Файл: Севбо П.И. Комплексная механизация и автоматизация сварочного производства.pdf

В промышленности получили распространение сварочные голов­ ки двух типов, отличающиеся между собой способом регулирования и стабилизации дуги: головки, в которых автоматическое регули­ рование напряжения или тока дуги осуществляется путем воздей­ ствия на скорость подачи электрода (рис. 26, о); головки с постоян­ ной, независимой скоростью подачи (рис. 26, б).

Головки первого типа часто называют головками с зависимой скоростью подачи. Они подают электродную проволоку со скоростью,

0 1 2 3 4 5 6 7

Дианimp электрода; т

Рис. 26. Простейшие электросхемы сварочных головок и области их при­ менения.

зависящей от напряжения дуги. С увеличением длины дуги повыша­ ется ее напряжение, в связи с чем электродвигатель, подающий про­ волоку, увеличивает число оборотов и восстанавливает заданную длину дуги, а следовательно, и ее напряжение. При случайном укорочении дуги напряжение падает, вращение двигателя и подача проволоки замедляются, благодаря чему снова восстанавливается нормальная длина дуги и ее напряжение. Таким образом, головка первого типа представляет собой автоматический регулятор напря­ жения дуги.

В головках второго типа (рис. 26, б) электродная проволока подается с постоянной скоростью, не зависящей от напряжения дуги. Тем не менее при определенных условиях происходит естественный процесс саморегулирования дуги: при случайном уменьшении дли­ ны дуги скорость плавления проволоки возрастает и становится больше скорости подачи, вследствие чего дуговой промежуток уве­ личивается до тех пор, пока не достигнет заданного значения; при увеличении длины дуги выше заданной скорость плавления пони­ жается и соответственно уменьшается дуговой промежуток, пока не будет восстановлена его номинальная величина. Такой процесс саморегулирования объясняется тем, что скорость плавления про­

124

порциональна сварочному току, величина которого зависит от напряжения дуги, а следовательно, и от ее длины (ток увеличивается

спадением напряжения и наоборот).

Врезультате эксплуатации сварочных головок с постоянной ско­ ростью подачи электродной проволоки, использующих эффект са­ морегулирования дуги [4], установлены пределы значений тока, вернее плотностей тока, ниже которых процессы восстановления заданного режима сварки недопустимо затягиваются (рис. 26, в, кривая А), а также предельные значения токов и плотностей тока, ниже которых устойчивость горения дуги становится недостаточной для получения качественных сварных соединений (кривая Б). При­ веденные кривые соответствуют сварке переменным током под флю­ сами АН-348 и ОСЦ-45.

Вопределенных условиях процесс саморегулирования дуги про­ исходит и при газоэлектрической сварке (в среде защитных газов).

При значениях тока, лежащих выше кривой А, получены хоро­ шие результаты при сварке с постоянной скоростью подачи электрод­ ной проволоки. При значениях тока, находящихся ниже кривой Б, устойчивый процесс сварки под флюсом переменным током вообще невозможен. При питании дуги постоянным током кривая Б на рис. 26, в несколько опускается, т. е. сварка возможна при более низких значениях тока.

Заштрихованная площадь между кривыми А и Б характеризует область тех значений тока, при которых нельзя получить устойчи­ вые результаты при сварке аппаратами с саморегулированием дуги. Таким образом, при сварке под флюсом на переменном токе электро­ дами диаметром до 3 мм аппараты с постоянной скоростью подачи могут работать почти при всех применяемых на практике значениях тока. Следовательно, для сварки электродной проволокой диамет­ ром 1—3 мм целесообразно применять сварочные аппараты с по­ стоянной скоростью подачи, использующие принцип саморегули­ рования. При сварке электродами 4—6 мм также можно применять аппараты с постоянной скоростью подачи, но с некоторыми ограни­ чениями режимов сварки. При сварке электродами диаметрами бо­ лее 3 мм в заштрихованной области режимов и ниже необходимо применять аппараты с автоматически регулируемой скоростью по­ дачи электрода (рис. 26, б).

Большинство сварочных головок, выпускаемых в СССР, рабо­ тают по принципу саморегулирования — с постоянной скоростью подачи электрода. Настройка на заданную скорость подачи произ­ водится плавно или ступенчато путем изменения числа оборотов подающих роликов сварочной головки.

В первом случае это осуществляется регулированием числа обо­ ротов двигателя механизма подачи или с помощью механического

125

вариатора, во втором — сменными шестернями редуктора или ко­ робкой скоростей. Наиболее простыми являются те головки, в ко­ торых скорость подачи настраивается сменными шестернями. Од­ нако применение этой системы исключает возможность плавного ре­ гулирования скорости подачи и усложняет переключение аппарата с одного режима сварки на другой.

Система бесступенчатого, плавного регулирования позволяет легко и быстро изменять режим сварки на ходу. Поэтому эта система целесообразна при индивидуальном и мелкосерийном характере про­ изводства. Для крупносерийного и массового производства изде­ лий с однотипными швами, когда не требуется частое изменение ре­ жима сварки, более целесообразны сварочные головки со сменными шестернями, так как они предельно просты и надежны в эксплуа­ тации.

Итак, автоматическая стабилизация сварочной дуги (в основном напряжения, реже — тока или мощности) предусмотрена в каждом серийном автомате для сварки плавящимся электродом. Она осу­ ществляется за счет естественного саморегулирования дуги при до­ статочно высоких плотностях тока на электроде либо с помощью спе­ циального регулятора путем автоматического изменения скорости подачи электрода в зависимости от напряжения дуги. В обоих случа­ ях система автоматического регулирования дуги (напряжения, то­ ка) обеспечивается самим сварочным автоматом. Поэтому она не является объектом специального проектирования при разработке комплексной автоматизации сварочного производства и, следова­ тельно, ее можно не рассматривать, тем более, что эти системы и ре­ гуляторы достаточно подробно разработаны и описаны во всех учеб­ ных пособиях и специальной литературе по сварочному обрудованию [29]. В дальнейшем будем рассматривать лишь те элементы автоматизации, которые не содержатся в обычных сварочных автома­ тах серийного производства.

Стабилизация вылета электрода. Автоматические регуляторы дуги (напряжения, тока), как правило, не учитывают влияния из­ менений вылета электрода на сварочный процесс. Однако известно, что при сварке в С02 на повышенных плотностях тока (свыше 150 а/мм2) вылет электрода является одним из важнейших параметров режима, в значительной мере предопределяющим стабильность процесса, величину сварочного тока, характер переноса электрод­ ного металла и т. д. В реальных условиях автоматической сварки из­ менения вылета электрода всегда возможны вследствие неточности подготовки и сборки изделий, нестабильности траектории движения сварочной дуги в вертикальном направлении, износа токоподводя­ щих наконечников и т. д. Они бывают также при многослойной сварке и сварке криволинейных швов.

126

Простейшим средством стабилизации вылета электрода является механическая система «плавающей» головки, при которой сварочная головка или сварочный трактор опирается своими роликами или щупом непосредственно на свариваемое изделие вблизи зоны свар­

ки и таким образом копирует все вертикальные неровности шва, вызывающие в обычных условиях (при отсутствии копирования) изменение вылета электрода. Система «плавающей» головки или «пла­ вающего» электродного мундштука весьма проста и надежна, но применение ее не всегда возможно, часто она слишком неточна

127

и несовершенна; она, например, не реагирует на влияние износа токоподводящего наконечника, изменяющего вылет электрода; не учитывает разности уровней сварки многослойного шва; копирует изделие и шов не в самой зоне сварки, а на некотором удалении от нее, что вносит свои погрешности, и т. д.

Несколько более совершенна электромеханическая система ко­ пирования (рис. 28). Она лишена недостатка, связанного с дистан­

ционным расположением копирного ролика или щупа относительно электрода. Дистанционное расположение датчика (ролика, щупа и др.) обусловлено необходимостью удалить его из зоны действия сва­ рочного нагрева.

При обычном способе копирования (рис. 27) датчик или меха­ нический копир 1 (ролик, щуп), расположенный впереди дуги, не­ медленно передает сигнал на исполнительный орган, который пе­ ремещает головку раньше, чем электрод приблизится к месту, где среагировал датчик. При достаточно большом расстоянии между датчиком и электродом и при значительной кривизне изделия это вносит существенную погрешность в копирование.

Особенностью системы (рис. 28), исключающей эту погрешность,

128

является наличие в ней запоминающего устройства, которое вос­ принимает сигналы датчика и передает команду исполнительному механизму, например электроприводу подъема сварочной головки, не одновременно, а через определенный промежуток времени, за который сварочный аппарат пройдет путь, равный расстоянию между датчиком и электродом. Благодаря этому отсутствует погрешность,, вносимая дистанционным расположением датчика.

Система работает следующим образом (рис. 28). Датчик 2 пере­ дает сигнал через преобразователь-усилитель 5 и магнитную за-, писывающую головку 9 на запоминающее устройство, в качестве ко­ торого применена бесконечная магнитная лента 8. При движении маг^ нитной ленты через определенный промежуток времени запись попадает под магнитную считывающую головку 7, которая воспри­

статом 3.

В качестве запоминающего устройства можно использовать бу-, мажную ленту. В этом случае сигнал с датчика передается через пре­ образователь-усилитель 5 автоматическому самопишущему уст­ ройству, которое наносит на бумажную ленту линию, соответст­ вующую изменениям линии шва. Через определенный интервал времени фотоследящая система регистрирует этот сигнал и передает его исполнительному механизму 4 для перемещения сварочной го­ ловки 11.

Во всех случаях движение запоминающего устройства (магнит­ ной или бумажной ленты) должно быть строго синхронизировано с движением сварочного автомата или свариваемого изделия. Для это­ го ленточный барабан может быть жестко соединен с ободом ко­ леса 10 автомата.

Если лента 8 движется относительно магнитных головок 9 и 7 со скоростью сварки, то расстояние между головками 9 и 7 (записы-. вающей и считывающей) должно быть равно расстоянию между датчиком и электродом с поправкой на время срабатывания пускорегулирующей аппаратуры.

Отрицательная особенность систем копирования с запоминанием заключается в их структурной и конструктивной сложности. В этом' отношении система «плавающей» головки и «плавающего» мундшту-^ ка гораздо проще и надежнее.

Общим недостатком описанных систем стабилизации вылета электрода (методом механического копирования «плавающей» голов­

только от вылета электрода. Этим же недостатком обладают стаби­ лизаторы и регуляторы дуги, работающие по жесткой программе без обратных связей.

В связи с этим в последние годы разработаны системы стабили­ зации режима сварки, использующие метод автоматического изме­ нения вылета электрода в зависимости от напряжения дуги. Причем исполнительным органом в этих системах служит специальный элект­ ропривод подъема и опускания мундштука или всей сварочной го­ ловки. По данным исследований Ю. Н. Кутепова [18, 19] такие системы при сварке в углекислом газе позволяют получить повышен­ ную точность стабилизации сварочного тока и напряжения, дости­ гающую ± 5%.

Эти системы, однако, еще не получили широкого распростране­ ния по следующим причинам: во-первых, вследствие их сложности и громоздкости из-за наличия специального исполнительного механиз­ ма с электроили пневмоприводом, расположенным непосредствен­ но на сварочной головке; во-вторых, из-за отсутствия в стра­ не серийного производства сварочной аппаратуры такого типа с ав­ томатическими регуляторами вылета электрода.

При автоматической сварке плавящимся электродом для стаби­ лизации его вылета можно применять описанные простые и доста­ точно надежные электромеханические роликовые копиры (рис. 27), которые осуществляют направление электрода по шву в двух на­ правлениях: в горизонтальном и вертикальном. Ролики 1, входя в разделку для шва, водят электродный мундштук по шву в горизон­ тальной плоскости. Эти же ролики, воздействуя на контакты 2 (при подъеме или опускании), управляют механизмом вертикального подъема сварочной головки и таким образом копируют шов в вер­ тикальной плоскости, т. е. стабилизируют вылет электрода.

Точность такой стабилизации недостаточна для аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом. Она, однако, вполне приемлема при автоматической сварке или наплавке плавящимся (проволоч­ ным) электродом, особенно если сварка или наплавка производится автоматом тяжелого типа, который трудно или невозможно осуще­ ствить в виде плавающей сварочной головки.

Системе электромеханических копиров (рис. 27) свойственны те же недостатки, что и системе «плавающей» головки или «плавающе­ го» мундштука.

Однако при сварке на средних и мощных режимах, в особенности швов большого сечения, а также при наплавочных работах, особен­ но при толстослойной наплавке, например наплавке лопастей гид­ ротурбин, эти недостатки несущественны, и точность стабилизации вылета не выходит за пределы допустимой.

При аргонодуговой сварке неплавящимся электродом требова­

130