Способ контроля и регулирования процесса контактной шовно- стыковой сварки и устройство для его осуществления

Способ контроля и регулирования процесса контактной шовно- стыковой сварки и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение касается сварки, в частности контактной сварки, и предназначено для непрерьшного контроля и автоматического регулирования процесса шовно-стыковой или шовной сварки швов большой протяженности при непрерьшном протекании тока. Целью изобретения является повьш1ение качества сварных соединений за счет ста- .бильпости тепловложения. Способ заключается в том, что измеряют усредненное значение температуры за электродами на поверхности одной из свариваемых деталей после выравнивания в них температуры, суммируют полученное значение со значениями п-производных, измеренных на злектротепловой модели зоны формирования сварного соединения, полученный результат используют для сравнения с заданным значением. В устройстве с помощью модели зоны формирования сварного соединения , дифференцирующих звеньев, входящих в состав узла компенсации запаздывания, формируют сигнал усредненного значения температуры в зоне контроля. Полученные сигналы п-производных и сигнал с нелинейного узла поступают на сумматор узла компенсации запаздывания. По результату суммирования формируется сигнал на узел сравнения, выходной сигнал которого управляет регулятором сварочного тока сварочной машины. 2 с.п. ф-лы, 2 ил. § (/ bo М 00 ел

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51}4 В 23 К 11/24 ф(11 ; Р : A, q

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ и ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ЪММИ9 Т19:, А

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3770366/25-27 (22) 06.07.84 (46) 23. 12. 86 . Бюл. 9 47 (71) Специальное проектно-конструкторское и технологическое бюро по тяжелому и электросварочному оборудованию Псковского завода тяжелого электросварочного оборудования (72) А.П. Даниленко (53) 621.791.763(088.8) (56) Чулошников П.Л. Точечная и роликовая электросварка легированных сталей и сплавов. — M. Машиностроение, 1974, с. 171, 184.

Авторское свидетельство СССР

И -764898, кл. В 23 К 11/24, 1978.

Авторское свидетельство СССР

9 498128, кл. В 23 К 11/24, 1974.

Авторское свидетельство СССР

Р 414068, кл. В 23 К.11/24. (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ

ПРОЦЕССА КОНТАКТНОЙ НОВНО-СТЫКОВОЙ

СВАРКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение касается сварки, в частности контактной сварки, и предназначено для непрерывного контроля и автоматического регулирования процесса шовно-стыковой или шовной сварI

„„SU„„1278157 А 1 ки швов большой протяженности при непрерывном протекании тока. Целью изобретения является повышение качества сварных соединений за счет стабильности тепловложения. Способ заключается в том, что измеряют усредненное значение температуры за электродами на поверхности одной из свариваемых деталей после выравнивания в них температуры, суммируют полученное значение со значениями п-производных, измеренных на электротепловой модели зоны формирования сварного соединения, полученный результат используют для сравнения с заданным значением. В устройстве с помощью модели зоны формирования сварного соединения, дифференцирующих звеньев, входящих в состав узла компенсации запаздывания, формируют сигнал усредненного значенйя температуры в зоне контроля. Полученные сигналы и-производных и сигнал с нелинейного узла поступают на сумматор узла компенсации запаздывания. По результату суммирования формируется сигнал на узел сравнения, выходной сигнал которого управляет регулятором сварочного тока сварочной машины. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1278157

Т (х,у) Изобретение относится к сварке, в частности к контактной сварке, и предназначено для непрерывного контроля и автоматического регулирования процесса шовно-стыковой и шовной 5 сварки швов большой протяженности при непрерывном протекании тока.

Целью изобретения является повышение качества сварных соединений за счет стабильности тепловложения. 10

На фиг. 1 показана схем4 способа шовно-стыковой сварки и расположение зоны отпечатка электродов с деталью и зоны контроля; на фиг. 2 - функциональная схема устройства. ll5

На схеме (фиг. 1) обозйатены) электроды 1, свариваемые детали 2, накладки 3, зойа 4 контроля, зона 5 отпечатка электродов с деталью и зона 6 формирования сварного соединения,. 20

Сущность способа заключается в следующем, В установившемся режиме теплосодержание в зоне 6 формирования сварного соединения определяется выражением

cp(x,у,z) Т (x,у,я)с1х °

x dg xdz > ь I где Q — количество тепла и зоне 6

Ъ формирования сварного со- 30 единения; с р(х,у, — значение объемной теплоемz) кости в точках с координатами х, у, z;

Т.(х,у, — значение температур в точz) ках с координатами х, y,z в зоне 6 формирования сварного соединения;

dx dy dz — элементарный объем в зоне 6 формирования сварного сое- (10 динения, имеющий температуру Тз (x у z) и удельную теплоемкость сР(х,у,z),", V — объем зоны 6 формирования

3 сварного соединения; Я 3 отп b

6 — толщина свариваемых деталей 2 с учетом накладок;

S — площадь зоны 5 отпечатка 50

ОТ )( электродов с деталью.

После выхода зоны 6 формирования сварного соединения из-под электродов начинается выравнивание температур по толщине свариваемых деталей 2. 55

После выравнивания температур по высоте теплосодержание в зоне 4 контроля (если 5 = S T,):

1

I) = cP Б„„а — — jI Т„(х,у) dxdy, ДТП Б,уу где cp — среднее значение удель ной теплоемкости в зойе 4 контроля, — температура в точках с координатами х, у в зоне контроля (при S = S „) °

Если S (S

К сТП („= К, ср S .8 -- JIT (х,у) dx dy, I

К 6к где К - коэффициент, учитывающий изменение теплосодержания в зоне 4 контроля, если ее площадь не равна площади эоны 5 отпечатка электродов с деталью, S — площадь зоны 4 контроля.

Обозначим

Т -- JJ Т (х,у) dx dy, .1

Э где Т вЂ, средняя температура поверх"сР ности в зоне 4 контроля.

2 )(y где К - коэффициент, связывающий теплосодержание в зоне 4 контроля и теплосодержание в зоне 6 формирования сварног6 соединения.

Окончательно имеем 3 1 1 к ксР 3 (ссРу где К. = К К, ср" о-S — коэффициент, связывающий теплосодержание в зоне 6 формирсвания сварного соединения и среднюю температуру в зоне 4 контроля.

Таким образом, nocsre выравнивания температур по толщине свариваемых деталей 2 усредненное значение температуры в зоне 4 контроля пропорционально тепловложению в зону 6 формирования сварного соединения, обусловленному изменением параметров напряжения питающей сети, изменением параметров сварочного контура, аналогично значению тепловлох:ения колеблется усредненная температура в зоне.4 контроля.

Оптимальная ширина зоны 4 контроля

А D или В С определяется шириной накладок 3 из фольги и смещением фольги при сварке длинных протяженных швов при шовной сварке — шириной электродов с учетом допусков на осевое биение электродов 1.

При ширине зоны 4 контроля менее ширины зоны отпечатка электродов с деталью уменьшается точность контро1278157 ля теплосодержания в зоне 6 формиро— вания сварного соединения, так как контроль осуществляется в узкой зоне, а также в большей степени влияют флуктуации тока сварки на границе вы- 5 хода электродов 1 со свариваемой деталью 2. При ширине зоны 4 контроля более ширины зоны отпечатка электродов с деталью снижается точность измерения усредненного значения темпе- 10 ратур.

Оптимальная длина зоны 4 контроля

А В или D С выбирается в пределах

50-100 от длины зоны 5 отпечатка электродов с деталью. При длине зоны 4 контроля менее длины зоны 5 отпечатка электродов с деталью увели-. чиваются колебания коэффициента пропорциональности между усредненным значением температуры и теплосодержанием 0

I в зоне 6 формирования сварного со единения. B связи с тем, что основной вклад тепла в зоне 6 формирования сварного соединения осуществляется за осевой линией электродов (левее осевой линии), то длина зоны 4 контроля может колебаться от 50 до 100 зоны формирования сварного соединения. При длине зоны 4 контроля более длины зоны 5 отпечатка электродов 1 с деталью увеличиваются колебания коэффициента пропорциональности между усредненным значением температуры и теплосодержанием в зоне 6 формирования сварного соединения. 35

Минимальное расстояние между началом зоны 4 контроля (В С ) и кон цом зоны 5 отпечатка электродов с де-! талью (AD) выбирается из условия вы- 40 равнивания температур по высоте шва.

Если расстояние выбрано менее минимального, то результат измерения усредненного значения температур зависит от неустановившейся температу- 45 ры на поверхности свариваемых деталей, что снижает точность контроля величины теплосодержания в зоне 6 формирования сварного соединения.

Максимальное расстояние между на- 0 чалом зоны 4 контроля и концом зоны 6 формирования сварного соединения выбирается из условия построения системы регулирования усредненной температуры поверхности за электродами 1 с высокими показателями качества ре1гулирования (точность, быстродействие). В случае, если 1 (V. t то к ц с Р возможно построение системы регулирования, обеспечивающей компенсацию запаздывания .

Устройство состоит из задатчика 7 температуры, узла 8 сравнения, узла 9 коррекции, сварочной машины IO бесконтактного датчика 11 температуры, нелинейного узла 12, модели 13 зоны формирования сварочного соединения, узла 14 компенсации запаздывания, при этом выход задатчика 7 температуры соединен с первым входом узла 8 сравнения, выход которого через узел 9 коррекции соединен с входом сварочной машины 10. Первый выход сварочной машины 10 через модель 13 зоны формирования сварного соединения. соединен. с вторым входом узла 14 компенсации запаздывания, а второй выход — с бесконтактным датчиком 11 температуры, выход которого через нелинейный узел 12 соединен с первым входом узла 14 компенсации запаздывания, выход которого соединен с вторым входом узла 8 сравнения.

Устройство работает следующим образом.

При подаче уровня напряжения с saдатчика 7 температуры через узел 8 сравнения, узел 9 коррекции, сварочную машину 10 начинается нагрев свариваемых деталей 2 и, соответственно, нагрев зоны формирования сварного соединения. В связи с тем, что из-за размеров электродов невозможно измерение температуры бесконтактным дат,чиком 11 без транспортного запаздывания, его выходной сигнал появляется с запаздыванием.

Выходной сигнал бескантактного датчика 11 температуры при радиационном способе измерения определяется выражением

U<„= — Г5 U „(x.y) dx.dy, 1 цт р. 8 т где Ц вЂ” уровень выходного сигнала ят ср датчика температуры; (х,у) — уровень выходного сигнала бесконтактного датчика 11 температуры, обусловленньм температурой в точке с координатами х, у;

U (х у) = К„ Т (х,у), где ʄ— постоянная Стефана-Больцмана;

Т(х,у)- температура в точке с координатами х, ;

1278157 .

Если W

W =W .W

10 14 3 Со Т

to S.I6

Так как ет операцию. б коэффициент передачи по входу 2

m — показатель степени, зависящий от способа регистрации излучения (если измеряется полное излучение m = 4,, если частичное m ф 4).

При постоянной температуре всех точек в зоне контроля (Т(х,у)

= const) напряжение на выходе датчика ll температуры определяе1ся выражением

U=- TS=KT

К т 4 Р 8 «

Таким образом, сигнал на выходе д3тчика 11 температуры имеет степенную зависимость от температуры (н., ) .

) (Для исключения còeïnííÎÉ завис! гмости между выходным сигйалом бескоптактного датчика 11 температуры и тем-, пературой сигнал с бескоптактного датчика 11 температуры поступает на нелинейный узел 12, который выполнягде U. — выходной сигнал нел11нейного

ЯУ узла 12.

Таким образом, выходной сигнал не- 30 линейного узла 12 пропорционален температуре. Этот сигнал с запаэдьп анием поступает на первый вход узла 14 компенсации запаздывания, на второй вход которого поступает сигнал с модели 13 35 зоны формирования сварного соединения без запаздывания . Узел 14 компенсации запаздывания в момент времени, ког.да в связи с запаздыванием отсутст— вует сигнал, пропорциональный действительной температуре Т, обеспечивает управление процессом сварки по

Ii фиктивной температуре Т, получаемой на выходе модели 13 эоны формирования сварного соединения. В установившемся режиме па выход узла )3 компенсации запаздывания проходит только сигнал, пропорциональный,цействительной температуре Т, а сигнал с вьгхода модели 13 зоны формирования сварного соединения не проходит на выход. Передаточная Функция узха 14 компенсации запаздывания опреде:..яется выражением

И =1 +.и и (1514 ЯT НУ о

1 коэффициент передачи по входу 1

1 pe t — 3 апаздыв ание; о

S — о пер атор Лаплас а.

Передаточная функция участка с выхода сварочной машины, включая зону 6 формирования сварного соединения, до выхода узла 14 компенсации запаздывания определяется выражением

-t 9

W =W, e W V„„+ И„,„„ ()-о (t S o + о ) нУ," 2 6

1"1 го óð3å

О о о

И (е + (t S — - — — -+ нУ о 2

2 3

-1 $1-оо to S о =)-ь Я +- -- — - ==== +

2 6

f 0$ 83 е + (t S — - 1-- + - — — „..)=

2 6 где W W — передаточная функция

3 1 ое и3%о4 соответственно зоны формирования сварного соединения и ее модели, Если г к t,„,, -.ñ узел 14 компенсации позволяет компенсировать запаздывание в системе регулирования путем

Формирования сигнала в течение времени запаздывания, равного сумме п-производных со своими весовыми коэффициентами. Если t - t„,, то производные равны нулю, и регулирование с компенсацией запаздывания в системе невозможно. Наличие неустранимого запаздывания в системе регулирования значительно снижает показатели качества системы регулирования (точность, быстродействие). Сигнал с выхода узла 14 компенсации запаздывания является сигналом обратной связи и поступает на второй вход узла 8 сравнения. Разность сигналов задатчика 7 температуры и сигнала обратной связи поступает на узел 9 коррекции, который обеспечивает усиление и необходимые показатели качества системы регулирования температуры поверхности.

Таким образом, в системе регулирования степенная зависимость бесконгактного датчика 11 температуры устраняется при помощи нелинейного узла 12, а запаздывание — при помопг1 узла 14 компенсации запаздывания.

1278157

13-15

3,3

Пример. Электротехническую сталь 3414 толщиной 0,7 мм и шириной

0,8 мм "полосы" сваривают шовно-стыковой сваркой с использованием накладок из стали 0,8 КП толщиной 0,1 мм и шириной 4 мм при стабилизации температуры поверхности при помощи блока стабилизации.

Основные параметры:

Ток сварки, кА

f0

Скорость сварки, м/с

Усилие электродов, кГс 430

Усредненная температура поверхности, С 9бО

Длина отпечатка электродов с деталью мм 7,5

Ширина отпечатка электродов с дета20 лью мм 4

Длина зоны контроля, мм 5

Ширина з оны к онтр оля, мм 5

Расстояние между началом зоны контроля и концом зоны отпечатка электродов с деталью, мм 10 30

Предлагаемь«е способ и устройство контроля и регулирования процесса шовно-стыковой или шовной сварки швов большой протяженности при непрерывном протекании тока обеспечивают не- 35 зависимость результатов контроля от возмущающих факторов (изменения параметров процесса сварки, изменения . геометрии заточки электродов, случайных изменений электропроводности и 40 теплопроводности контактов электроддеталь, например, при загрязнении по;верхностей электродов). Это обусловливает более высокую точность.и надежность данного способа контроля и 45 регулирования процесса шовно-стыковой сварки. Применение его позволяет повысить качество соединения, выполненного шовно-стыковой и шовной сваркой, а также расширить диапазон сва- 50 риваемых толщин в сторону уменьшения (показатели качества — предел прочности на растяжение, количество перегибов — улучшаются на 20-30Х а диапазон толщин расширяется до 0,35 мм). 55

Формула и з о б р е т ения

1. Способ контроля и регулирования процесса контактной шовно-сто«ковой сварки, при котором измеряют тепловые параметры-поверхности свариваемых деталей, сравнивают их с заданными и по результатам сравнения регу-. лируют сварочный ток, о т л и ч а—

«о шийся тем, что, с целью повышения качества сварных соединений, измеряют усредненное значение. температуры за электродами на поверхности одной из свариваемых деталей после . выравнивания в них температуры, суммируют полученное значение со значе-. ниями п-производных, измеренных на электротепловой модели зоны формирования сварного соединения, полученньп« результат используют для сравнения с заданным значением, при этом время, необходимое для выравнивания температуры по толщине деталей, определяют исходя из выражения (2bz)

t ) К

ЕЫР 1 время выравнивания температур по толщине свариваемых деталей; коэффициент пропорциональности толщина свариваемых деталей; коэффициент температуропроводности. где

««ЫР

2bz

«

2. Устройство для контроля и регулирования процесса контактной шовноI стыковой сварки, содержащее задатчик температуры, соединенный с первым входом узла сравнения, сварочную машину в которой установлен датчик температуры, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повьппения качества сварного соединения за счет стабильности тепловложения, оно снабжено ysлом коррекции, нелинейным узлом, узпом компенсации запаздь«вания и моделью зоны формирования сварного соединения, при этом выход узла сравнения соединен через узел коррекции со сва" рочной машиной, датчик температуры г последовательно соединен с нелинейным узлом, узлом компенсации запаздывания и вторым входом узла сравнения, причем один из выходов сварочной машины соединен с входом модели зоны формирования сварного соединения, выход которой соединен с вторым входом узла компенсации запаздывания.

1278157

Риг. 2

Составитель В. Катин

Редактор И. Николайчук Техред И. Попович

Корректор И. Муска

Заказ 6793/13 Тираж 1001

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, И-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно †полиграфическ предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная. 4