Назад: 5.1.2. Требования к параметрам импульсов

5.1.3. Система управления при сварке

Из известных способов управления переносом металла при сварке плавящимся электродом наиболее широкое распространение получили системы с программным изменением энергетических параметров режима сварки (напряжения и тока дуги).

Сварка длинной дугой. Программное изменение основных параметров режима сварки преследует две технологические цели: управление переносом металла с электрода в сварочную ванну в различных пространственных положениях; управление кристаллизацией металла шва и термическим циклом. Управляемый перенос металла при сварке длинной дугой можно осуществить лишь при пространственно устойчивых дугах, когда размер капель переносимого электродного металла резко уменьшается с ростом тока в узком диапазоне его изменения, т.е. при наличии в процессе сварки критического тока. При значении тока ниже критического перенос металла крупнокапельный, выше критического – струйный. К таким условиям следует отнести сварку всех известных металлов и сплавов в аргоне, смесях защитных газов на основе аргона (не менее 80%) и в комбинированной защитной среде на токе обратной полярности, а также сварку активированным электродом током прямой полярности. Величина критического тока при сварке в аргоне зависит от свойств материала электрода, его диаметра и вылета.

При сварке активированным электродом (обычно в активных защитных газах) критический ток помимо указанных факторов зависит от состава и количества активатора, места его нахождения – в составе металла электродной проволоки или на ее поверхности. Аргонодуговая сварка на токах ниже критического не ведется, так как формирование сварного шва неудовлетворительное. Применение систем управления с принудительным переносом металла позволяет вести процесс с мелкокапельным переносом на токе в 2,5…3,0 раза ниже критического и позволяет осуществлять сварку тонкостенных конструкций в положениях, отличных от нижнего.

Основными параметрами импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом помимо известных параметров процесса дуговой сварки являются: амплитуда импульса I_и, длительность импульса t_и и паузы t_п, частота импульсов f, базовый ток I_б, скорость нарастания и спада тока импульса, рис.5.3.

Рис. 5.3. Осциллограмма тока дуги при импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом

Для осуществления процесса сварки с управляемым переносом металла разработаны специальные электронные системы. Одна из таких систем управления переносом металла показана на рис.5.4.

Система состоит из транзисторного инвертора 1, вторичного выпрямителя 2, сглаживающего реактора 3, датчика тока 4, блока управления 5, задатчика тока 13, пульсатора 14, сумматора 11, функционального генератора 12, датчика нагрузки 17, токового реле 18, осциллятора 19 (6 – сигнал блока управления на инвертор; 7 – сигнал датчика тока на блок управления; 10 – сигнал блока управления на функциональный генератор 12; 15, 16 – сигналы управления импульса тока и тока дежурной дуги).

Устройство работает следующим образом. Формирователь напряжения задания 13 из опорного напряжения на выходе 9 блока электронного управления 5 вырабатывает напряжения, которые устанавливаются потенциометрами R₂ (величина базового тока, а при сварке неплавящимся электродом – ток дежурной дуги) и R₁ (величина тока импульса) и подается на пульсатор 14.

Рис.5.4. Функциональная блок-схема системы питания дуги

Пульсатор предназначен для формирования сигнала на входе задания электронного блока управления при работе системы питания в импульсном режиме. Пульсатор представляет собой переключающий электронный коммутатор, состояние которого определяется управляемым генератором временных интервалов. Входы электронного коммутатора подключены к задатчикам тока импульса R₁ и тока базового или дежурной дуги R₂. Длительность импульса и паузы задается независимо друг от друга потенциометрами R3 и R₄, при этом период равен сумме длительностей импульса и паузы. При включении тумблера S₂ «импульсный режим» пульсатор обеспечивает поочередную коммутацию входа задания электронного блока управления с задатчиком тока импульса R₁ на время длительности импульса (R₃) и тока дежурной дуги (R₂) на время ее горения R₄. В непрерывном режиме электронный коммутатор фиксируется в положении, при котором вход задания блока управления постоянно соединен с задатчиком тока импульса R₁. В этом режиме положение потенциометра R₂, R₃, R₄ не влияет на работу источника питания. На выходе задания 8 блока управления 5 присутствует сумма напряжений с выхода пульсатора 14 и периодического сигнала необходимой формы и амплитуды с выхода функционального генератора 12. Параметры функционального генератора 12 подобраны так, что обеспечивается внешняя характеристика на источнике питания с падающим участком при напряжении выше рабочего и на «штыковом» участке в области рабочих напряжений и ниже (рис.5.5).

Рис. 5.5. Внешние вольтамперные характеристики источника питания с траекториями рабочей точки

Токовое реле 18 предназначено для дистанционного включения внешнего осциллятора, осуществляющего бесконтактное возбуждение дуги, и его автоматического выключения после начального зажигания дуги и установления процесса сварки или повторного возбуждения дуги при случайных погасаниях дуги. При сварке неплавящимся электродом для управления токовым реле подключается кнопка «Пуск» без фиксации 18, расположенная на пульте управления. Питание электронного токового реле осуществляется от служебной сети 27 В, 30 кГц, вырабатываемой электронным блоком управления.

При нажатии кнопки «Пуск» подается сигнал на запуск инвертора и одновременно происходит замыкание и самоблокировка токового реле. Одновременно включается питание осциллятора. Состояние токового реле не изменяется до момента зажигания дуги и установления процесса сварки. При зажигании дуги резко возрастает амплитуда импульса напряжения на входе «датчика нагрузки», срабатывает пороговое устройство и реле отключает питание от сети. При случайном обрыве дуги (ток нагрузки равен нулю) напряжение на входе “датчика нагрузки” равно нулю, отключается пороговое устройство, и токовое реле подключает осциллятор к сети питания. В момент окончания паузы дуга имеет электрические параметры (I_дд и U_д), соответствующие точки 1 на ВАХ I. Пульсатор переключает рабочую точку (1) в момент действия тока импульса I_п в положение 2 на ВАХ II, и в течение длительности действия импульса ток остается неизменным, а напряжение дуги несколько увеличивается до точки 3. Это связано с интенсивностью расплавления электродной проволоки, так как скорость плавления электрода превышает скорость его подачи.

Величина тока импульса выбиралась из условия отрыва и переноса одной капли или обеспечения струйного переноса металла. В момент окончания импульса тока пульсатор переключает рабочую точку дуги из положения 3 в положение 4 на ВАХ I. В связи с низким значением базового тока дуги происходит сокращение дугового промежутка при неизменном токе, и рабочая точка переходит из положения 4 в положение 1.

Сварка короткой дугой. При сварке тонкими электродными проволоками (диаметром 0,5…1,4 мм) наилучшими технологическими свойствами обладает процесс сварки в СО₂ с частыми короткими замыканиями дугового промежутка жидким металлом (сварка короткой дугой).

При сварке короткой дугой имеет место мелкокапельный перенос электродного металла с частотой, равной частоте коротких замыканий. Процесс обладает рядом технологических преимуществ: возможность осуществления процесса при низких значениях тока и, как следствие, сварка во всех пространственных положениях; высокая стабильность процесса и малые потери металла на разбрызгивание при оптимальных электрических параметрах сварочной цепи.

Частота замыканий может достигать 150 с^–1 и зависит от многих факторов: напряжения между электродами, скорости подачи и диаметра электродной проволоки, индуктивности сварочной цепи, свойств защитного газа и т.д.

Сварка короткой дугой производится с постоянной скоростью подачи электрода и является естественным импульсным процессом с повторяющимися циклами, в пределах которых протекают характерные для него явления (рис.5.6). Характерным для сварки с короткими замыканиями является неравномерность расплавления электродной проволоки во время цикла. Однако интегральная скорость плавления электрода равна скорости его подачи.

Рис. 5.6. Типичная осциллограмма тока и напряжения процесса сварки короткой дугой: а – основные параметры процесса; б: 1 – короткое замыкание с переносом металла, 2 – подброс капли вверх; t_кз – время короткого замыкания; t_г- – время горения дуги, t_ц – время цикла; t – постоянная времени сварочной цепи

После разрыва жидкой перемычки между сварочной ванной и электродом последний быстро оплавляется (в связи с большим током короткого замыкания), и дуговой промежуток увеличивается. Объем капли расплавленного металла на торце электрода увеличивается, а скорость его плавления уменьшается. Снижение скорости плавления электрода в этом случае вызвано уменьшением тока после зажигания дуги, связанного с перераспределением энергии, запасенной в индуктивности сварочной цепи во время короткого замыкания (рис.5.6,а).

При коротком замыкании установившийся ток короткого замыкания

I_o = U_xx/R_ц,

где U_xx – напряжение холостого хода источника питания; R_ц – полное сопротивление сварочной цепи.

При горении дуги:

I_у = (U_хх – Е_д)/(R_ц + k_дт),

где I_у – установившийся ток дуги; Е_д – противоЭДС дуги, Е_д = U_ка + k_дℓ_д; U_ка – сумма приэлектродных падений напряжений; k_д – градиент потенциала в столбе дуги; ℓ_д – длина дуги; k_дт – крутизна статической характеристики дуги.

Разрыв перемычки между электродом и сварочной ванной происходит при определенном токе – пиковом токе короткого замыкания I_п. Надежный разрыв перемычки происходит при определенном «запасе» по току I_п £ 0,7 I_о.

Слияние капли с металлом сварочной ванны определяется формой контактируемых поверхностей и плотности тока в контакте. Характер образования и перенос капель зависит от величины тока короткого замыкания I_п и скорости его нарастания di_кз/dt.

При малых величинах di_кз/dt затягивается переход капель с электрода в ванну, в результате чего нерасплавленный торец электродной проволоки утыкается в дно сварочной ванны. Нерасплавленный участок на вылете электрода разогревается относительно медленно, а затем перегорает с выбросом части электродной проволоки. Это способствует повышению разбрызгивания металла и одновременно увеличивает t_кз, что приводит к снижению частоты переноса металла и равномерности формирования шва. Так как каждая капля способствует образованию кристаллизационного слоя, то частота переноса металла оказывает влияние и на размеры кристаллизационных слоев.

Значительное увеличение I_п и di_кз/dt в начале короткого замыкания капли с ванной приводит к значительному росту электродинамических сил, аксиальная составляющая которой подбрасывает каплю на электрод (см. рис.5.6,б). Это приводит к увеличению капли на электроде и более длительному нахождению ее в контакте с нагретым до высоких температур газом и значительному окислению, неравномерности перехода капель в сварочную ванну. При скорости нарастания тока короткого замыкания di_кз/dt > 200…300 кА/с для электродных проволок диаметром 0,5…1,2 мм наблюдается повышенное разбрызгивание электродного металла. При di_кз/d_t < 4 кА/с процесс сварки протекает с отдельными редкими замыканиями. Поэтому оптимальные технологические свойства сварки проявляются в определенном диапазоне изменения энергетических параметров процесса.

Скорость нарастания di_кз/dt определяется I_п и электрическими параметрами сварочной цепи (активным и реактивным сопротивлениями), от которых зависит постоянная времени питающей системы и переходные процессы в ней.

Сварка в защитных газах с короткими замыканиями производится полуавтоматами и автоматами с независимой (постоянной) скоростью подачи электрода. Устойчивость работы системы «дуга-источник питания» определяется точкой (а) пересечения статических характеристик регулятора питающей системы и дуги, рис.5.7. В процессе сварки с короткими замыканиями длина дугового промежутка в процессе горения дуги изменяется, в результате чего происходит отклонение тока DI и напряжения DU дуги. Величина этих отклонений зависит от наклона вольтамперной характеристики (ВАХ) питающей системы в области рабочей точки (а). При питании от систем с жесткой ВАХ при изменении длины дуги возмущения по току DI ® max, а DU ® 0, при штыковой (крутопадающей) характеристике DI ® 0, а DU ® max. При падающей ВАХ происходит одновременное отклонение по току и напряжению, и чем больше крутизна наклона ВАХ, тем меньше DI и больше DU.

Рис. 5.7. Отклонение тока и напряжения дуги при возмущении по её длине при различном наклоне ВАХ питающей системы: 1, 2, 3 – внешние характеристики питающей системы; ℓ_д1, ℓ_д2 – ВАХ до и после сокращения длины дуги

На стабильность проплавления основное влияние оказывает сварочный ток в процессе горения дуги, поэтому для обеспечения равномерности проплавления свариваемых элементов целесообразно в рабочей точке иметь штыковую характеристику, потому что отклонение тока DI стремится к нулю. Кроме того, штыковая характеристика ограничивает ток короткого замыкания и не препятствует надежному разрыву перемычки. Жесткая характеристика не ограничивает I_кз, что приводит к чрезмерно большим величинам di_кз/dt и потерям электродного металла.

Рис. 5.8. Функциональная блок схема источника питания с автоматическим установлением тока короткого замыкания

В связи с разработкой новых силовых элементов эта задача решается путем разработки малоинерционных систем питания с автоматическим установлением необходимой величины тока короткого замыкания с оптимальной скоростью его нарастания и спада. Такая система питания, рис.5.8, состоит из первичного выпрямителя 20, транзисторного инвертора 1, вторичного выпрямителя 2, сглаживающего реактора 3, датчика тока 4, блока управления инвертором 5, сумматора 11, функционального генератора 12, формирователя напряжения задания 13 с выходами заданного значения 15 и 16, соответствующего заданному режиму сварки и повышенного задания 14, первый и второй выходы которого подключены к выходам 15 и 16; компаратора 17, датчика напряжения дуги 18, интегратора 19.

Система питания работает следующим образом. Формирователь задания напряжения 13 из опорного напряжения на выходе 9 блока управления 5 вырабатывает постоянное напряжение, соответствующее заданному значению режима сварки (выходы 15,16). Компаратор 17 имеет порог срабатывания, при котором переключение происходит только в момент коротких замыканий. Интегратор 19 имеет единичный коэффициент передачи по постоянному току и обеспечивает заданную скорость изменения напряжения на выходе при скачкообразном переключении напряжения на входе. На входе задания 8 блока управления 5 присутствует сумма напряжений с выхода интегратора 19 и периодического сигнала необходимой формы и амплитуды с выхода функционального генератора 12. Сигналы 6, 7, 10 формируются аналогично устройству, показанному на рис.5.4.

Параметры выходного сигнала функционального генератора 12 подобраны так, что они обеспечивают внешнюю характеристику источника питания с падающим участком при напряжении выше рабочего и «штыковым» участком – при напряжении ниже рабочего (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Внешние вольтамперные характеристики источника тока с траекториями рабочей точки

Осциллограмма тока и напряжения от управляемого источника показана на рис. 5.10.

Рис. 5.10. Изменение тока и напряжения при сварке короткой дугой от быстродействующего управляемого источника

В исходном состоянии во время горения дуги напряжение на выходе датчика 18 выше порога срабатывания компаратора 17 (рис.5.8). В этом состоянии вход интегратора 19 через коммутатор 14 подключен к выходу заданного значения 15. На выходе интегратора 19 и втором входе сумматора 11 присутствует это же напряжение, заданное точкой (заданный режим сварки), оно же находится в положении (а) на ВАХ 1 (рис.5.9), а величина тока соответствует участку I_д (рис.5.10).

При образовании капли заданного размера происходит касание ее с металлом сварочной ванны при токе, соответствующем току горения дуги. Капля, касаясь с расплавленным металлом сварочной ванны, смачивается, в результате и образуется надежный контакт с металлом ванны, а напряжение дугового промежутка резко падает до величины напряжения в точке (б) (рис. 5.9).

После заданной задержки t_з (рис.5.10) напряжение на входе компаратора 17 становится ниже порога срабатывания и, в результате переключения компаратора 17 и коммутатора 14, напряжение на выходе интегратора 19 скачком изменяется от заданного значения (выход 15) до повышенного (выход 16). Напряжение на выходе интегратора 19 начинает возрастать с заданной скоростью в течение t_нт, оптимальной для формирования перемычки между каплей и сварочной ванной. При этом рабочая точка перемещается из точки (б) в точку (с) (рис. 5.9). Когда напряжение на выходе интегратора 19 достигает напряжения задания, повышенного на выходе 16, его рост прекращается, рабочая точка останавливается в положение (с) на ВАХ 2 (рис.5.9). В оставшееся время до разрыва перемычки величина тока короткого замыкания остается постоянной, ограниченной, что способствует плавному перетеканию жидкого металла с электрода в сварочную ванну. При разрыве жидкой перемычки мгновенное значение параметров режима с большой скоростью перемещается с точки (с) в точку (d). Благодаря возросшему напряжению на дуге компаратор и коммутатор переключаются в исходное состояние. Напряжение на входе интегратора скачком снижается с повышенного до заданного. Соответствующий спад тока (участок с®d) показан на рис. 5.9.

Далее: 5.2. Источники питания ИДС неплавящимся электродом