Особенности протекания процессов при точечной и шовной сварке

Объект автоматического управления при контактной сварке — технологический процесс, который характеризуется электричес­кими и тепловыми полями, а также пластическими деформация­ми в зоне сварки.

Управляющие и возмущающие воздействия, определяющие формирование сварного соединения, прилагаются к сварочной машине и непосредственно к зоне сварки. Основные параметры процесса точечной и шовной сварки: сварочный ток I_св, время сварки t_св; для шовной сварки также время импульса t_и и время паузы t_пмежду импульсами сварочного тока, усилие сжатия элек­тродов при сварке F_CB; размеры рабочей поверхности электродов и роликов; для шовной сварки режим характеризуется скоростью перемещения v_свсвариваемых деталей.

Обеспечение необходимого уровня показателей качества свар­ных соединений и прежде всего их прочности требует задания и поддержания установленных значений большинства параметров сварочного режима с точностью не менее ±5 %. Так, снижение I_св на 10 % может привести к уменьшению диаметра ядра и соответ­ственно прочности соединений при сварке сталей на 20...25 % от номинального значения. Такие параметры, как сварочное и ко­вочное усилия сжатия электродов, допускают изменение в преде­лах 10...15 % от номинальных значений без существенного ухуд­шения качества сварных соединений.

а — амплитудное регулирование при переключении ступеней 1, 2сварочного трансформатора; б — амплитудное регулирование при изменении напряжения зарядки батареи конденсаторов при конденсаторной сварке: 1 — U_зар1;2 — U_зар2; U_зар1>U_зар2 в — фазовое регулирование: α₁>α₂; 1 — i₁; 2— i₂; i₁>i₂; α — угол открытия тиристоров; i — мгновенное значение тока

Рисунок. 6.1 – Задание величины сварочного тока I_св

Сварочный ток I_св — один из основных параметров, опреде­ляющих режим сварки и качество сварного шва.

Способ амплитудного задания и регулирования I_св заключается в изменении его действующего значения при переключении сту­пеней сварочного трансформатора (рисунок. 6.1, а)или изменении напряжения зарядки U_зap батареи конденсаторов при конденса­торной сварке (рисунок. 6.1, б).

Наиболее распространен способ фазового регулирования дей­ствующего значения тока при изменении фазы включения вен­тильного (тиристорного) контактора (рисунок. 6.1, в).

Время сварки t_св в сварочных машинах переменного тока задают при включении вентильного (тиристорного или игнитронного) контактора на требуемое время, кратное числу периодов питаю­щей сети (рисунок. 6.2, а).

При однополупериодной сварке продолжительность импульса t_св можно регулировать изменением фазы напряжения, управля­ющего включением вентилей (рисунок. 6.2, б).При конденсаторной сварке длительность импульса тока зависит от емкости конденса­торов С (рисунок. 6.2, в)и коэффициента трансформации сварочного трансформатора к (рисунок. 6.2, г).

а — при сварке на переменном токе: t₂>t₁; б — при однополупериодной свар­ке: 1 — α₁; 2 — α₂; α₁>α₂; t₁>t₂; в— при изменении зарядной емкости: 1 — С₁; 2— С₂; С₁>С₂; t₂<t₁; г — при изменении коэффициента трансформации: 1 — k₁; 2— k₂; k₂> k₁, t₂>t₁

Рисунок. 6.2 – Задание времени сварки

Усилие сжатия электродов при механическом приводе задают грузами или пружинами и системами рычагов, а при пневмати­ческом и пневмогидравлическом приводах регулируют редуктора­ми давления. Если сварочная машина имеет электромагнитный привод сжатия, то усилие сжатия электродов определяется током в обмотке электромагнита. Для автоматизации процесса наиболее удобен электромагнитный привод, применяемый только для ма­шин малой мощности.

Чаще всего применяют ступенчатое регулирование давления в пневматическом или пневмогидравлическом приводе, обеспечи­вая необходимый цикл предварительного сжатия F_псдеталей t₁—t₂(рисунок. 6.3), сжатия усилием F_CBв процессе прохождения свароч­ного тока t₂—t₃ и повышенного усилия сжатия F_KOBво время ковки t₃—t₄- Такой цикл задают включением в моменты времени t₁ — t₄ электропневмоклапанов, обеспечивающих подачу воздуха в опре­деленные камеры привода сжатия.

Размеры рабочей поверхности электродов (их диаметр при то­чечной сварке, радиус заточки и ширина рабочей поверхности роликов при шовной сварке), существенно влияющие на размеры сварного шва, задают перед сваркой.

Рисунок. 6.3 – Циклограмма работы сва­рочной машины: t1-t2— «Сжатие»; t2—t3— «Сварка»; t3—t4— «Ковка»; t4— t1 — «Пауза»; Fnc — сила предварительного сжатия; Fков — ковочное усилие; остальные обо­значения см. на рисунок. 6.1, 6.2
Рисунок. 6.4 – Возмущающие воздействия при сварке: БУ — блок управления; ВК — вторич­ный контур; К — контактор; ПС — при­вод сжатия; СИ — свариваемое изделие; Τ — сварочный трансформатор; Uz — напряжение сети

Задание и стабилизация управляющих воздействий с требуе­мой точностью еще не гарантирует получение сварных соединений с необходимыми прочностными характеристиками, так как в результате влияния различных возмущений процесс сварки про­текает в условиях, отличных от номинальных (рисунок. 6.4).

На сварочную машину, включая тиристорный контактор и ре­гулятор цикла сварки, действуют следующие возмущения: колеба­ния напряжения питающей сети U_c; изменение сопротивления вто­ричной контура машины (активного R_Kи индуктивного Х_к=ωL); изменение усилия сжатия электродов вследствие изменений дав­ления в воздушной сети р_с или сил трения в приводе сжатия; изменение геометрических размеров рабочей поверхности элект­родов (диаметра электрода d_элпри точечной сварке и ширины ролика при шовной сварке), изменение скорости при шовной сварке. К возмущениям, воздействующим непосредственно на свар­ное соединение, относят изменения толщины или других размеров свариваемых деталей δ_д; сопротивления контакта деталь — деталь R_д вследствие наличия различных оксидных пленок; шунтирование сварочного тока ранее сваренными точками (в зависимости от величины шага l_ш между ними) или случайными контактами вслед­ствие неровностей свариваемых листов η и т. п.

Кроме перечисленных возмущений, возможны и другие, кото­рые в связи с незначительной величиной в меньшей степени вли­яют на процесс (например, изменение теплофизических свойств и химического состава металла, изменение режима охлаждения электродов и т.п.).

Возмущения, оказывая различное влияние на отдельные эта­пы процесса сварки, параметры режима и работу сварочной ма­шины, приводят к нарушению условий образования сварного со­единения и ухудшению его качества.

Колебания напряжения питающей сети — возмущение, действу­ющее на сварочную машину. Наиболее опасно уменьшение напряжения питания, приводя­щее к непровару и соответствующей потере прочности сварной точки. При повышении напряжения U_cмогут возникать выплески жидкого металла, прожоги и т.п. Напряжение U_cв течение суток может изменяться плавно или скачкообразно (при подключении мощных потребителей энергии). Кратковременные изменения на­пряжения могут достигать от -25 до +15 % U_{C H0M}. Эти изменения существенно влияют на процесс сварки и могут в значительной степени снизить качество выполняемых сварных соединений. Кроме того, колебания U_cвлияют на стабильность работы блоков управ­ления, что приводит к нарушению заданного цикла сварки.

Изменение сопротивления вторичного контура сварочной маши­ны (активного и индуктивного) в процессе сварки или в течение смены приводит к изменениям сварочного тока и выделяющейся в зоне сварки энергии, что влияет на качество сварки. Изменение активного сопротивления обусловлено нагревом и износом токоведущих частей сварочного контура, ослаблением или окислени­ем контактов, особенно в местах болтовых соединений, а также скользящих контактов в шовных машинах. Индуктивное сопротивление контура увеличивается вследствие введения в этот кон­тур значительных ферромагнитных масс.

При введении ферромагнитных масс в контур машины увели­чивается индуктивное и активное и, следовательно, полное со­противление контура. Это объясняется увеличением активных по­терь на гистерезис и вихревые токи. Особенно значительное уве­личение сопротивления контура и, следовательно, уменьшение тока наблюдается при сварке изделий, которые надевают на хо­бот машины, например при сварке обечаек из ферромагнитных материалов. Изменение активного и индуктивного сопротивлений контактных машин — одно из наиболее опасных возмущающих воздействий, часто встречающихся в производственных условиях.

Изменение усилия сжатия электродов в сварочных машинах, имеющих пневматический и пневмогидравлический привод сжа­тия, зависит от колебаний давления в пневмосистеме и влияет на сопротивление свариваемых деталей и пластическую деформацию металла в зоне сварки. При повышении давления увеличивается площадь соприкосновения электрода с деталью, что влечет за со­бой уменьшение плотности тока и приводит к непровару. Снижение давления сопровождается увеличением сопротивления зоны сварки, и, как следствие, повышаются вероятность появления выплесков и разброс прочностных свойств соединения.

Существенное возмущающее воздействие, влияющее на уси­лие сжатия электродов, — это изменение силы трения в под­вижных частях привода сжатия вследствие износа механизмов. Чаще всего это приводит к уменьшению усилия сжатия на элек­тродах.

Изменение размеров рабочей поверхности электродов происходит вследствие естественного износа электродов. Степень износа за­висит от многих факторов: режима сварки; свариваемого матери­ала; чистоты его поверхности; интенсивности охлаждения; стой­кости материала, из которого изготовлены электроды, и т. п. В ре­зультате износа электродов увеличивается площадь контактной поверхности, уменьшаются плотность тока и размеры литого ядра, что приводит к непровару.

Изменение сопротивления свариваемых деталей вследствие от­клонений в условиях обработки их поверхностей может проис­ходить от образца к образцу и от одной партии изделий к другой. Особенно это заметно на материалах, покрытых оксидными плен­ками. Сопротивление свариваемых деталей может изменяться так­же вследствие изменения толщины листов или диаметра круглых заготовок, например прутков или проволоки. Разброс значений сопротивления деталей приводит к изменению тепловыделения в зоне сварки и, как следствие, к значительному разбросу прочно­стных характеристик сварных швов.

Шунтирование сварочного тока наблюдается прежде всего при последовательной постановке точек. В этих условиях величина тока, протекающего через свариваемую точку, может изменяться вслед­ствие ответвления некоторой части тока через ранее сваренные точки. Кроме того, ответвление тока может происходить через контакты, образуемые, например, неровностями поверхности сва­риваемых листов.

Суммарное значение тока во вторичном контуре изменяется вследствие шунтирования незначительно, однако сварочный ток, протекающий непосредственно через свариваемую точку, может снижаться до недопустимого уровня. С увеличением толщины де­талей и уменьшением отношения шага точек к их диаметру сте­пень шунтирования возрастает.

Анализ основных возмущений при точечной (шовной) сварке показывает, что качество сварки и ее основной показатель — проч­ность сварного шва — могут значительно снизиться при действии возмущений на сварочную машину и зону сварки. При относи­тельно малом значении отдельных возмущений одновременное воз­действие на объект в случае их неблагоприятного сочетания также может привести к недопустимому снижению качества сварки. Этим можно объяснить периодическое появление дефектных соедине­ний даже при строгом соблюдении технологии сварки.