Способ автоматического регулирования процесса дуговой сварки

(5) 5 БЙлЛ И Т итут нефти и га А. Зарытовский ьство СССР/10, 1980.ТИЧЕСКОГО РЕГУСА ДУГОВОЙ СВАРсится к сварочному к автоматизации веки по стыку с одноеской коррекцией ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(57) Изобретение отно производству, а именно дения сварочной горе временной автомати Изобретение относится к сварочному производству, а именно к автоматизации ведения сварочной горелки по стыку с одновременной автоматической коррекцией режима сварки;Целью изобретения является повышение качества сварных соединений.На фиг.1 приведен график интенсивности й излучения эоны еварки; на фиг,2 - функциональная схема устройства для осуществления способа,Согласно способу. включающему измерение интенсивностей инфракрасного излучения (ИК) точек поверхности свариваемого изделия вблизи сварочной ванны, регулирование скорости сварки и слежение за стыком по результатам усреднения значений интенсивностей ИК-излучения, интенсивность ИК-излучения измеряют по трем. направлениям, ориентированным радиально режима сварки. Цель изобретения - повышение качества сварных соединений. Способ управления параметрами сварки основан на идентификации теплового состояния поверхности изделия, которая осуществляется измерением градиентов интенсивности инфракрасного излучения поверхности в некоторых выбранных направлениях на плоскости изделия. Пересчет измеренного значения интенсивности излучения в температуру и составление теплового портрета визируемой поверхности производится электронным устройством. Одновременно происходят определение пространственного положения горелки относительно стыка и выработка компенсирующего воздействия. 1 э.п,ф-лы, 2 ил. относительно оси горелки, причем одно направление ориентировано в хвост сварочной ванны, а два других - под углом к направлению сварки по разные стороны симметрично относительно стыка, определяют точки скачкообразного изменения распределения интенсивностей ИК-излучения в каждом направлении, по которым определяют ширину сварочной ванны и длину ее хвостовой части. сравнивают зти величины с их заданными значениями и по результатам сравнения регулируют ток и скорость сварки, а по алгебраической сумме результатов поэлементного сравнения интенсивностей ИК-излучения точек поверхности иэделия, расположенных симметрично относительно стыка, осуществляют слежение эа стыком в процессе сварки.Интенсивность ИК-излучения расплавленного и закристаллизовавшегося металла20 с полированной поверхностью при близкихтемпературах имеет примерно одно и то жезначение,При проведении сварочных процессов, как правило, приходится иметь дело с металлами с окисленной поверхностью. Состояние поверхности имеет важное значение при определении ее температуры методами оптической пирометрии. Так, коэффициент излучения нержавеющей стали может изменяться от 0,28 до 0,98 для расплаваа и плоской шероховатой поверхности соответственно. Это означает, что при сканировании зоны сварки поперек сварочной ванны энергетическим пирометром его показания будут изменяться в соответствии с графиком (фиг,1), Характерный перелом в показаниях соответствует границе сварочной ванны, где скачкообразно изменяется коэффициент излучения поверхности свариваемого изделия, Для обнаружения этого перелома необходимо использовать измеритель с высокой разрешающей способностью по градиенту температуры. Проводя измерения в нескольких радиальных направлениях, можно получать информацию о текущих координатах границ сварочной ванны в выбранных направлениях. Так, для измерения ширины ванны достаточно проделать эту операцию в направлении, перпендикулярном стыку и пересекающем его на уровне гэрелки, или в двух направлениях, ориентированных под некоторыми углами к направлению сварки. С целью облегчения последующей обработки информации углы отклонения линий визирования от направления сварки желательно выбирать равными. При выборе конкретного угла отклонения необходимо учитывать ширину ванны, погонную энергию и другие особенности данного процесса. Следует заметить, что газовый факел дуги всегда отклоняется немного назад, т,е, отстает от горелки, поэтому во избежание создаваемой им засветки угол отклонения линий визирования надо выбирать возможно более острым,С другой стороны именно перед головной частью сварочной ванны на поверхности изделия наблюдаются самые высокие градиенты температуры и, следовательно, самце значительные погрешностиее измерения. Для современных средств считывания оптической информации наилучшие результаты получаются при угле отклонения линий визирования, превышающем 10. Увеличение угла более 150 резко снижает информативность способа, в том числе и из-за значительных постоянных времени, связанных с теплопроводностью материала 10 15 25 30 35 40 45 50 55 свариваемого изделия, Информация о распределении интенсивностей ИК-излучения в направлениях, симметричных относительно стыка изделия, может быть использована для слежения за стыком при сварке. При наличии четкой синхронизации между мгновенными значениями интенсивностей в обоих направлениях и их привязки к точкам поверхности изделия можно проводить по- элементное сложение сигналов фотоприемников, визирующих соответствующие точки поверхности, Общая алгебраическая сумма таких частных сумм дает амплитуду и знак сигнала коррекции ухода от стыка;и- (011 021), (1) где д - сигнал рассогласования положениягорелки относительно стыка;01 и 02 - сигналы 1-х точек 1-го и 2-гонаправлений соответственно;и - число точек сравнения.Такой способ обработки информации повышает достоверность измерений положения горелки относительно стыка, так как снижает слияние общих для обоих каналов засветок и локальных изменений коэффициентов излучения визируемых точек поверхности изделия.Введение третьего направления измерения интенсивности ИК-излучения, ориентированного по оси сварочной ванны в ее хвостовую часть, дает возможность измерять длину хвостовой части сварочной ванны, Таким образом, выбранные направления измерений дают информацию о текущих геометрических размерах сварочной ванны, которые в значительной мере определяют качество сварных соединений.Стабилизация размеров сварочной ванны Ь и 1 согласно способу может быть осуществлена за счет вариации током или скоростью сварки или их одновременной вариацией как наиболее значимых параметров сварочного процесса, При отсутствии возмущений требуемую геометрию ванны Ьо и 1 о получают при базовых значениях параметров режима 1 зад и Озад Действительные значения Ь и 1 отличаются от заданных на величины ЛЬ и Ь 1. Компенсация действия возмущений осуществляется изменением параметров режима на величины соответственноЬ 1= КЗЬЬ, + К 4 Л 1;Л 0-6 ЛЬ+ К 4 Л 1, Р) где константы Ю, К 3, К 4 и К 4 вычисляют априори по уравнениям регрессии, построенным в окрестностях базового режима по экспериментальным даннымЬ Ь = К Ь 1+ К Л О;1= К 11 1+К 2 Л 0,где К 1, К 1, К 9 и К 5 - коэффициенты уравнения регрессии.Кз -- К К + К - К КК (К - К 9 К 5)6К 9 - К 9 К 6 Способ реализуется с помощью устройства,В плазматроне 1 (на фиг.2 дан его вид снизу) радиально относительно электрода 2 выполнено три окна, закрытых термостойким прозрачным в спектре теплового излучения поверхности изделия материалом. К окнам 3 подведены входные торцы оптоволоконных жгутов 4 и 5, ориентированных также радиально относительно электрода 2, причем жгуты 4 расположены симметрично относительно вектора скорости сварки Чс под углом 1 р к вектору Чсе (каждый, жгут 5 расположен параллельно вектору скорости сварки). Выходные торцы жгутов подведены к матричному фотоприемнику (МФП) 6. Выходы МФП б, соответствующие каждому из Жгутов 4, соединены через соответствующие усилители 7 с блоком 8 выработки сигнала смещения электрода от стыка, который через буферный блок 9 соединен с исполнительным механизмом 10 системы слежения эа стыком. Кроме того, все выходы МФП б соединены с блоком 11 идентификации геометрии сварочной ванны, Блок 11 соединен с дисплеем 12, а через блоки 13 согласования - с источником 14 питания и приводом 15 сварочной горелки.С целью предохранения моноволокон жгутов 4 и 5 от помутнения в результате нагрева при эксплуатации в качестве материала волокон используется кварц, а жгуты помещены в водяную рубашку плазмотрона. В качестве МФП 6 используются фотодиодные матрицы или приборы с зарядовой связью.Устройство работает следующим образом,В процессе сварки инфракрасное излучение, попадающее на входные торцы оптоволоконных жгутов 4 и 5, подводится через них на элементы МФП 6, выходные электрические сигналы которого, соответствующие интенсивностям ИК-излучения визируемых точек поверхности изделия, усиливаются усилителями 7 и подаются в блок 8 выработК 11, 1 К кР - кФ к Д:к кГ5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ки сигнала смещения электрода 2 от стыка, в котором осуществляются их поэлементное сравнение (сигналов от одноименных элементов жгутов 4) и выработка сигнала смещенияд электрода от стыка согласно уравнению (1), который подается через буферный блок 9 на исполнительный механизм 10 системы слежения за стыком до того момента, когда сигнал смещения станет равным нулю, Кроме того, сигналы с МФП 6 поступают в блок 11 идентификации геометрии сварочной ванны, где определяются координаты скачкообразного изменения сигнала с МФП 6, т.е. определяются размеры сварочной ванны: ширина Ь и длина 1 ь их отклонения от заданных величин Ьо и 1 О - соответственно Л Ь и Л 1, а также по уравнению(2) находятся требуемые изменения уставки по току и скорости сварки. Информация о длине и ширине сварочной ванны поступает на дисплей 12, Уставка по току Ь 1 через блок 13 согласования поступает на отработку в управляемый источник питан я, а уставка по скорости Л Ч - на привод сварочной горелки,Способ был использован для контроля температурного распределения и геометрии сварочной ванны при плазменно-дуговой сварке встык пластин стали ЭП 794 толщиной 11 мм, Применялись следующие режимы: напряжение на дуге 23 В, ток и скорость сварки соответственно 280 А и 6 м/ч, Регулирование велось по току и скорости сварки, Коэффициенты уравнения регрессии составили: Кз = 0,123, Кз = 0,841, К 4 == 1,10, К 4 = 1,505. Базовые значения длины и ширины сварочной ванны составили; 1 = = 56 мм и Ьо = 14 мм при дисперсии соответственно 010.212 и Оь 0,31 относительно базового. Снижение дисперсии при использовании данного способа позволяет либо повысить качество шва, либо повысить производительность, увеличивая скорость сварки.Формула изобретения 1. Способ автоматического регулирования процесса дугово сварки, включающий измерение интенсивностей излучения точек поверхности свариваемого изделия вблизи сварочной ванны, регулирование скорости сварки и слежение за стыком по результатам измерений интенсивности инфракрасного излучения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения качества сварных соединений, интенсивность инфракрасного излучсния измеряют по трем направлениям, ориентированным радиально относительно оси горелки, причем одно направление ориентировано в хвост сварочной ванны, а два1618544 Составитель В.Покровскийедактор О.Юрковецкая Техред М.Моргентал Корректор М.Демчик Заказ 13 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКН 113035, Москва, Ж. Раушская наб., 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина других - под углом к направлению сварки по разные стороны симметрично относительно стыка, определяют точки скачкообразного изменения распределения интенсивностей инфракрасного излучения в каждом направлении, по которым определяют ширину сварочной ванны и длину ее хвостовой часи, сравнивают эти величины с их заданными значениями и по результатам сравнения регулируют ток и скорость сварки, а по алгебраической сумме результатов поэлементного сравнения интенсивностей инфракрасного излучения точек поверхности изделия, расположенных симметрично относительно 5 стыка свариваемого изделия, осуществляютслежение за стыком.2. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что угол между направлениями измерений интенсивностей излучения и направле нием сварки выбирают в пределах 10150 О.