Способ управления положением электросварочной горелки относительно стыка и устройство для его осуществления (его варианты)

(19) (11) 3(51) В 23 К 9 10 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ К АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(72) В.М.Мазуров, В.С.Карпов, А .А .Ма лютин, В.Н,Шестаков, В.Е.Войницкий, П .И.Чинарев и В.М.Панарин (71) Тульский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт и Всесоюзнкй проектно-.технологический институт тяжелого и транспорт ного машиностроения(56) 1. Патент ФРГ 2533448 кл. В 23 К 9/10, 1977.2. Авторское свидетельство СССР Р 797564, кл. В 23 К 9/10, 1978 (про, тотип).( 54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛО)1 сЕНИЕМЭЛЕКТРОСВАРОЧНОЙ ГОРЕЛКИ ОТНОСИТЕЛЬНО СТЫКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ЕГО ВАРИАНТЫ) . (57) 1. Способ управления положением электросварочной, горелки относительно стыка, при котором дуге сообщают колебательные перемещения поперек стыка, измеряют сварочный ток, формируют сигнал рассогласования и используют его для коррекции положения оси горелки относительно середины стыка, .о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью псвьаения качества сварки, для формирования сигнала рассогласования вьделяют гармоническую составляющую сварочного тока с частотой вынужденных колебаний дуги, по Фазе этой гар.Р ионической составляющей определяют 9 знак, а по амплитуде - величину отклонения оси горелки от середины сты ка.1 ОВ 728 з 2. Устройство управления положением электросварочной горелки относительно стыка, содержащее датчик величины сварочного тока, датчик направления отклонения дуги, фильтр нижних. частот, включенный последонательно с усилителем и приводом поперечного перемещения сварочной горелки, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения качества сварки, в него дополнительно внедены синхронный детектор и полосовой Фильтр, причем к первому входу синхронного детектора под. ключен через полосовой Фильтр датчик величины сварочного тока, к второму входу синхронного детектора подключен выход датчика направления отклонения дуги, а выход синхронного детектора соединен с Фильтре,м нижних частот.3. Устройство управления положени ем электросварочной горелки относиИзобретение относится к автоматизации сварочных процессов, а именно кавтоматизации электродуговой сваркиразделанных и углоныс швов и средезащитного газа и под Флюсом, и может 5найти применение в машиностроениии кораблестроении.Известен способ управления движением сварочной горелки относительнооси стыка при механизированной дуговой сварке, характеризующейся тем,что в качестве датчика положения используют сварочную дугу, а в качестве информации о положении - величинусварочного тока или напряжения дуги,причем дуге задают колебания поперекстыка, непрерывно измеряют величинутока или напряжения, а затем Формируют сигнал рассогласования путемнахождения интеграла от измеренной,величины за один период колебаний Юдуги поперек стыка и используют полученный сигнал для коррекции положения сварочной горелки относительно середины стыка 11Недостатком этого способа является невысокое качество сварногошна. вследствие малой достоверностиинформации о положении горелки относительно середины стыка, из-забольшой дисперсии значений измеряе- ЗОмых параметров сварочной дуги:наблюдаются случайные уходы горелкиот середины стыка,Этот способ осуществлен с помощью устройства для управления движением электросварочной горелки относительно стыка, содержащего датчик тельно стыка, содержащее датчик неличины сварочного тока, датчик направления отклонения дуги, Фкльтрнижних частот, усилитель с приводомпоперечного перемещения сварочнойгорелки и молебатель, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью понышения качества сварки, в него дополнительно введены синхронный детектор,долосоной Фильтр, ключ и блок управления колебанием дуги, причем датчиквеличины сварочного тока, полосовойФильтр, синхронный детектор, Фильтрнижних частот и усилитель с приводом поперечного перемещения сварочной горелки связаны последовательно,вход блока управления колебанием дуги связан с выходом Фильтра нижнихчастот, первый его выход связан с колебателем, а второйвыход - с управляющим входомключа . величины сварочного тока или напряжения, дагчик знака отклонения дуги, аналоговые интеграторы, схему сравнения, привод перемещения сварочной горелки поперек стыка и схему управления этим приводом 11 .Иедостатком устройства является то, что измерение электрических параметров дуги производят в течение одного периода ее качания поперек шна и, следовательно, результат его зависит от Флуктуаций тока или напряжения, характерных для процесса электросварки, что снижает качество получаемого шва..аиболее близким к изобретению по технической сущности является способ управления положением электросварочной горелки относительно стыка, при котором для слежения за стыком в качестве датчика положения используют сварочную дугу, а в качестве информации о положении - величину сварочного тока, причем дуге сообщают колебания поперек стыка и измеряют величину сварочного тока в моменты наибольшего отклонения дуги от середины стыка, а затем Фор мируют сигнал рассогласования путем нахождения разности амплитудных зна чений тока за один период поперечных колебаний дуги и используют полученный сигнал для коррекции положения сварочной горелки отно ительно середины стыка 21 .Иедостатком иэнестного способа является невысокое качество сварного шна вследствие случайных отклоне 1087283нкй горелки от середины стыка, иэ-задисперсии -значений сварочного токаот периода к периоду поперечных колебаний дуги.Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности являетсяустройство, реализующее укаэанныйспособ, содержащее датчик величинысварочного тока, фильтр, усилительдатчик знака отклонения дуги и при-.вод перемещения сварочной горелки 10относительно стыка 2 .Недостатком известного устройства является использование в качестве информации об отклонении горелкиот середины сварного шва величины 15сварочного тока, измеренного н моменты предельных отклонений дугив ее колебательном перемещении поперек стыка, которая обладает большой дисперсией, а потому не обеспечивает получение качественного шва.Цель изобретения - повышение качества сварного шва путем повышения достоверности информации о по.ложении арочной горелки тительно оси стыка.Поставленная цель достигаетсятем, что согласно способу управле.ния положением электросварочнойгорелки относительно стыка, прикотором дуге сообщают колебательные перемещения поперек стыка,измеряют сварочный ток, Формируютсигнал рассогласования и используютего для коррекции положения горелкиотносительно середины стыка, для 35формирования сигнала рассогласования, выделяют гармоническую составлякшуюсварочного тока с частотой вынужденных колебаний дуги, по фазе этой гармонической составлякщей определяютзнак, а по амплитуде - величину отклонения оси горелки от серединыстыка.Для осуществления способа и устфройстно управления положением электросварочной горелки относительно стыка,45содержащее датчик величины сварочного тока, датчик направления отклонения дуги, Фильтр нижних частот, включенный последовательно с усилителеми приводом поперечного перемещения 50сварочной горелки, дополнительновведены синхронный детектор и полосовой фильтр, причем к первому входусинхронного детектора подключен черезполосовой фильтр датчик величины сварочного тока, к второму входу синхронного детектора подключен выход датчика направления отклонения дуги, авыход синхронного детектора соединенс фильтром нижних частот.В другой вариант устройства управления положением электросварочнойгорелки относительно стыка, содержащего датчик величины сварочного тока, датчик направления отклонения 65 дуги, фильтр нижних частот, усилитель с приводом поперечного перемещения снарочвой горелки и колебатель дополнителъно введены синхронный детектор, полосовой Фильтр, ключ и блок управления колебанием дуги, при. чем датчик величины сварочного тока, полосовой фильтр, синхронный детек; тор, фильтр нижних частот и усилитель с приводом поперечного перемещения сварочной горелки связаны последовательно, вход блока управления колебанием дуги связан с выходом Фильтра нижних частот, первый его выход связан с колебателем, а второй выход - с упранляющим входом ключа.Ыа Фиг. 1 представлена структурная схема устройства управления по ложением сварочной горелки относительно стыка, первый вариант; на фиг, 2 - то же, второй вариант на фиг. 3 - кривые сварочного тока на входе и выходе синхронного детекто ра а - отображает напряжение датчика знака отклонения дуги;.б закон колебаний электрической дуги (функция работы колебателя); в сигнал на выходе датчика величины сварочного тока при отсутствии отклонения оси сварочной горелки от середины стыка; г - выходное напряжение Фильтра нижних частот д - сигнал на выходе датчика величины сварочного тока при уходе оси сварочной горелки в сторону от середины стыка; е - выходное напряжение фильтра нижних частот при уходе оси сварочной горелки н одну сторону от середины стыка; ж - сигнал на выходе датчика величины сварочного тока при уходе оси сварочной горелки в другую сторону от середины стыка; э - выходное напряжение фильтра нижних частот при уходе оси сварочной горелки в другую сто рону от середины стыка). В основу способа управления положением сварочной горелкой положенаоднозначная зависимость неличииы снарочного тока от длины дуги.При качании дуги (электрода) поперек стыка сваринаемых деталей изменяется длина дуги относительно кромок шна (или стенок при угловом стыке) и, следовательно, величина сварочно,го тока,Экспериментально установлено, чтопри удалении сварочной горелки от середины разделанного стыка, в кривойсварочного тока появляется гармоническая составлякщая на частоте вынуж.денных колебаний дуги. В том случае,когда горелка совмещена с серединойстыка, в сварочном токе эта гармоническая составлякщая отсутствует, апоявляется гармоническая составляющая .двойной частоты, 1087283Амплитуда гармонической составляющей на частоте вынужденных колебанийдуги растет по мере увеличения смеще.ния среднего положения горелки от се"редины стра. Таким образом, дляобеспечения рабочего движения электросварочной горелки вдоль серединыстыка необходимо минимизировать гармоническую составляющую сварочноготока с частотой вынужденных колебаний дуги. 10Устройство для управления положением электросварочной горелки относительно стыка по первому вариантусодержит датчик 1 величины сварочного тока, подключенный к шунту 2, 15включенному в цепь тока сварочнойдуги, выход датчика 1 величины сварочного тока подключен к входу поло.сового фильтра.З, синхронный детектор 4, один из входов которого соединен с выходом полосового Фильтра3, а другой - с выходом датчика 5знака отклонения дуги, выход синх-ронного детектора 4 соединен черезфильтр б нижних частот с усилителем7 привода 8 перемещения сварочнойгорелки 9 поперек стыка. Кроме того, устройство содержит колебатель10 дуги.Устройство для управления Положением электросварочной горелки относи30тельно стыка по первому варианту работает следующим образом.Колебатель 10 дуги электросварочной горелки 9 работает непрерывно.Полная величина сварочного тока, про 35текающего через шунт 2, преобразуется датчиком 1 величины сварочного тока в сигнал, поступающий через помехозащитный полосовой Фильтр 3, настроенный на частоту вынужденных коле 0баний дуги, возбуждаемых с постоянными частотой и амплитудой колебателем10, на сигнальный вход синхронногодетектора 4. На управляющий вход синхронного детектора 4 подается напряжение прямоугольной Формы (Фиг.З,график О ) от датчика 5 знака отклонения дуги. Эа период колебаний дуги(фиг. 3, график Б ) сварочный токвследствие изменения ее длины дваждывозрастает и убывает, поэтому сигнал.50на выходе датчика 1 величины сварочного тока имеет симметричную Форму счастотой, вдвое большей, чем частотаколебаний дуги, если колебания дугисимметричны относительно середины 55стыка ( Фиг. 3, график 6 ). Ла выходе синхронного детектора 4 и, соответственно, фильтра б нижних частотвыходное напряжение в этом случае равно нулю (Фиг.З, график),Сигнал на выходе датчика 1 сварочного тока ириобретает несимметричнуюФорму с преобразованием той или инойполярности в случаях ухода оси электросварочной горелки 9 от середины б 5 стыка - из биссектриаль ной плоскости углового стыка. Соответствукщнеформы сигнала на выходе датчика 1сварочного тока в идеализированномвиде йоказаны на графикахн(фиг.З) . В обоих последних случаяхв сигнале на выходе датчика 1 величи.ны сварочного тока появляется переменная составляющая с частотой колебаний дуги, отсутствулцая при движении горелки 9 точно над серединойстыка, Синхронный детектор 4 выделяет эту составляющую и на выходефильтра б нижних частот в идеальномслучае появляется постоянное, точнее медленно изменяицееся, напряжение, полярность которого отображаетнаправление ухода электросварочнойгорелки от середины стыка, а величина - величину этого ухода (Фиг,Зграфики В и ) ).Это,напряжение является сигналомрассогласования в устройстве автоматического управления и подается навход усилителя 7 привода 8 перемеще.ния электросварочной горелки 9 поперек стыка. При появлении сигналарассогласования привод 8 поперечного перемещения горелки 9 устраняетзто рассогласование, обеспечиваясовпадение оси сварочной горелки ссерединой стыка свариваемых деталей. Этот вариант предпочтителенпри сложных конфигурациях стыка.Устройство для управления положением электросварочной горелки относительно стыка по второму варианту(фиг.2) содержит датчик 1 величинысварочного тока, подключенный к шуйту 2, включенному в цепь тока сварочной дуги, выход датчика 1 величины сварочного тока подключен к входуполосового Фильтра 3, синхронный детектор 4, один из входов которого соединен с выходом полосового фильтра3, другой - с выходом датчика 5 знакаотклонения дуги; а выход подключен квходу фильтра б нижних частот, усилитель 7 привода 8 перемещения сварочной горелки 9 поперек стыка, колебатель 10 дуги, соединенный с первымвыходом блока 11 управления, содержащего датчик времени и логическую схему, вход блока 11 управления подключен к выходу фильтра б нижних частот,а второй выход блока 11 управленияподсоединен с управляющему входу ключа 12, включенному между фильтром бнижних частот а усилителем 7,Устройство управления положениемсварочной горелки относительно стыкапо второму варианту работает следующим образом,Постоянные поперечные колебаниядуги относительно середины стыка невозбуждаются, Кх возбуждают сериямис заранее установленной периодичностью моментов запуска. Эту функциювыполняет блок 11 управления колеба.телем 10 дуги, который с заданнойпериодичностью, имея в своем составедатчик времени, запускает колебатель10 дуги и открывает ключ 12. При отсутствии отклонения оси сварочной горелки 9 от середины стыка на выходеФильтра б нижних частот напряжениерано нулю (фиг, 3, график 2 ), чтослужит для блока 11 управления сигна.лом к прекращению колебаний дуги. Ес. 10ли ось сварочной горелки 9 смещенаотносительно середины стыка, то навыходе синхронного детектора 4 ифильтра б нижних частот появляетсяуправляющий сигнал (фиг. 3, гРафикиили ж ), который через открытыйключ 12 поступает на вход усилителя7 привода 8,а последний перемещаетсварочную горелку 9,совместив ееось с серединой стыка,При этом управлякший сигнал уменьшится, блок11 управления остановит колебатель10 дуги (обязательно в среднем поло.:жении относительно оси горелки) изакроет ключ 12. Наступит пауза дотого момента, когда содержащийся в блоке 11 управления датчик времени повторно не включит этот блок, и цикл повторится. Длительность паузы устанавливается при настройке устройства в зависимости от сложности конфигурации стыка. Второй вариант. устройства предпочтительнее при прос той конфигурации стыка и обеспечивает повышенную скорость сварки.Таким образом, предлагаемый способ и устройство для его реализации (его варианты) обеспечивают получе ние более достоверной информации о положении электросварочной горелки относительно середины стыка в условиях случайного распределения величин сварочного тока и/или напряжения во времени в процессе сварки. В связи с этим предлагаемый способ и соответ ствующие варианты устройства дают возможность улучшить качество сварочного шва в условиях автоматизации процесса сварки, позволяя одновременно понизить требования к разделке стыков и точность позиционирования,а также ваоить стыки сложной концигурации.р А, Ильи Зак икк: д. 4/5 Проектная, 4 Филиал ППП Патент, г, Ужгоро 2543/10 Т ВИИИПИ Государственнопо делам изобретений 3035, Москва, 7-35, Р раж 1037 Подпис но комитета СССРоткрытийу кая наб.