Автоматическая стабилизация сварочных процессов — стабилизация горения дуги с прерыванием и в непрерывном режимах при наличии действующих внешних возмущений. Стабилизация сварочных процессов позволяет автоматически вести сварку с высоким качеством и минимумом дефектов.

При разработке и построении систем автоматической стабилизации при сварке в качестве параметров обратной связи выступают ток во вторичном сварочном контуре, падение напряжения на электродах или физические параметры, такие как тепловое расширение металла, тепловое излучение с поверхности свариваемых заготовок.

Проблемами автоматической стабилизация сварочных процессов занимались такие учёные как В. И. Махненко , В. А. Судник , А. А. Чакалев, Ф. А. Аксельрод, Ю. Е. Иоффе, Н. Н. Рыкалин , Б. Д. Орлов, К. К. Хренов , Thomas. W. Eagar, H.S. Cho, S. A. Gedeon, D. W. Dickinson и др.

Источники нестабильности

Основными источником нестабильности при дуговой сварке в металлах являются:

• изменения длины электрической дуги, вызываемые шероховатостями поверхности свариваемого изделия, капельным переносом металла;
• изменения «вылета» электрода, происходящие от колебаний расстояния между токоподводящим мундштуком и изделием из-за неравномерной подачи сварочной проволоки, колебаний напряжения в сети и др.; увеличение вылета электрода является причиной разбрызгивания свариваемого жидкого металла;
• изменения напряжения холостого хода источника питания, сопротивления сварочной цепи, вызываемые колебаниями напряжения сети, нагревом обмоток трансформатора или нестабильностью контактов;
• изменения момента на валу электродвигателей подачи электрода и перемещения по стыку сварочного автомата; эти возмущения обычно приводят к изменению скорости подачи электродной проволоки и скорости сварки;
• изменения геометрии сборки стыка под сварку, зазора, притупления стыка, изменение угла разделки кромок;
• химическая или структурная неоднородность свариваемого материала;
• изменения толщины свариваемого материала по длине стыка;
• изменения состояния свариваемой поверхности металла (окисные плёнки, пятна масла, вредные покрытия);
• коррозия, изменения химического состава электрода в процессе сварки;
• смещения электрода и стыка относительно друг друга.

Эти возмущения вызывают отклонения от заданного основных параметров режима — тока, напряжения дуги, скорости сварки. Изменение ввода теплоты в зону стыка приводят к появлению в сварочном шве таких дефектов, как непровары, подрезы, наплывы, поры и др.

Системы стабилизации

Благодаря проведённым исследованиям сварочных удалось установить физическую природу аномальности поведения сварочной дуги и выработать методы её снижения. Основным методом стало управление стадиями формирования сварного соединения через каналы обратных связей, контролирующих основные энергетические характеристики процесса с учётом возмущающих факторов. Эффективность автоматизации сварочных процессов часто определяется точностью подготовки заготовок и их сборкой.

Для стабилизации энергетических параметров сварочных процессов используют замкнутые системы автоматического регулирования выполненные на разной элементной базе. В замкнутой схеме автоматического регулирования изменение регулирующего воздействия Хр определяет изменение регулируемой величины Хвых. Это изменение происходит до тех пор, пока значение Хвых (сварочный ток, сварочное напряжение) не достигнет требуемого значения и не восстановится равновесие системы регулирования, при этом ΔХ = 0.

Источником корректирующего воздействия на систему служит отрицательная обратная связь, сигнал Хо с которой определяется только отличием измеренного значения Хвых от задаваемого Хвх, то есть (ΔХ=lХвхl-lХосl), и не зависит от параметров и места приложения возмущений В. Обратные связи делаются на основе схем измерителей силы сварочного тока или напряжения, разных видов излучений сварочной зоны (тепловое, Электромагнитное), положения границы шлак-металл при электрошлаковой сварке , перемещений электродов или свариваемых изделий при контактной сварке или других параметров сварочного процесса.

Для автоматической стабилизации сварочных процессов используются схемотехнические устройства:

• Устройства регулирования и стабилизации тока и напряжения в сварочных трансформаторах и выпрямителях.
• Устройства для снижения напряжения холостого хода сварочных источников питания.
• Системы управления параметрами сварочного процесса.

К разновидностям систем автоматической стабилизации сварочных процессов относятся:

• Системы автоматического регулирования дуги саморегулированием (АРДС). В процессе сварки подача электрода (его положение, скорость) сравнивается с помощью контура обратной связи со скоростью его плавления. При достижении равенства указанных скоростей в сварочном контуре устанавливается необходимая сила тока I, которая с требуемой точностью поддерживается системой саморегулирования на требуемом уровне. Ошибка системы АРДС по току при дуговой сварке под флюсом при изменении напряжения на дуге от 30 до 50 В в системах АРДС обычно не превышает 10 %. Автоматы на основе системы АРДС просты, надежны и недороги, что обусловило их широкое распространение.
• Системы автоматического регулирования напряжения дуги с воздействием на скорость подачи электродной проволоки (АРНД). В устройство АРДН дополнительно входит специальное устройство — регулятор. Регулятор стабилизирует напряжение дуги путём автоматического изменения скорости подачи электрода. С возникновением возмущения по напряжению дуги увеличивается через изменение магнитного потока повышается скорость подачи электродной проволоки. Торец электрода будет приближаться к изделию, уменьшая ток и снижая напряжение дуги.
• Система автоматического регулирования вылета электрода (АРВ). В АРВ дополнительно вводится регулятор, позволяющий уменьшить статические ошибки по току и напряжению дуги при значительных возмущениях в питающей системе и по длине вылета.
• Система автоматического регулирования тока и напряжения дуги с воздействием на питающую систему (АРП). АРП делятся на астатические (с механическим приводом) и статические — с воздействием на питающую систему через электрические параметры системы. Системы АРП с механическим приводом в регуляторе воздействуют на напряжение холостого хода сварочного трансформатора через исполнительный элемент — автотрансформатор АТ. В обеих схемах реализована обратная связь по напряжению дуги.
• Системы с программным управлением обеспечивают определённую последовательность операций включения и выключения отдельных узлов автомата. Их широко применяют в крупносерийном и массовом производствах.
• Самонастраивающиеся и экстремальные системы с самоизменяющейся уставкой. Работой этих систем управляет компьютерная программа работы системы автоматического регулирования с самоизменяющейся уставкой. Она содержит совокупность всех основных параметров режима стыковой сварки, оптимальные значения сварки выбираются автоматически в зависимости от конкретных условий: толщины деталей, состояния их поверхности, сопротивления сварочного контура и т. д.

Литература

• Патон Б. Е. «Машиностроение Энциклопедия т. IV-6. Оборудование для сварки».
• Николаев Г. А. Сварка в машиностроении: Справочник в 4-х т. М.: Машиностроение, 1978.
• Гладков Э. А. Управление процессами и оборудованием при сварке: / Э. А. Гладков. — М. : Академия, 2006. — 430 с.
• Ленивкин В. А. Автоматизация сварочных процессов. / В. А. Ленивкин, Е. Н. Варуха, А. В. Павленко. — Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2003. — 128с.
• Гладков Э. А. Контроль и управление глубиной проплавления при дуговой сварке. / Э. А. Гладков, О. Н. Киселёв, Р. А. Перковский. — М. : МГТУ им. Баумана, 2003. — 52с.
• Лебедев В. Н. Автоматизация сварочных процессов./ В. Н. Лебедев, В. П. Черныш. — Киев : Вища школа, 1986.-286с.
• Львов Н. С., Гладков Э. А. Автоматика и автоматизация сварочных процессов. Москва: Машиностроение, 1982. — 302 с.

Ссылки