего устройства (УУ), где это значение сравнивается с задающим воздействием Хо. Если разница /Хо – У/, т. е. отклонение DУ, окажется больше допустимого, управляющее устройство формирует регулирующее (управляющее) воздействие U, которое возвращает параметр У в заданные пределы. Управление по такой схеме может осуществляться только в том случае, если обратная связь, по которой сигнал проходит с выхода системы на ее вход, будет отрицательной (значение У вычитается при операции сравнения из величины Хо). В системах регулирования по отклонению для обеспечения требуемой точности регулируемого параметра достаточно иметь один канал обратной связи, сколько бы возмущений, способных вызвать изменения величины регулируемого параметра, ни действовали на ОУ, и это обстоятельство – очень существенное положительное свойство таких систем.
Системы, в которых реализован принцип регулирования по возмущению (рис. 15,б), являются разомкнутыми. В этих системах измеряется и контролируется не регулируемый параметр непосредственно, как в предыдущем случае, а возмущение Z, информация о величине которого по каналу компенсации подается на вход системы. Управляющее устройство в зависимости от величины возмущения формирует соответствующее этой величине регулирующее воздействие, которое должно компенсировать влияние Z на У с требуемой точностью. В исправной и правильно спроектированной системе такая компенсация и происходит, однако система не имеет информации о конечном результате управления, и это следует рассматривать как существенный недостаток принципа регулирования по возмущению. Кроме того, система должна иметь столько каналов компенсации, сколько возмущений планируется учитывать при ее построении.
Положительными свойствами таких систем можно считать, во-первых, то, что разомкнутые системы всегда устойчивы, во-вторых, системы в принципе позволяют начинать корректировку режима одновременно с возникновением возмущения, упреждая его влияние на регулируемый параметр. Другими словами, эти системы способны обеспечить очень высокую точность регулируемому параметру.
При комбинированном регулировании (рис. 15,в) реализуются оба вышерассмотренные принципы. Однако технически такие системы значительно сложнее, и поэтому, как правило, стараются обходиться или принципом регулирования по отклонению, или регулированием по возмущению.
Основная область применения систем автоматического регулирования установочной длины дуги - это автоматическая дуговая сварка неплавящимся электродом в среде защитного газа.
Под установочной длиной дуги будем понимать расстояние между концом неплавящегося (как правило, вольфрамового) электрода и поверхностью изделия. Это расстояние выставляется или сварщиком, или автоматически системой регулирования до возбуждения дуги и составляет обычно в широком диапазоне токов сварки 3 мм. Длительной практикой сварочных работ установлено, что при таком значении установочной длины дуги для качественного протекания процесса сварки достаточно обеспечить этому параметру точность порядка ± 0,5 мм.
Для автоматической стабилизации установочной длины дуги так же как и при автоматическом направлении сварочной головки по стыку, могут быть использованы регуляторы прямого действия с применением роликовых копиров и регуляторы непрямого действия, в которых контроль величины установочной длины дуги осуществляется специальными датчиками.
На рис. 20 изображена в упрощенном виде простейшая система с регулятором непрямого действия, позволяющая стабилизировать установочную длину дуги Lу. Датчиком, контролирующим величину Lу, служит рычаг 1, установленный на плате, которая кронштейном 6 жестко связана с держателем 7 сварочной горелки. Вся конструкция может перемещаться вверх-вниз по направляющим 8 двигателем М через редуктор 9. На плате, кроме рычага 1, который может поворачиваться вокруг оси О, установлены два неподвижных относительно платы электрических контакта 3 и 4. Одно плечо рычага 1 скользит по поверхности изделия и прижимается к нему пружиной 2, на другом плече установлен электрический контакт 5, который располагается между контактами 3 и 4.
Рис. 20. Система автоматической стабилизации установочной
При заданном значении Lу контакт 5 находится в среднем положении относительно контактов 3 и 4, не касаясь их. Если по какой-либо причине Lу изменится (например, увеличится), под действием пружины замкнутся контакты 3-5, получит питание катушка реле К1, и на якорь двигателя М поступит напряжение такой полярности, при которой двигатель с постоянной скоростью будет перемещать сварочную горелку вниз, уменьшая величину Lу. Перемещение будет происходить до тех пор, пока не разомкнутся контакты 3 и 5. Реле К1 отключится и отключит питание двигателя М, двигатель остановится. Точность стабилизации Lу зависит, во-первых, от соотношения размеров плеч рычага 1, во-вторых, от промежутка между подвижным контактом 5 и неподвижными контактами 3 и 4, в-третьих, от величины методической погрешности m. Эта погрешность аналогична рассмотренной ранее, так как датчик (плечо рычага, скользящее по поверхности изделия) располагается впереди сварочной горелки на расстоянии L от вертикальной оси электрода и зависит как от этого расстояния, так и от значения коэффициента кривизны К.
Для того, чтобы выставить необходимое значение установочной длины дуги перед сваркой, плата, на которой смонтирован датчик, имеет обычно механизм (на рисунке не показан), позволяющий перемещать ее вручную в небольшом диапазоне вверх-вниз относительно кронштейна 6.
Следует иметь в виду, что подобные системы стабилизируют, строго говоря, не величину параметра Lу, которая может несколько измениться при оплавлении заточенного конца электрода (система на это изменение не реагирует), а расстояние между срезом сопла сварочной горелки и поверхностью изделия. Однако если конфигурация конца электрода не изменяется, говорить о стабилизации установочной длины дуги вполне правомерно.
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.
Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.
© cyberpedia.su 2017-2020 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!
Система автоматического регулирования дуговой сваркой плавящимся электродом саморегулированием (АРДС)
Сварочная дуга как объект регулирования обладает положительным самовыравниванием, т.е. свойством без какой-либо внешней системы автоматического регулирования противостоять возмущениям либо с полной их отработкой, либо с установкой новых энергетических параметров режима со значениями, близкими к исходным. Это свойство проявляется при постоянной скорости подачи электрода при начальных устойчивых режимах горения дуги, т.е. при условии, что в исходном режиме скорость плавления (интегральная) равна скорости подачи:
В сварке этот процесс называют саморегулированием и новые, отличающиеся от исходных, значения тока и напряжения, которые устанавливаются после возмущения, можно считать статическими ошибками системы саморегулирования.
Процесс сварки с плавящимся электродом характеризуется статической характеристикой устойчивой работы (рис. 15). Каждому значению соответствует своя характеристика. Пересечение этой характеристики с внешней характеристикой источника питания дает значение энергетических параметров сварки (Iд и Uд) для заданных условий.
Так как скорость плавления определяется величиной тока и напряжения, то уравнение статической характеристики устойчивой работы находят из равенства
Решая его относительно сварочного тока:
где ki и ku – коэффициенты саморегулирования системы по току и напряжению.
В выражении (2) знак минус означает, что увеличение напряжения (удлинение дуги) уменьшает скорость плавления за счет увеличения охлаждающего действия окружающей дугу атмосферы. Это справедливо для большинства сварочных дуг за исключением некоторых режимов при сварке в СО2 с частыми короткими замыканиями при малых скоростях подачи электрода.
Составляющая Vпп/ki называется заданным значением тока (Iз). Это условное значение тока, который имел бы место, если бы скорость плавления зависела только от тока, т.е. при ku = 0. Таким образом формулу (3) можно переписать как Iд = I з + ∆I , где ∆I = ( ku/ ki) Uз .
Рис. 15. Статические характеристики системы саморегулирования
Практически саморегулирование проявляется в следующем. Если длина дуги по каким-либо причинам (например, наличие прихватки на линии соединения) укорачивается, то это приведет к увеличению Iд и снижение Uд. В результате скорость плавления возрастает и восстановится прежняя длина дуги и соответственно исходные значения Iд и Uд. Таким образом, при относительно небольших возмущениях полностью отрабатывается ошибка по длине дуги. То же произойдет при удлинении дуги: Vпл замедлится и режим восстановиться. Отсюда следует, что при постоянной скорости подачи электрода независимое регулирование тока или напряжения сварочной дуги невозможно.
В случае изменения напряжения сети или внутреннего сопротивления источника (возмущения со стороны источника питания) новая точка пересечения характеристик даст отклонение от исходного режима, т.е. статические ошибки I и U (рис. 15).
Чем ближе к вертикали статические характеристики устойчивой работы, тем меньше I при всегда имеющей место U. Таким образом, система саморегулирования (АРДС) лучше отрабатывает возмущения по току и хуже по напряжению. Это означает, что влияние на глубину проплавления возмущений по длине дуги и возмущения со стороны источника слабее, чем на ширину шва. В связи с этим при сварке с независимой подачей электродной проволоки напряжение дуги нужно подбирать более точно (до нескольких вольт), а величина тока может иметь отклонение от заданной до нескольких десятков ампер.
Все вышеуказанное имеет в виду усредненные параметры динамики сварочного процесса, так как не учитывает капельный перенос металла при сварке с короткими замыканиями, а также увеличение ki и ku с ростом плотности тока на электроде. Интенсивность саморегулирования (снижение длительности переходного процесса tр) возрастает при уменьшении диаметра электрода (рис. 16), увеличении скорости его подачи и уменьшении крутизны падения внешней характеристики источника питания.
Рис. 16. Длительность переходных процессов при сварке под флюсом
На принципе саморегулирования построены аппараты с независимой подачей электродной проволоки для механизированной сварки под слоем флюса и в защитном газе плавящимся электродом. Практически система АРДС хорошо работает при высоких плотностях тока (диаметр проволоки до 3мм) и при колебаниях напряжения сети до 8%, рис. 17.
При увеличении диаметра электрода или снижении плотности тока на электроде и уменьшении Vпп для получения качественного сварного шва в условиях возмущений саморегулирования становится недостаточно, рис. 18. Таким образом основным требованием к оборудованию для сварки плавящимся электродом малого диаметром является обеспечение постоянство скорости подачи электродной проволоки.
Рис. 17. Зависимость коэффициентов саморегулирования по току k1 (сплошные линии) и по напряжению k2 (штриховые линии) от плотности тока в электроде
Рис. 18. Влияние диаметра электрода на силу тока, обеспечивающую саморегулирование дуги при сварке плавящимся электродом: ниже С – невозможность качественной сварки; ниже В – затянутый процесс саморегулирования
Электроприводы механизмов подачи электродной проволоки работают в условиях колебаний напряжения сети и изменения в широком диапазоне нагрузки – момента сопротивления на валу двигателя. Особенно существенным может быть изменение момента при полуавтоматической сварке в среде защитного газа при манипуляциях сварочной горелкой. Для этих приводов применяют либо трехфазные асинхронные двигатели переменного тока, как имеющие относительно жесткие характеристики, либо двигатели постоянного тока независимого возбуждения с системой стабилизации частоты вращения. В отсутствие системы стабилизации для надежной работы привода приходится завышать мощность двигателя. Применение двигателей переменного тока затрудняет регулирование частоты вращения, поэтому применяют сменные шестерни или коробки скоростей. Двигатели постоянного тока лишены этих недостатков, но без системы стабилизации их механическая характеристика недостаточно жесткая. В настоящее время в приводах применяют управляемые тиристорные выпрямители или более сложные схемы с транзисторным управлением. В последнем случае для разгрузки силовых транзисторов привода используют амплитудо-частотную модуляцию.
Функциональная схема более простого тиристорного привода с системой стабилизации показана на рис. 19. Двигатель постоянного тока с независимым возбуждением подключен к управляемому выпрямителю на тиристорах УВ, рис.19, а. Управление выпрямителем осуществляется электронным фазоимпульсным устройством ФИУ, вход которого подключен к усилителю напряжения У. Чем больше входное напряжение ФИУ, тем меньше угол управления тиристорами, больше среднее напряжение на якоре двигателя М и больше частота вращения. На вход усилителя подается разность ∆U между напряжениями задания Uз и частью напряжения с якоря Uя . Таким образом изменение этой разности приводит к изменению частоты вращения якоря двигателя. При увеличении момента сопротивления на валу двигателя и снижении частоты вращения снижается Uя . Разность ∆U увеличивается, увеличивая входное напряжение в ФИУ. В результате этого фазовый угол управления тиристорами уменьшается, среднее напряжение на якоре возрастает и частота вращения увеличивается до заданной. Такой принцип управления тиристорами называется вертикальным. Использование Uя в качестве сигнала обратной связи возможно потому, что тиристор открыт лишь часть полупериода (рис. 19, б).
В оставшуюся часть времени напряжение к якорю не прикладывается, он вращается по инерции, работая в режиме генератора, и создает ЭДС на щетках, пропорциональную своей частоте вращения. Величина этой ЭДС и используется как сигнал отрицательной обратной связи. Появление напряжения питания после отпирания тиристоров вносит ошибку в этот сигнал, поэтому более точно работает система с датчиком – тахогенератором, ЭДС которого строго соответствует частоте вращения. Тахогенераторы в приводах подачи электродной проволоки как правило не используют из-за трудности их соединения с двигателями и увеличения габаритов оборудования.
Рис. 19. Функциональная схема системы стабилизации (а) и изменение
напряжения на якоре двигателя (б): G – режим генератора, М – двигателя
Как следует из описания работы системы стабилизации, она работает по пропорциональному закону и ошибка в ней и при использовании тахогенератора неизбежна. Несмотря на это, эти системы с успехом эксплуатируются и ошибка в них не превышает 10%.
Общая характеристика систем регулирования сварочных дуг
Параметры режима горения дуги (I, Uд) определяются точкой пересечения внешней характеристики источника с характеристикой потребителя. При сварке неплавящимся электродом такой характеристикой является ВАХ дуги, соответствующая определенной ее длине и иным условиям.
При сварке плавящимся электродом ВАХ не может достоверно характеризовать дугу, поскольку ее длина вследствие расходования электрода подвержена значительным изменениям. В этом случае вместо ВАХ пользуются так называемыми линиями устойчивых режимов, представляющими собой зависимость между усредненными значениями тока и напряжения дуги в системе, образованной дугой и механизмом подачи электрода. Вид линии устойчивых режимов зависит от того, какая принята система регулирования дуги.
Назначение системы регулирования при сварке плавящимся электродом -обеспечить устойчивый стационарный (точнее, квазистационарный) процесс горения дуги в условиях непрерывного расходования электродного материала. Такой процесс возможен лишь при равенстве за достаточно продолжительный промежуток времени средних скоростей плавления и подачи электрода:
Скорость плавления электрода является сложной функцией большого числа факторов, главные из которых – ток и напряжение горения дуги. С достаточной для практики точностью зависимость между скоростью плавления и параметрами горения дуги можно считать линейной:
где ki – коэффициент саморегулирования по току, см/c·A; ku – коэффициент саморегулирования по напряжению, см/c·В.
В процессе сварки ток и напряжение дуги должны изменяться таким образом, чтобы обеспечивалось условие (2.1).
В технике автоматической дуговой сварки применяются, в основном, 2 вида систем регулирования:
– системы с зависимой от напряжения дуги скоростью подачи электрода;
– системы с независимой (постоянной) скоростью подачи электрода.
В системах первого типа электрод подается с тем большей скоростью, чем выше напряжение дуги. Предположим, что в некоторый момент времени в результате какого-либо случайного внешнего воздействия произошло нарушение равенства (2.1) так, что Vпл > Vэ. Это приведет к тому, что длина дуги будет увеличиваться, вызывая увеличение напряжения дуги, а значит и скорости подачи электрода. Увеличение скорости подачи будет происходить до тех пор, пока равновесие не восстановится. Если в результате нарушения равновесия Vпл < Vэ, напряжение дуги будет снижаться, что вызовет соответствующее снижение скорости подачи. Таким образом, данная система стремится поддерживать постоянным напряжение дуги.
Не вдаваясь в подробный анализ свойств системы, отметим, что линия устойчивых режимов для нее соответствует уравнению
где Uр – задаваемое регулятором системы напряжение дуги, В; kP – коэффициент усиления системы, см/с·В.
Из (2.3) следует, что точность поддержания Uд тем выше, чем больше коэффициент усиления системы регулирования, т.е. чем она чувствительней. В частности, при kP → ∞ Uд = Uр = const, система обеспечивает инвариантность напряжения дуги от изменения тока. Поскольку это достигается за счет соответствующего воздействия на скорость подачи электрода, данную систему следует отнести к числу систем принудительного регулирования.
Эффективность систем с зависимой скоростью подачи электрода достаточно высока лишь в том случае, когда частота внешних воздействий, вызывающих нарушение равновесия, не является слишком высокой. В частности, при капельном переносе металла, сопровождающемся периодическими замыканиями с частотой в десятки герц и выше, такие системы оказываются неработоспособными.
В системах второго типа, используется свойство саморегулирования (самовыравнивания) дуги с плавящимся электродом. В этих системах скорость подачи электрода является постоянной и не зависит от параметров горения дуги.
В установившемся режиме Vэ = Vпл. Допустим, что это равновесие по какой-либо причине нарушилось, и теперь Vэ < Vпл. Вследствие удлинения дуги ее напряжение возрастет, а ток соответственно снизится, что согласно уравнению (2.2) вызовет уменьшение скорости плавления до восстановления равновесия. При Vэ > Vпл, наоборот, будет наблюдаться снижение напряжения дуги и увеличение тока, а значит скорость плавления электрода будет возрастать. Таким обрезом, при определенных условиях дуга сама, без какого-либо регулятора, способствует поддержанию устойчивого равновесия, вследствие чего систему с постоянной скоростью подачи электрода называют системой саморегулирования. Уравнение линии устойчивых режимов системы саморегулирования имеет вид
Первый член в выражении (2.4) определяется лишь установленной скоростью подачи электрода и представляет собой как бы заданное значение сварочного тока:
В таком случае величину можно рассматривать как отклонение тока от заданного значения IЗ вызванное влиянием напряжения дуги. Очевидно, что это отклонение будет тем меньше, чем меньше величина ku. Поскольку для реальных условий отклонение обычно не превышает 5–10 % от заданного тока, можно считать, что система с независимой подачей электрода с некоторой точностью поддерживает неизменной величину сварочного тока.
Линии устойчивых режимов рассмотренных систем регулирования, соответствующие уравнениям (2.3) и (2.4), показаны на рис. 2.1.
Системы с зависимой скоростью подачи электрода по причине их низкого быстродействия могут применяться лишь при сварке под слоем флюса, где частота капельного переноса металла относительно невелика. К числу систем, реализующих принцип зависимой подачи электрода, условно можно отнести также ручную дуговую сварку покрытыми электродами.
Рис. 2.1. Линии устойчивых режимов для системы с зависимой от напряжения дуги скоростью подачи электрода (1) и системы саморегулирования (2)
При оценке регулировочных свойств источников питания на практике обычно пользуются одной из стандартных форм записи уравнения (2.3):
Uд = 20 +0,04I для I < 600 А; (2.6)
Uд = 40 +0,005 для I ≥600 А. (2.7)
Системы саморегулирования применяются во всех случаях автоматической и полуавтоматической сварки в среде защитных газов, а также в ряде случаев при сварке под слоем флюса или порошковой проволокой. Поскольку коэффициенты саморегулирования сильно зависят от условий сварки (материала и сечения электрода, его вылета, состава защитной среды и т.д.), стандартной формы записи уравнения (2.4) не существует.
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
Саморегулирование дуги при сварке плавящимся электродом
В.И. Дятлов установил, что при сварке плавящимся стальным электродом наблюдается саморегулирование дуги, которое он предложил использовать для создания простых и надежных сварочных головок. В большинстве случаев саморегулирование дуги настолько значительно, что нет необходимости в применении схем автоматического регулирования. Электрод может подаваться в зону дуги с заданной постоянной скоростью. Исследования показали, что саморегулирование, кроме того, способствует значительному повышению устойчивости схем автоматического регулирования сварочной дуги.
Установлено, что наибольшее влияние на саморегулирование (само-выравнивание) дуги оказывают форма внешней характеристики источника питания, плотность тока в электроде и стабилизирующие свойства флюса. Установлено также, что в определенном диапазоне режимов сварки для каждого диаметра электрода интенсивность саморегулирования дуги вполне достаточна для ее устойчивого горения.
Процесс регулирования дугового промежутка описывается уравнением
где l — расстояние по оси электрода между его плавящимся концом и дном полости, в которой горит дуга в основном металле; vэ — скорость плавления электрода; vо.м — составляющая скорости плавления основного металла в направлении оси электрода; vп — скорость подачи электрода.
Уравнение (1) мало пригодно для практического использования. Металл на дне полости (рис. 1) непрерывно кипит и отбрасывается давлением дуги. При этом расстояние l замерять трудно.
Между режимом горения дуги, размерами полости и расстоянием l, зависящим от длины дуги, существует очень сложная зависимость. При современном состоянии теории дугового разряда и распространения тепла при сварке представить эту зависимость аналитическим выражением очень трудно и вряд ли целесообразно.
Для анализа процесса саморегулирования дугового промежутка значительно удобнее воспользоваться понятием внешней составляющей длины дуги, т. е. расстоянием между концом плавящегося электрода и поверхностью свариваемого изделия (рис. 1). В этом случае процесс регулирования дугового промежутка описывается уравнением
Для решения уравнения (2) нужно прежде всего знать аналитическую связь между внешней составляющей длины дуги lвн и скоростью плавления электрода.
В работе установлено, что при неизменной внешней характеристике источника питания внешняя составляющая длины дуги lвн и скорость плавления электрода vэ линейно связаны с напряжением дуги
Зависимости (4) справедливы для установившегося режима сварки. Необходимо выяснить, можно ли их использовать при изучении переходного процесса.
В нашей работе и в работе Д.М. Рабкина показано, что на плавление электрода при сварке под флюсом в основном расходуется тепло, выделяющееся в приэлектродной области. В работе расчетным и опытным путями было установлено, что вследствие большой скорости подачи электрода в зону дуги высокая температура на его торце распространяется на очень малое расстояние в глубь электрода.
При реальных режимах сварки под флюсом электродной проволокой диаметром 5 мм в приэлектродной области объемом около 2*10-3 мм3 выделяется от 1000 до 3000 кал/с. При сварке электродной проволокой диаметром 2 мм в приэлектродной области объемом около 3*10в-4 мм3 выделяется от 400 до 1500 кал/с.
При таких высоких концентрациях тепловой энергии в ничтожно малом объеме приэлектродной области и сравнительно небольшой доле тепловой энергии, расходуемой на предварительный нагрев электрода, можно считать, что изменения скорости плавления электрода практически безынерционно следуют за изменениями режима горения дуги. Иными словами, практически одновременно с изменениями тепловой энергии, выделяющейся в приэлектродной области, изменяется и скорость плавления электрода.
Для проверки этого предположения мы провели опыт, в котором дуга горела под флюсом между плавящимся стальным электродом диаметром 5 мм и графитовой пластиной. Таким образом исключалось плавление основного металла, и все изменения длины дугового промежутка обусловливались изменениями скоростей подачи и плавления электрода.
Схема включения двигателя головки приведена на рис. 2. Горение дуги начиналось при повышенной скорости подачи электрода, затем подавался импульс на реле РП, переключавшее напряжение на якоре двигателя головки. Электромеханическая постоянная времени двигателя не превышала 0,03 с. Переходный процесс установления скорости подачи электрода практически заканчивался через 0,08. 0,09 с.
В ходе опытов осциллографировались э. д. с. тахогенератора, установленного на валу двигателя головки, напряжение и ток дуги. Из приведенной на рис. 3 осциллограммы видим, что напряжение дуги начинает возрастать сразу же после скачкообразного уменьшения скорости подачи электрода. Между кривыми w и Uд практически нет сдвига во времени. Наблюдаемое изменение напряжения дуги вызвано изменением длины дуги, которое в свою очередь вызывается изменением скорости плавления электрода. Аналогичные данные были получены нами при изучении большого количества осциллограмм, снятых при различных режимах горения дуги на графитовой пластине.
Полученные результаты с достаточной точностью могут быть распространены и на случаи сварки с плавлением основного металла. Это обусловлено тем, что, вследствие относительно большой тепловой инерционности сварочной ванны, кратковременные изменения режима горения дуги мало отражаются на скорости плавления основного металла. Кроме того, скорость плавления электрода vэ в большинстве случаев значительно превосходит составляющую скорости плавления основного металла vо.м.
Поэтому возникающие в переходных режимах горения дуги изменения дугового промежутка в основном обусловлены изменениями скорости плавления электрода. Характер протекания переходного процесса остается примерно тем же, что и при горении дуги на графитовой пластине. Об этом свидетельствует, например, осциллограмма, приведенная на рис. 4.
Таким образом, можно считать установленным то, что изменения скороста плавления электрода практически безынерционно следуют за изменениями тока и напряжения дуги. Последние обычно совпадают по фазе.
Следовательно, уравнение (4) может быть использовано при изучении процессов регулирования дугового промежутка. Решая (2) (3) и (4), получим
Здесь Tс = y/m — электросварочная постоянная времени, зависящая от режима сварки, марки электрода, флюса и др.
Следовательно, нашу систему можно рассматривать как одно инерционное звено, на вход которого подана постоянная величина v0-vп/m, а выходной величиной является напряжение дуги. Система всегда устойчива, процесс установления протекает по апериодическому закону. Это — большое достоинство сварочных головок с постоянной скоростью подачи электрода, использующих саморегулирование дуги.
Длительность процессов установления дугового промежутка, обусловленных саморегулированием сварочной дуги, определяется величиной электросварочной постоянной времени Tс, в наибольшей мере зависящей от значения m и стабилизирующих свойств флюса у.
На рис. 5 приведена найденная нами зависимость коэффициента m от тока короткого замыкания сварочной цепи при сварке под флюсом АН-348 на переменном токе. Наиболее резкая зависимость т от тока наблюдается при сварке электродами малого диаметра.
Значительно труднее найти значение у. Его можно наиболее точно определить путем рентгенкиносъемки зоны дуги. Однако такой путь определения у сложен и практически мало пригоден.
Величину электросварочной постоянной времени Tc можно легко определить опытным путем при периодических колебаниях скорости подачи электрода. С этой целью на якорь двигателя головки необходимо, помимо постоянного напряжения, подавать синусоидальное напряжение с частотой порядка 1 пер/с. При этом vп = vпо + v ~sin Qt. Подставив это выражение в уравнение (5), найдем
Следовательно, зная угол ф и частоту Q, можно достаточно точно определить величину электросварочной постоянной времени Tс, избавившись от определения значений т и у.
Уравнение (6) хорошо подтверждается опытным путем. В качестве примера на рис. 6 приведена осциллограмма скорости подачи электрода, напряжения и тока дуги. С повышением частоты Q угол сдвига фаз между кривой скорости подачи электрода и напряжением дуги возрастает, приближаясь к п/2. Синусоидальный характер кривых напряжения и тока дуги на осциллограмме рис. 6 свидетельствует о правильности выведенного нами уравнения (5).
На рис. 7 приведены полученные нами опытным путем зависимости времени регулирования tp = 3Tc от тока короткого замыкания при Uх.х = 81 в (для электродов диаметрами 3, 4 и 5 мм) и Uх.х = 60 В (для электрода диаметром 2 мм). Как видим, при сварке электродами малого диаметра это время незначительно и составляет десятые доли секунды.
Допустимое время установления tp следует определять с учетом требований технологии сварки. С увеличением диаметра электродной проволоки и повышением токов дуги возрастает объем жидкого металла в сварочной ванне и значительно увеличивается инерционность протекания переходных тепловых процессов. Поэтому чем больше режим сварки, т. е. чем выше ток и напряжение дуги, а также чем больше диаметр электрода, тем более длительные отклонения режима сварки от заданного значения могут быть допущены.
Наши опытные данные и длительный опыт эксплуатации сварочных головок с постоянной скоростью подачи электрода позволяют установить следующие значения переменного тока дуги, ниже которых процессы установления излишне затягиваются:
При питании дуги постоянным током эти значения могут быть снижены.
Соответствующее приведенным токам дуги время установления может быть найдено при помощи кривых (рис. 7). Токи короткого замыкания сварочной цепи определяются приближенно по формуле
В сварочной технике известно, что для каждого диаметра электродной проволоки существует свой предел токов, ниже которого процесс горения дуги неустойчив. Эти пределы можно приближенно определить, обратившись к изучению процессов, протекающих в катодной области дуги.
Катодное падение напряжения в мощной сварочной дуге, горящей под флюсом, зависит от химического состава газов в дуговой полости, тока дуги и диаметра электрода. В работе показано, что катодное падение пропорционально отношению тока дуги к диаметру электродной проволоки. С другой стороны, приняв катодное падение напряжения равным потенциалу ионизации газа положительного столба дуги, получим
Воспользовавшись равенством (8), справедливым для флюсов АН-348, ОСЦ-45, находим минимальные токи для каждого диаметра электрода. По этим значениям тока строим на рис. 8 кривую Iд = f(d). Там же строим по данным табл. 1 кривую Iд - ф(d). Заштрихованное между кривыми Iд = фfid) и Iд = f(d) пространство соответствует тем токам, при которых нельзя получить удовлетворительных результатов в случае сварки головками с постоянной скоростью подачи электрода и следует применять схемы автоматического регулирования сварочной дуги.
Как видим, при сварке под флюсом на переменном токе электродами диаметрами 2 и 3 мм нижние пределы токов, соответствующих устойчивому горению дуги и удовлетворительному времени установления, практически совпадают. Поэтому при сварке электродами диаметрами 3 мм и меньше практически нет ограничений для применения головок с постоянной скоростью подачи электрода, использующих только явление саморегулирования дуги.
Следует, однако, учесть, что головки с постоянной скоростью подачи электрода обладают максимальной статической погрешностью. Они не могут восстановить заданный режим сварки при изменениях вылета электрода, отклонениях его диаметра от заданного значения, изменениях химического состава и грануляции флюса и др.
Из (5) находим установившееся значение напряжения дуги
Выражение (9) показывает, что точность работы головки определяется постоянством скорости подачи электрода (vп, и технологических факторов (vo,m). Постоянства скорости подачи электрода легко добиться, применяя в сварочных головках двигатели с жесткой нагрузочной характеристикой. Поэтому погрешность в основном определяется возможными изменениями технологических данных (vo и m).
Наибольшие изменения V0 и т наблюдаются при сварке электродами малого диаметра. Это является отрицательной стороной применения электродов малого диаметра при сварке головками с постоянной скоростью подачи. Ясно, что при сварке тонкой электродной проволокой нужно возможно точнее сохранять неизменным вылет электрода и другие технологические данные.
Возможные установившиеся режимы сварки под флюсом могут быть охарактеризованы при помощи предложенных нами кривых устойчивой работы головок с постоянной скоростью подачи электрода. Эти кривые, построенные в координатах Uд, Iд, определяют связь между напряжением и током дуги, соответствующими заданным скоростям подачи электрода, величине его вылета и др.
Кривыми устойчивой работы удобно пользоваться для анализа работы сварочных головок при изменениях внешней характеристики источников питания, дуги. Эти же кривые используются для расчета схем автоматического регулирования уровня ванны при сварке вертикальных швов с принудительным формированием и др.
1. Интенсивность саморегулирования дуги резко возрастает с уменьшением диаметра электрода и повышением плотности тока в нем. При неизменной скорости подачи электрода диаметрами 1. 2 мм время установления, обусловленное саморегулированием дуги, может достигать 0,1 с и меньше. Об этом времени можно судить по величине электросварочной постоянной времени Tс.
2. Сварочные головки, использующие только саморегулирование дуги, целесообразно применять во всех тех случаях, когда время установления удовлетворительное. Для электродной проволоки диаметрами 4; 5; 6 мм и больше существуют токи, ниже которых процесс установления недопустимо длителен. При сварке электродами диаметрами 1. 3 мм, даже при минимально допустимых по устойчивости горения дуги токах, получается вполне удовлетворительное время установления. Поэтому для сварки электродами диаметром 3 мм и меньше целесообразно применение только сварочных головок, использующих саморегулирование дуги. При наиболее распространенных режимах сварки электродами 4; 5 и 6 мм также наиболее целесообразно применение головок с постоянной скоростью подачи.
3. Статическая погрешность сварочных головок, использующих только саморегулирование дуги, резко возрастает с понижением диаметра электрода и увеличением плотности тока в нем. Особо больших значений достигает статическая погрешность по режиму сварки при изменениях вылета электрода. Поэтому при сварке электродами диаметрами 1. 3 мм следует предъявлять жесткие требования к точности ведения электрода по разделке шва и сохранению постоянного вылета.
Читайте также: