Способ получения гарантированного проплавления кромок при автоматической аргонодуговой сварке неплавящимся электродом

,131 ЫЛМ ОПИОАН ОБРЕТЕНИЯ СВИДЕТЕЛЬСТВУ АВТОРСКОМ(71) МВТУ им, Н.Э,Баумана и Московский трубный завод(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯГО ПРОПЛАВЛЕНИЯ КРОМОКЧЕСКОИ АРГОНОДУГОВОЙ СЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ(57) Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано при производстве электросварных труб. Цель - повышение произ-. Г. Чернышовковский,ичевский п ельство СССР 9/10, 1983, ГАРАНТИРОВАННОПРИ АВТОМАТИВАРКЕ НЕПЛАВЯГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС ПОДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫ водительности и качества поверхности шва за счет исключения подрезов сварочной ванны. Увеличение скорости сварки и соответствующее ему увеличение тока ведется при соблюдении критериального параметра 6 ъ 6 , где Й - диаметр теплового пятна, 6диаметр силового пятна дуги, В про" цессе сварки измеряют текущие значе" ния тока сварки, скорости сварки,на .ряжения дуги, толщины свариваемого материала, ширины и длины сварочной ванны с последующим использованием результата расчета для регулирования тока и скорости сварки. Производится также компенсация неконтролируемых: возмущений технологического характера. Способ используется в системах управлення сваркой труб на отавах ав-томатической дуговой сварки. 3 ип.Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано, например, при изготовлениисварных труб.Целью изобретения является достижение максимальной производи -тельности при гарантированном отсутствии дефектов в виде подрезов,Способ основан на известных поло Ожениях о том, что размеры и формасварочной ванны определяются тепловыми характеристикамидуги, а движениепотоков расплавленного металла пофронту плавления и кристаллизации 15вйзвано силовым воздействием дуги нарасплав. В нроцессе сварки размерышВа подвержены действию неконтролируемых возмущений, связанных с изменением расхода газа, с эрозией элект" 2 Орода, а .также с изменением коэффициентов температуропроводности а и теплопроводности 9 материала, происхОдя 1 цим из-за изменения химическоГОсОстава материала, а возникновение 25подрезов обусловлено как размерамисварочной ванны, так и гидродинамическйми процессами в,ней.Таким образом, для компенсациидействия на процесс формированиясварного шва .всей гаммы возмущенийтеплового и силового характера, имеясредства контроля наружной сторонысцарочной ванны, необходимо иметьинформацию о параметрах теплового по 35ля и силового воздействия дуги,Известно, что эффективное тепловое воздействие дугового разряда характеризуется диаметром тепловогопятна й который практически равенширине ванны В, Силовое же воздействие дуги на металл характеризуетсядиаметром силового пятна й . Извест"но, что если за обобщенный критерийпринять отношение диаметров, то каче"ственное Формирование обеспечиваетсяпри выполнении условия К = ЙЙ )1.При К 1 масса расплава относительновелика и дуга не в состоянии существенно деформировать поверхность ванныи нарушить качественное формирование5 Ошва. Для исключения подреэов приняткритерий качества й, Я ) 1На Фиг.1 йоказано влияние давлениядуги на расплав сварочной ванны адЛя случая, когда диаметр теплового55пятна й превьппает диаметр силовогопятна йо, т.е. Й й; б - для случая, когда а, а,); иа Фиг, 2 - криЪ2 А Й = --- 1 п 4 К, 11)Рм где Р- максимальное давлениепо оси дуги, Па;Р, - минимальное давление,определяющее диаметрсилового пятна, Па;К - коэффициент сосредоточенности распределения дав-Я.ления дуги, смПо мере возрастания скорости сварки ч синхронно возрастает и ток сварки 1, следовательно, возрастает и давление Р. дуги. Чдесь давление не зависит от площади ванны, так как мы имеем дело с локальным значением явления дуги. Минимальное давление Р , определяющее диаметр. силового пятна, зависит от плотности материала и силы поверхностного натяжения, а также зависит от тока 1, как и Р. При изменении тока 1 изменяется местоположение Р, относительно оси дуги, но значение Р м постоянвые изменения 6 и Й в зависимости от скорости сварки ч при постоян- стве глубины проплавлення Н (одновременно растет ток сварки)," на фиг. 3 - система автоматического регулирования согласно изобретению,Для достижения цели, принимают ус" ловие, чтобы во время сварки 60,9 й , причем в процессе сварки контролируют ширину сварочной ванны В, тем самым, контролируя диаметр теплового пятна дуги, дополнительно контролируют длину сварочной ванны Н.При увеличении скорости сварки не" обходимо увеличивать и ток сварки для обеспечения постоянства глубины проплавления. При этом установлено, что диаметры как теплового, так и силового пятен дуги растут, причем диаметр силового пятна растет по экспоненте и в какой-то момент начинает превышать диаметр теплового пятна. Дальнейшее увеличение скорости ведет к появлению подрезов по краям свароч" ной ванны. За рабочую скорость ч принимают такую, при которой соответствующий ей ток Т,о создает тепловое пятно Ю , равное измеренной ши-" рине шва В и силовое пятно йс = 0,9 й.Известно, что диаметр силового - . пятна Й определяется из выражения4 3 1426720 но (для данного материала), а значе" ние Р. изменяется и всегда нахо" дится по оси дуги.Экспериментально Р определяют следующим образом.При сварке производят постепенное увеличение скорости сварки до появления подрезов, при этом значения тока сварки и длины дуги остаются постоян ными. После сварки замеряют ширину шва. Затем зажигают дугу на неплавящемся аноде со стробирующим отверстием (значения тока и длины дуги постоянны, как и при сварке), замеряют 15 ,давление дуги на расстоянии, равном полуширине шва от оси дуги с помощью микроманометра. Это и есть Р . Зна чение Рдля стали 12 Х 1810 Т определено экспериментально и составляет 250 - 280 Па. Экспериментально также установлено, что 1 Ц В=вл0 724 Га ЮшА т 1 ЦБ=ш Учитывая, что проплавление должно быть обеспечено на всю толщину материала, принимают расчетную глубину проплавления равной толщине материала, т.е. Нр = Р. Из выражения (5) вы- ражают Н через В и Ь, в результате получают2 1 Я йН = -- ;" ( - ч-+ - з )1 15 ш, шГ 2 ч В Г Это уравнение используется в способедля регулирования глубины проплавления. Рабочую скорость ч определяют из выражения (5) К = 188 - 27,21 п 1Качественному формированию шва соответствует б Я1 или наоборот Й /йт -1. Для обеспечения технологического запаса на неточности процесса регулирования принимают о. 3 = 0,9 . й = 0,9 В. Подставив значения Рлл, Рлл и й в выражение (1), ают ч:ш,. ---еОВ Э Уравнение (8) используея регулирования скоролючающего появлениеподреза,Для осуществления способноминальные значения тока ссКорости сварки ч, напряже11, толщины свариваемого изделия ЭВ процессе сварки измеряют значенияуказанных параметров 1, ч, Он, Вни просчитывают их отклонения 11 ь - 1 л йч = ч- ч, ЬБ = Б- - 11 н61) = 13- 0, задают также5 номинальную глубину проплавления Н,из условия, что Н = Э. Дополнйтелно измеряют длину 1и ширину Всварочной ванны и определяют текущу, глубину проплавления Н с расчетным50 путем по выражению (6)йН " Ь ( (8 сь Ксполуч2 тся в способести сварки,дефектов в ви,иск35; й 4,75 1235 а задают варк 1 н ф ния дуги- + )мл г где 1, О значения па гарантирова раивают ток,В, Ьетров, а д,го проплавл екущие ос тижени яив со жением ыражают допускаемое значениерки Тщл - температура плавления материала, С,Выражение (1) приводят к виду+ К (Н - Н ), , (9)гце К К, К , К 4 в , настраиваемыекоэффициенты,а затеи принудительно увеличиваютсхорость сварки до рабочего значения,оПределяемого по выражению (7), и дляполучения шва без подреэов скоростьсварки изменяют в соответствии с выражениемЬч=ч -ч, (10)2(152,3 б 1-5,Б)4 220 Ьгде ч =ш, --- х еВпРлУ, Ц, В, Р,- текущие значенияпараметров.Использование первых трех членову 1 авнения (9), определяющих обратнуюсФязь по непосредственно измеряемымвОзмущениям, необходимо для стабилизФции тепловложения, отнесенного кединице толщины свариваемого материада. Коэффициенты К , К, Кэ прибли женно определяются из соотношения1 оа( - . - ) = О.чРПоследний член уравнения (9) определяет отрицательную обратнуюсвязь по отклонению глубины проплав-ленин, использование которой обеспечивает компенсацию неконтролируемыхвозмущений теплового ха.рактера, Точные значения коэффициентов К,К,КЗ, К 4 в общем случае зависит от текущих значений параметров сварочного процесса, поэтому для улучшениякачества регулирования, их значенияследует настраивать в ходе процессасварки в соответствии с требуемымалгоритмом идентификации, а уравнение (10) позволяет компенсироватьнеконтролируемые возмущения гидродинамического характера,Способ реализован при сварке прямошовных труб.Свариваемая лента 1 приводится вдвижение формовочными валками 2 с помощью привода 3 со скоростью ч. Сварочная дуга 4 возбуждается между горелкой 5 и трубной заготовкой 6,питаемой от управляемого сварочноговыпрямителя 7, расплавляет кромкитрубы, образуя сварочную ванну 8 иформируя шов, Процесс сварки контролируется контактным толщиномером 9 типа КМ, сигнал которого преобразуетсяблоком 10 Фильтрации и задержкичастотным датчиком 11 скорости типаВЕ 51 В, сигнал которого преобразуетсяблоком 12 частоты. Сигналы напряжения и тока сварки снимаются с измерительного шунта 13 и преобразуютсяблоками Фильтров 14 и 15. Параметры 1 О сварочной ванны измеряют оптоэлектронной системой, созданной на базеоптического датчика 16 со специальнымсветофильтром, выделяющим изображениесварочной ванны типа ОКС-З, телеви зионной камеры 17 типа КТ"2 и телевизионной установки 18 типа ПТУ. Измеренные величины ч, Р УВ Ь,поступают на вход аналогового вычислительного устройства - контроллера 20 19, выполненного на операционных усилителях К 140 УД 7, который имеет входынастройки уставок Б , Ро и коэффициентов К, К, К, К 4. Контроллервырабатывает управляющее воздействие 25 по току Ь 1 согласно формуле (9), которое суммируется с настраиваемой.оператором вручную уставкой тока 1и отрабатывается следящей системойуправляемого сварочного источника 7 30 питания, созданного на базе выпрямителя ВКСМс тиристорным блокомуправления, а также по скорости лчсогласно формуле (10), которое суммируется с уставкой скорости ч и отрабатывается следящей системой управляемого привода 3 стана, Измеренныесигналы 1 , 11, Р В , 1 поступаютна вход 20 системы сбора и выдачиданных микроЭВМ 21. посредством устройства 22 сопряжения с объектомАЦСКС-001 (УСО) с общей шиной 23,МикроЭВМ 21 осуществляет вычислениеи выдачу на контроллер коэффициентоврегулирования К, К, Кэ, К 4 через 45 интерфейсный блок 24 УСО 22. В разра"ботанной системе управления сваркойтруб на станах АДС бьша использованамикроЭВМ Электроника ДЗ", имеющая в своем составе накопитель намагнитной ленте 25, требуемый для хранения программного обеспечения, алФавитно-цифровой дисплей 26 и устройство 27 термопечати.С помощью данной системы был реализован способ регулирования глубиныпроплавления и скорости сварки при 55, автоматической аргонодуговой сваркенеплавящимся электродом дпя сваркитруб иэ нержавеющей стали 12 Х 18 Н 10 Т7 142 диаметром 3,8 см с толщиной стенки 0,2 см на стане АДС 10-60.Для базовой скорости - 2 м/мин (3,33 см/с) - были рассчитаны геометрические размеры сварочной ванны по выражению (1) для процесса сварки с характеристиками: а = 0,07 см /с, Ъ = 0,33 Дж/см с С,= 0,5, Т1420 С, Т = 400 А, Г = 20 В, Ширина сварочной ванны равна 0,91 см, а длина - 1,87 см, были измерены текущие значения геометрических размеров ванны, соответственно, ширина ванны составила 0,9 см, а длина - 1,9 см (совпадают с расчетными значениями). Для ширины сварочной ванны 0,9 см был рассчитан допускаемый сварочный ток по формуле (3), он равняется примерно 580 А, а по формуле (7) - рабочая скорость ч = 6,65 см/с,Р Ут.е. около 4 м/мин. Это свидетельствует о том, что скорость сварки можно повысить в 2 раза без потери качества. Сварка проводилась на скорости 4 м/мин, токе 580 А, напряжении дуги 20 В. Система обеспечивала бес"- перебойную работу сварочного обору дования в течение одной смены (8 ч) с перерывом 45 мин, связанный с пере- заточкой электрода. В процессе свар" ки производилась адаптация настраиваемых. коэффициентов в соответствии с одношаговым алгоритмом идентификации.Использование предлагаемого способа сварки обеспечивает компенсацию действия на процесс измеряемых и неконтролируемых технологических возмущений, что позволяет без потери качества повысить производительность процесса в 2 раза. Способ получения гарантированного проплавления кромок при автоматической аргонодуговой сварке неплавящимся электродом преимущественно при сварке продольных стыков труб, при котором эадзют номинальные параметры режима: ток сварки 1 ц, напряжение дуги 0, скорость сварки ч и номинальную толщину кромок Р, контролируют их в процессе сварки и вычисляют отклонения от номинального значения, кроме того, задают глубину проплавления Н, соответствующую номинальной толщине свариваемых кромок,0,348 4 а 7ш -тааааа:мапл 0,724 -Гашю.аа.еете.т юю е.т 6720 8дополнительно контролируют параметрысварочной ванны, косвенно характеризующие глубину проплавления, определяют текущее значение глубины проп 5лавления расчетным путем и сравнивают его с измеренным значением, а ал"гебраическую сумму всех сигналов рассогласования используют для под 1 О стройки сварочного тока под новыеусловия, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью достижения максимальной производительности при гарантированном отсутствии дефектов в виде подрезов за счет поддержания в те"чение всего процесса сварки диаметратеплового пятна дуги й большим, чемдиаметр силового пятна дуги Й , впроцессе сварки дополнительно измеря 2 О ют текущие значения ширины Вн и длины Ь сварочной ванны, просчитываютмаксимально допустимое значение токасварки 1 , при котором й равен(52,3 Ьц +45 6ени предельно допустимую скорость сварки, обеспечивающую при данном токе полное пропЗ 0 лавление сг = ш в в , 1Р макс фпослеВЭчего скорость сварки принудительноувеличивают до величины ч по законуду = ч - ч и осуществляют подстр нройку тока в соответствии с выражвни"ем61 = К дч + КЬР - Кд 1 -(Н - Н ),где К, - К - коэффициенты регулирования, приближенно определяемые из1 Цсоотношения й(- в -) = 0 и подстраичРф о р м у л а и з о б р е т е н и я ваемые в ходе процесса в соответст 45 вин с требуемым алгоритмом идентификации,при этом Нр определяют из выражения1426720 Составитель Е.СомоваТехред А,Кравчук Подписио комитета СССРй и открытийушская наб., д, 4/5 по де 13035, Мос