Способ регулирования сварочной дуги и устройство для его осуществления

(504 В 23 К 9 10 ОМИТЕТ СССРИЙ И ОТКРЫТИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫИ ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕ ТЕНИ д,КоСО ПИСАНИЕ ИЗОБРЕ А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Научно-производственное объединение по технологии машиностроенияЦНИИТМАШ и Брянский институт транспортного машиностроения(56) Автоматическое регулирование дуговой сварки. Труды секции электросварки и электротермии АН СССР. - М.: Академиздат, 953, с. 69 - 88.Авторское свидетельство СССР737148, кл. В 23 К 9/10, 1978.Авторское свидетельство СССР749590, кл. В 23 К 9/10, 1977.(54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано в машиностроительной промышленности. Изобретение позволяет повысить качество сварного соединения за счет формирования характеристики регулятора напряжения дуги в зависимости от жесткости внешней характеристики сварочного источника питания. Для этого управление изменением крутизны характеристики регулятора напряжения дуги производится за счет управления скоростью подачи электродной проволоки в соответствии с выражением= Чпо(и/б + 6),где Ч- скорость электрода в номинальном установившемся режиме при отсутствии отклонений; ж = (11 а - 1.)о)/11 оотносительное рассогласование напряжениядуги 11 д с эталонным 1 о, б = (нз - 1 до) /1 до -относительная жесткость внешней характеристики сварочного источника (1 д. - ток номинального режима; 1- - ток короткогозамыкания). Устройство для регулирования сварочной дуги содержит сварочный источник питания, источник эталонного напряжения, блок сравнения, электромеханичес- Який привод подачи электродной проволоки, блок суммирования, пропорциональныйусилитель рассогласования, делитель напряженая дуги, интегрирующий усилитель снг.нала рассогласования. Такое выполнение устройства позволяет повысить качество регу- флирования и сварки за счет оптимальногосогласования характеристик регулятора исварочного источника и повысить интенсив- (рОность регулирования при круто- и пологопа- Ядающих характеристиках источниках пита- уния. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано длядуговой сварки и наплавки в различных отраслях машиностроительной промышленности (энергомашиностроение, транспортное, тяжелое машиностроение и т,п.).Целью изобретения является повышениекачества сварного соединения за счет формирования характеристики регулятора напряжения дуги в зависимости от жесткости внешней характеристики сварочногоисточника питания.На фиг. 1 изображена функциональнаяблок-схема устройства; на фиг. 2 - статические характеристики; на фиг. 3 - принципиальная схема устройства; на фиг, 4 -зависимости интенсивности регулирования отжесткости внешней статической характеристики сварочного источника.Устройство содержит сварочный источникпитания 1, источник 2 эталонного напряжения, блок 3 сравнения, электромеханический привод 4 подачи электродной проволоки, блок 5 суммирования, пропорциональный усилитель 6 рассогласования, делитель 7 напряжения дуги, интегрирующийусилитель 8 сигнала рассогласования.На фиг, 2 позицией 9 обозначены статические характеристики сварочного источника, 10 - устройства регулирования; 11 -устройства с интегрирующим усилителем.В принципиальную схему устройства(фиг. 3) дополнительно входит схема 12 механической блокировки ручек настройки устройства.На фиг. 4 позицией 13 обозначены зависимости интенсивности регулирования отжесткости внешней статической характеристики сварочного источника: автомата регулирования напряжения дуги (АРПД) (11 =+ 1 от + 1 о ), 14 - автомата регулирования дуги саморегулированием(АРДС) (1 о = 1+ 1 сн), 15 - предлагаемого УстРойства (1 з = 1 + 1 сэ + 1 сн),Способ осуществляется следующим образом,Настраивают внешнюю характеристикусварочного источника 1 (фиг. 1) согласно заданному значению напряжения сварочной дуги и скорость подачи электроднойпроволоки согласно заданному значению сварочного тока установкой величины К 1 в элементе 4. Затем находят величину крутизны (жесткости) внешней характеристикисварочного источника (измеряют или определяют по паспортным данным) и устанавливают равным этой величине коэффициент передачи усилителя 6. После включения устройства в работу известными приемами (с короткого замыкания, с холостого хода) зажигают дугу и производятсварку.Известно, что скорость плавления электрода зависит от тока и напряжения дугиЪ э = Кст 1 э - Ксн 1.3 э,где К- - коэффициент саморегулированиядуги по току, см с а;Кс. - коэффициент саморегулипованиядуги по напряжению, см с в;5 Чэ - скорость плавления электрода,-1смс.Согласно способу в статическом режимЕ (при Чэ = Чп): Котд - Ксн 11 д = Чпо ( + С 1) (3)или1.)д = 1.)оВ+ С 1 о,С -где В= ----1+Кон - " бэно15 г Кот - ". - + Кон 0 а 6 Для того, чтобы реализовать устройство,у которого параметр изменял бы крутизну характеристики и эти характеристики образовывали бы пучок прямых в выбранной рабочей точке (режима сварки) сделаем при ближенную замену переменной 6 на переменную К со следующими допущениями (уточнениями):- Ч-,= Х 7 огде Б 1 = К 21 - 11 д - 1.)о); К, а также35 11 д = ВЬо + С 1 д,где В -м (1Ко 1, 2К,К,+Кон К12 40 К,К+ К К Кд Величина С 1 - это крутизна вольтамперной характеристики (ВАХ) регулятора.45 В ооситеных единица приведена крутизна регулятора равна 1 1 до 50 Уравнение (4 а) при различных значенияхКо описывает пучок прямых 10 (фиг. 2) (при К = 0 - статическая характеристика АРДС, при Ко1 - характеристика АРНД). При этом, как видно из уравнения (За), реализовать устройство по 55 предлагаемому способу управления можно,используя деление сигнала напряжения дуги делителем 7 и усилитель сигнала рассогласования с коэффициентом передачи Чпо - КЧпо - для зависимой состав 125ляющей скорости подачи электрода,Чпо б= (2 - Ко) Чпо - для независимой составляющей скорости (чтоимеет место в диапазоне 0=0,81,2).В результате замены получаемЧп = К 1(11 + Ъ), (Зд)К = независимый сигнал 1)о при этом нетребует преобразований.Координаты центра пучка определяютсявеличиной Бо и КК,+2 Ксн, К)1)тсо = 21.)о, - 1 т 11Кст КстДля согласования устройства со сварочным источником нужно, чтобы центр пучка прямых 10 находился на внешней характеристике источника, т.е.,чтобы рабочая точка А статического состояния в процессе регулирования совпадала с центром пучка.Внешние характеристики источника в общем случае представляют собой также пучок прямых 9 (если характеристики криволинейны, то вблизи точки статического равновесия их можно заменить приближенными линеаризованными прямыми).Устройство (фиг. 3) в случае, когда переключатель 8 поставлен в положение П, реализует функциональную схему без интегрирующего усилителя 8 сигнала рассогласования, Источник 1 постоянного тока обеспечивает дуге обратную полярность; источник 2, условно показанный резистором Кь обеспечивает установку величины ( )о, в блоке 3 сравнения выделяется рассогласование между половиной напряжения дуги, получаемой с делителя 7 (сопротивления Кт, Кз) и напряжением 1.)о. Усилитель 6 на операционном усилителе О 1 т 2 обеспечивает усиление рассогласования в зависимости от установки движка резистора К,. Напряжение с выхода усилителя суммируется в сумматоре 5, а практически - на резисторе К 5, являющемся задатчиком скорости электропривода 4. Электропривод 4 имеет электродвигатель постоянного тока и усилитель, так что резистором К 5 задается коэффициент К, от нуля до максимального(5)5Кроме того, устройство имеет блокировку движков резисторов Кь К 4 и Кз, например механическую, как показано в верхней части фиг. 3, позволяющую производить подстройку К (напряжение дуги) и Кз (ток дуги), только при нулевом положении резистора К 4Работа устройства при осуществлении способа заключается в следующем.Движок резистора К 4 устанавливают в нулевое положение. При этом устройство является регулятором АРДС, величина независимой подачи и ток дуги в котором определяются величиной К положением движка резистора Кз, а положение движка К не вызывает никакого воздействия. В этом положении производят начало сварки, устанавливают ток величиной Кь напряжение дуги - изменением внешней характеристики сварочного источника 1 до получения задан 5 10 личине крутизны сварочного источника, либо по качественным показателям процесса сварки (характеристики формирования валика наплавленного металла, разбрызгцва ние и т.д.).Устройство при положении П цереклю 20 25 30 35 40 45 50 55 ных параметров процесса 1. и 11 . Затем по величине 11 устанавливают лвцжок резистора Кв соответствующее положение и переводят движок резистора К 1 с нуля в положение, соответствуюгцее крутизне внешней характеристики сварочного источника. После указанной настройки величины тока дуги и напряжения луги оказываются фиксированными (центр пучка), а наклон характеристики 1 О (фиг. 2) регулятора может подстраиваться либо по имеющейся вечателя Я соответствует пропорциональному статическому регулятору напряжения дуги, статические ошибки которого устраняются фиксированной настройкой характеристики источника 1 (сварочный источник в этом случае также должен иметь устройство фиксации настройки, препятствующей изменению ее при К 4= 0). В случае установки переключателя 8 в положении 11 в усилитель 6 заменяется интегратором на операционном усилителе Оуз с цепью К.С 1, определяющей величину постоянной времени интегрирования, что превращает регулятор в астетическцй.При этом статическая вольтамперная характеристика устройства 11 (фиг. 2) обеспечивает нулевые статические ошибки, а характеристика пропорционального регулирования 9 переходит в ранг динамической и сохраняет свое влияние на сварочный процесс, как и в первом случае, если постоянная времени интегрирования существенно больше времени кратковременных возмущений процесса (броски тока и колебания . напряжения при капельном переносе, блуждании дуги и т.п.). Астетическое регулирование в последнем случае допускает управление блокировок между движками К К, К и органами настройки сварочного источника.Опробование предлагаемого способа провели с использованием устройства (фиг. 3), где в качестве электромеханического привода использовали тиристорный электропривод ЭТ 1 Е 1 с электродвигателем СЛ - 661.В качестве источника 1 питания использовали ВКСМ - 1000 с балластным реостатом; на входе сетевого питания ВКСМ - 1000 включали трехфазный регулятор напряжения КНТТ - 300 - 600.Сваривали пластины из стали 20 Г толшиной 4 мм встык без разделки кромок на флюсовой подушке под флюсом. Диаметр электродной проволоки 3 мм, ток 500 - 525 А, напряжение 30 - 32 В, скорость сварки 30 м/ч. Механические свойства металла шва при сварке по способу и при независимой скорости подачи на одном и том же режиме идентичны, Формирование шва1328103 Формула изобретения ЛУ + ЛЧд д Лд ЧЮ(.Ь - Бо45 Ы при способе улучшается (снижается высота усиления, снижается вероятность подрезов, зашлаковок, повышается плавность перехода от наплавленного к основному металлу).Таким образом, способ и устройство обеспечивают согласование характеристик источника и регулятора и сохранение этого согласования при значительных изменениях крутизны внешних характеристик источника, Кроме того, в широком диапазоне изменения характеристик источника обеспечивается высокая интенсивность регулирования напряжения (длины) дуги.Оптимальнь 1 м согласованием характеристик, если они представлены в безразмерных, относительных единицах, является случай, когда они взаимно перпендикулярны, что обеспечивает меньший уход рабочей точки от положения равновесия и наиболее широкий диапазон настройки регулятора и источника по напряжению и току.Действительно, для двух согласованных характеристик (К = -), например 9 и 10, угол их пересечения равен у = л - (р + р) = л - (агсс(д 6 + 2 Кдт 1 до 1 до3 т+агс(дб) = - . Введем понятие об относительной интенсивности регулирования где ЛЧд, ЛЧ. - отклонение скорости подачиэлектрода, вызванное принудительно системой регулирования и приращение скорости плавления конца электрода, вызванные изменениемдлины дуги 1 д на величинуд,.Принимая для качественного анализабыстродействие принудительного регулирования и саморегулирования одинаковыми,получим из вольтамперных характеристикисточника, дуги и регулятораветстзенно составляющие интенсивности регулирования (принудительного, саморегулирования по току, саморегулирования по напряжению), где 1.)д - анодно-катодное падение напряжения в дуге,На фиг. 4 показана зависимость интенсивности регулирования от жесткости внешней характеристики сварочного источника. Для сравнения на графике показана зависимость интенсивности регулирования системы саморегулирования АРДС, представлЯющаЯ сУммУ )ст + 1 сд. Эта система не может использоваться при падающих и крутопадающих внешних характеристиках источ ника в связи с резким снижением саморегулирования и удаления характеристик от оптимального согласования.Система АРНД имеет . составляющую не зависящую от жесткости источника и равную Аь а в целом общая интенсивность регулирования резко возрастает за счет саморегулирования по току. Однако, при удалении от так называемых крутопадающих ВАХ источника эта система становится неэффективной из-за больших статических ошибок ввиду далеко не оптимального согласования характеристик.Технический эффект изобретения состоитв повышении качества регулирования и сварки за счет оптимального согласования характеристик регулятора и сварочного источника и повышения интенсивности регу лирования при крутопадающих и пологопадающих характеристиках источника. 1. Способ регулирования сварочной ду ги, преимущественно при сварке плавящимся электродом, при котором осуществляют настройку и фиксацию внешней статической вольтамперной характеристики сварочного источника питания, сравнивают напряжение дуги с эталонным и осуществляют управление скоростью подачи электродной проволоки пропорционально результату сравнения, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сварного соединения за счет формирования характеристики регулятора напряжения дуги в зависимости от жесткости внешней характеристики сварочного источника питания, скорость подачи электродной проволоки определяют по формуле где Ч . - оптимальная скорость подачи электродной проволоки;относительное рассогласование напряжения дуги с эталонным 1.1 о,б= - относительная жесткость внешЪо ней вольтамперной характеристики сварочного источни 50ка (1. - ток короткого замыкания; 1 д. - номинальный ток режима),2. Устройство для регулирования сварочной дуги, содержащее источник эталонного напряжения, подключенный к блоку5 сравнения, электромеханический привод подачи электрода, а также сварочный источник питания, отличающееся тем, что в негодополнительно введены делитель напряже1328103 1 ния дуги и последовательно соединенные усилитель рассогласования и блок суммирования, другой вход которого подключен к источнику эталонного напряжения, а к выходу блока суммирования подключен электромеханический привод подачи электрода, а делитель напряжения дуги подключен к второму входу блока сравнения, выход ко. торого соединен с входом усилителя рассогласования.1328103 ФФ г з Ч дф Пояогопадающие у ЖесткиеФ ВАХ источника ф о 4 Х источникаФ%се. Ф ие а Составитель В. Гриехред И. Вересираж 974митета СССР по делЖ - 35, Раушскаяеское предприятие, г 1/гоутопа даюЮлХ источни едактор Г. Гербер Т аказ 3432/15 Т ВНИИПИ Государственного ко113035, Москва, Производственно-полиграфич оваКорректор А. ЗимокосовПодписноеам изобретений и открьггийнаб., д. 4/5Ужгород, ул. Проектная, 4