Способ получения гарантированного проплавления кромок при автоматической аргонодуговой сварке неплавящимся электродом

 

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано при производстве эдектро сварных труб. Цель - повышение производительности и качества поверхности шва за счет исключения подрезов сварочной ванны. Увеличение скорости сварки и соответствующее ему у еличение тока ведется при соблюдении критериального параметра d,., где d - диаметр теплового пятна, dc диаметр силового пятна дуги, В процессе сварки измеряют текущие значения тока сварки, скорости сварки,напряжения 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 управления сваркой труб на стайах ав томатической дуговой сварки. 3 ил. ; 55 (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„Я0„„1426720 А i

ng 4 В 23 К 9/10, 13 I

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цд; к т 1-,1;g.А

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДЮ СТВЕННЫЙ HOMMTET CCCP

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4073119/31-27 (22) 08;04.86 (46) 30.09 ° 88.Бюл. В 36 (71) МВТУ им, Н.Э.Баумана и Московский трубный завод (72) Э.А.Гладков, Г.Г. Чернышов, K.À.Садыров, Н.А.Ширковский, О.Н.Киселев, E.Ì.Êðè÷åsñwèé и 10.Н.Бобылев (53) 621.791.753 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 1013163, кл. В 23 К 9/10, 1983. (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГАРАНТИРОВАННОГО ПРОПЛАВЛЕНИЯ КРОМОК ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОИ АРГОНОДУГОВОЙ СВАРКЕ НЕПЛАВЯЯШСЯ ЭЛЕКТРОДОМ (57) Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано при производстве электро сварных труб. Цель — повышение произ-. водительности и качества поверхности шва за счет исключения подрезов сварочной ванны. Увеличение скорости сварки и соответствующее ему увеличение тока ведется при соблюдении критериального параметра d ъ 6, где

Й вЂ” диаметр теплового пятна, dc диаметр силового пятна дуги, В про" цессе сварки измеряют текущие значе" ния тока сварки, скорости сварки,напряжения 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 управления сваркой труб на стайах автоматической дуговой сварки. 3 ип.,; 426720

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано, например, при изготовлении сварных труб.

Целью изобретения является достижение максимальной производи— тельности при гарантированном отсутствии дефектов в виде подрезов.

Способ основан на известных поло- 1О жениях о том, что размеры и форма сварочной ванны определяются тепловыми характеристиками дуги, а движение потоков расплавленного металла по фронту плавления и кристаллизации вйзвано силовым воздействием дуги на расплав. В нроцессе сварки размеры

1 ш9а подвержены действию неконтролируемых возмущений, связанных с изменением расхода газа, с эрозией элект" 2О рода, а .также с изменением коэффициентов температуропроводности а и теплопроводности ф материала, происходя1цим из-за изменения химическо1 0 состава материала, а возникновение подрезов обусловлено как размерами сварочной ванны, так и гидродинамическями процессами в,яей.

Таким образом, для компенсации действия яа процесс формирования сварного шва .всей гаммы возмущений теплового и силового характера, имея средства контроля наружной стороны сВарочной ванны, необходимо иметь информацию о параметрах теплового по35 ля и силового воздействия дуги, Известно, что эффективное тепловое воздействие дугового разряда характеризуется диаметром теплового пятна й,, который практически ранен ширине ванны В, Силовое же воздействие дуги на металл характеризуется диаметром силового пятна и . Извест" но, что если за обобщенный критерий пРинять отношение диаметров, то каче"

cтвенное формирование обеслечявается при выполнении условия К = (Йт/d. ) 1.

При К 1 масса расплава относительно велика и дуга не в состоянии существенно деформировать поверхность ванны и нарушить качественное формирование

5Î шва. Для исключения подреэов принят критерий качества Й. /d. ) 1 °

На фиг.l йоказано влияние давления дуги на расплав сварочной ванны (адля случал, когда диаметр теплового

55 пятна d. превьппает диаметр силового пятна и, т.е. Й й; б - для случая, когда d й,); яа фиг. 2 — криЪ

2 с

4К, (1)

Рмич где Р „ — максимальное давление по оси дуги, Па;

Р „„ - минимальное давление, определяющее диаметр силовог6 пятна, Па;

К вЂ” коэффициент сосредоточенности распределения дав-Я. ления дуги, см ;

По мере возрастания скорости сварки ч синхронно возрастает и ток сварки Х, следовательно, возрастает и давление P. „ дуги. Чдесь давление не зависит от площади ванны, так как мы имеем дело t локальным значением явления дуги. Минимальное давление

Р „„, определяющее диаметр. силового пятна, зависит от плотности материала и силы поверхностного натяжения, а также зависит от тока Х, как и

Р,и „ . При изменении тока Т изменяется местоположение Р,„ относительно оси дуги, но значение Р »„ постоянвые изменения 6 и d, в зависимости от скорости сварки v при постоян- стве глубины проплавления Н (одновременно растет ток сварки)," яа фиг. 3— система автоматического регулирования согласно изобретению.

Для достижения цели, принимают ус" ловие, чтобы во время сварки Е

= 0,9 и, 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 необходимо 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 BO краям свароч" ной ванны. За рабочую скорость v принимают такую, при которой соответствующий ей ток 1, создает тепловое пятно d., равное измеренной ши-" рине шва В„ и силовое пятно йс

Оэ9 т

Известно, что диаметр силового — . пятна Й определяется из выражения

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- 10 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

,давление дуги на расстоянии, равном полуширине шва от оси дуги с помощью микроманометра. Это и есть Рл,„ . Зна чение P „„ для стали 12Х1810Т определено экспериментально и составляет

250 — 280 Па. Экспериментально также установлено, что

0,348 Га g" ш, + Т л

I U

B =m

«л

4ч1}

0 724 Га Ч. ш

А т„„

Iе Ц

L = --m vD

Учитывая, что проплавление должно быть обеспечено на всю толщину материала, принимают расчетную глубину проплавления равной толщине материала, т.е. H> = D. Hs выражения (5) вы- ражают Н через B u L в результате получают

2 и

Н = — — — -- (— - + — -) (6) ш2

Г 2 ° ч В2 Т

Это уравнение используется в способе для регулирования глубины проплавления. Рабочую скорость ч определяют из выражения (5) К = 188 - 27,2 ° 1nI

Качественному формированию шва соответствует d /d > 1 или наоборот

dz/d -1. Для обеспечения технологического запаса яа неточности процесса регулирования принимают d. = З0

= 0,9 . и = 0,9 В. Подставив значе- Рллркс ь K â P „„H d в выражение (1),- получают

° f}2 а

= m, ° — — — ° е

В D

Уравнение (8) используется в способе для регулирования скорости сварки, исключающего появление дефектов в ви де подреза.

Для осуществления способа задают номинальные значения тока сварки Т:„, скорости сварки v напряжения дуги толщины свариваемого изделия D>.

В процессе сварки измеряют значения указанных параметров I» v» U» D„ и просчитывают их отклонения KI — Х„л hv=чи-ч„,6U=U> — U„, dD = D„- D„, задают также

45 номинальную глубину проплавления Н„, из условия, что H„ = D„. Дополнйтельно измеряют длину L и ширину В„ сварочной ванны и определяют текущую, глубину проплавления Н р расчетным

50 путем по выражению (6) Й 4л751Х лаиб

Известнол что (4) 0 724 4а а =, 9

0,9 В (2) .Отсюда выражают допускаемое значение тока сварки

152, 3 б +<5,6 ахи.,о. s (з)

Isa «с

0 348 ° Га

В = — — — — — - ° — — пл „Я. Т л

Т„„ — температура плавления материала, С °

Выражение (1) приводят к виду гдеВ, L

D— ширина и длина сварочной ванны, см; коэффициент температуропроводности, см с; коэффициент теплопроводности, Дж/см с С; мощность дуги, Дж/с; толщина материАла, см; где 1„, U„, v, В„, L текущие значения параметров, а для достижения гарантированного проплавления подстраивают ток сварки в соответствии с выражением

1426720

d7-Кi Ьт+К2 dD--KъbU

+ К (Н вЂ” Н ), . (9) гце К,, К, К, К4 —, настраиваемые коэффициенты, а затеи принудительно увеличивают сКорость сварки до рабочего значения, определяемого по выражению (7), и для получения шва без подреэов скорость сварки изменяют в соответствии с выражением

dv=v -v (ln)

2(452,3 5 +45,52 ю U„„ 4 4. 2,0 ° 5 где v = m — — — х е

Вп д

V„, U, В„, D„- текущие значения параметров.

Использование первых трех членов уфавнения (9), определяющих обратную сФязь по непосредственно измеряемым возмущениям, необходимо для стабилизации тепловложения, отнесенного к единице толщины свариваемого материада. Коэффициенты К, K, Кэ прибли(женно определяются из соотношения

«rv а(—:-) =n.

vD

Последний член уравнения (9) определяет отрицательную обратную связь по отклонению глубины проплавленин, использование которой обеспечивает компенсацию неконтролируемых возмущений теплового характера. Точные значения коэффициентов K„,К, К, К4 в общем случае зависит от текущих значений параметров сварочного процесса, поэтому для улучшения качества регулирования, их значения следует настраивать в ходе процесса сварки в соответствии с требуемым алгоритмом идентификации, а уравнение (10) позволяет компенсировать неконтролируемые возмущения гидродинамического характера.

Способ реализован при сварке пря мошовных труб.

Свариваемая лента 1 приводится в движение Формовочными валками 2 с помощью привода 3 со скоростью v. Сварочная дуга 4 возбуждается между горелкой 5 и трубной заготовкой 6,питаемой от управляемого сварочного выпрямителя 7, расплавляет кромки трубы, образуя сварочную ванну 8 и формируя шов. Процесс сварки контроли руется контактным толщиномером 9 типа

КМ-8, сигнал которого преобразуется блоком 10 фильтрации и задержки,,час тотным датчиком ll скорости типа

BESIH, сигнал которого преобразуется блоком 12 частоты. Сигналы напряжения и тока сварки снимаются с измерительного шунта 13 и преобразуются блоками фильтров 14 и 15. Параметры сварочной ванны измеряют оптоэлектронной системой, созданной на базе оптического датчика 16 со специальным светофильтром, выделяющим изображение сварочной ванны типа OKC-3, телеви15 зионной камеры 17 типа КТ-2 и телевизионной установки 18 типа ПТУ-S0. Измеренные величины v» D„, U » В„, L„ поступают на вход аналогового вьтчислительного устройства — контроллера

2О 19, выполненного на операционных усилителях К140УД7, который имеет входы настройки уставок Uo Do и коэффициентов К<, К, К, К4. Контроллер вырабатывает управляющее воздействие

25 по току ЬХ согласно формуле (9), которое суммируется с настраиваемой .оператором вручную уставкой тока I„ и отрабатывается следящей системой управляемого сварочного источника 7

30 питания, созданного на базе выпрямителя ВКСМ-1000 с тиристорным блоком

-управления, а также по скорости Ач согласно формуле (10), которое суммируется с уставкой скорости v„ и отра35 батывается следящей системой управляемого привода 3 стана, Измеренные сигналы j:„, U„D, В„, L,, поступают на вход 20 системы сбора и выдачи данных микроЭВМ 21. посредством устройства 22 сопряжения с объектом

АЦСКС-1024-001 (УСО) с общей шиной 23 °

МикроЭВМ 21 осуществляет вычисление и выдачу на контроллер коэффициентов регулирования К, К, К», К4 через

45 интерфейсный блок 24 УСО 22. В разработанной системе управления сваркой труб на станах АДС бьша использована микроЭВМ Электроника ДЗ-28", имеющая в своем составе накопитель на магнитной ленте 25, требуемый для хранения программного обеспечения, алфавитно-цифровой дисплей 26 и устройство 27 термопечати.

С помощью данной системы был реализован способ регулирования глубины проплавления и скорости сварки при

55, автоматической аргонодуговой сварке неплавящимся электродом для сварки труб иэ нержавеющей стали 12Х18Н10Т

7 142 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, % 0,33 Дж/см с С, (= 0,5, Т„„

1420 С, "I = 400 А, U = 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 т.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 перезаточкой электрода. В процессе сварки 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 задают номинальные параметры режима: ток сварки Iz, напряжение дуги Uz, скорость сварки ч„ и номинальную толщину кромок D„, 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

٠— мвмеа »

% Tnh

0,724 Га

Ш ф 1

6720 8 дополнительно контролируют параметры сварочной ванны, косвенно характеризующие глубину проплавления, определяют текущее значение глубины проп5 лавления расчетным путем и сравнивают его с измеренным значением, а ал" гебраическую сумму всех сигналов рассогласования используют для под10 стройки сварочного тока под новые условия, отличающийся тем, что, с целью достижения максимальной производительности при гарантированном отсутствии дефектов в виде подрезов за счет поддержания в течение всего процесса сварки диаметра теплового пятна дуги й„ большим, чем диаметр силового пятна дуги Й, в процессе сварки дополнительно измеря2р ют текущие значения ширины В„ и длины Ь„ сварочной ванны, просчитывают максимально допустимое значение тока сварки I „, при котором d равен (SZ,3 Ь. + 5,6 н и предельно допустимую скорость сварки v, обеспечивающую при данном токе полное проп11 2

3Q лавление v = m — —.-- I р макс после

В„Э чего скорость сварки принудительно увеличивают до величины v по закону ду = v - ч и осуществляют подстр н ройку тока в соответствии с выражвни" ем

6I = К д + K AD — K>htJ— к (н — н ), где К, — К вЂ” коэффициенты регулирования, приближенно определяемые из

IU соотношения d(- †-) = 0 и подстраиvD

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я ваемые в ходе процесса в соответст45 вин с требуемым алгоритмом идентификации, при этом Нр определяют из выражения 2 2 2

I„Un mt -ш, г (+- )

2 тг

50 в„ь, где 1„, U v„, B„- текущие (измеренные) значения параметров!

9 а » коэффипиент температуропроВодиости см /с

% — коэффициент теплопроводности, Дж/см ° с ° С; - термический КПД дуги, 10

Я

I> U — тепловая мощность дуги, lLe/с;

Т„„- температура плавления материала, С.

1426720

Составитель Е.Сомова

Техред A.Кравчук Корректор Г.Решетник

Редактор M.Êåëåìåø

Заказ 4807/13

Тирак 922 Подписное

ВПИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4