Способ автоматического измерения и регулирования тепловыделения при контактной точечной сварке

Изобретение относится к области контактной сварки и может быть использовано для автоматического контроля и управления сварочными машинами. В каждом периоде сварочного тока определяют коэффициент мощности cosϕ и значение величины тепловыделения на участке электрод-электрод q_i. Величину тепловыделения определяют по выражению q_i=(I₂)²·r_э-э·0,02, где r_э-э - сопротивление участка электрод-электрод, I₂ - действующее значение тока во вторичном контуре. В случае отклонения найденного значения от заданного принимают решение на корректировку угла открытия тиристоров в следующем периоде сварочного тока α_i+1. Угол открытия тиристоров в следующем периоде сварочного тока определяют по формуле:

где q - заданное тепловложение за период, a₁ и а₀ - коэффициенты, определяемые эмпирически, исходя из величины cosϕ, α_i - угол открытия тиристоров в текущем периоде. Повышается качество сварки за счет получения точечно-сварного соединения с заданными геометрическими размерами, независимо от состояния электродов и поверхности свариваемых деталей, вследствие стабилизации тепловыделения в промежутке электрод-электрод. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области контактной сварки и может быть использовано для автоматического контроля и управления машинами контактной точечной сварки.

Получение сварного соединения со стабильным качеством в процессе контактной сварки возможно при обеспечении контроля за геометрическими параметрами точечно-сварного соединения, являющимися основным критерием его качества. При этом эти параметры зависят от количества тепла, выделяющегося при сварке в промежутке электрод-электрод.

Известен способ автоматического измерения и регулирования электронагрева, предусматривающий измерение термо-ЭДС между сварочными электродами и наружными поверхностями деталей, вычисление температуры зоны сварки и корректировку режима электронагрева [Авторское свидетельство СССР №764898, кл. В23К 11/24, 1980].

Этот способ позволяет повысить стабильность температуры непосредственно в зоне сварки, однако не позволяет контролировать глубину проплавления свариваемых деталей, что не устраняет опасности получения частичных непроваров или склеивания деталей. Кроме этого в данном способе (и в других аналогичных способах) не учитывается нагрев сварочных электродов при длительной интенсивной работе, что приводит к уменьшению термо-ЭДС и снижению точности и качества контроля.

Известен способ контроля качества контактной сварки, при котором измеряют текущие значения параметров режима сварки и по математической модели процесса вычисляют геометрические размеры ядра сварной точки и глубину взаимного проплавления деталей [Авторское свидетельство СССР №550253, кл. В23К 11/24, 1977].

Этот способ позволяет контролировать и регулировать непосредственно размеры точечно-сварного соединения, однако обладает значительной погрешностью вследствие возможного нарушения соответствия значений области контролируемых параметров процесса и областью определения модели при изменении условий сварки. Кроме этого, в данном способе предусматривается одновременный замер сварочного усилия, тока сварки и тепловыделения на сварочном участке, что значительно усложняет конструктивно систему управления.

Наиболее близким к изобретению по техническому решению является способ управления сварочным током при контактной точечной сварке на однофазных машинах, заключающийся в определении угла включения тиристоров сварочной машины в зависимости от полученного значения величины нагрева N, учитывающего эффективное значение тока сварки, комплексное сопротивление сварочного контура и напряжение сети, при этом в каждый момент времени определяют коэффициент мощности cosϕ, a значение величины нагрева рассчитывают по формуле

где N_э и cosϕ_э - величина нагрева и коэффициент мощности системы, определяемые при сварке в условиях отсутствия возмущающих факторов [Авторское свидетельство СССР №1611642, кл. В23К 11/24, 1990].

Этот способ позволяет повысить качество сварки путем компенсации возмущающих факторов в сварочной цепи, но не исключает непровара при износе электрода вследствие снижения плотности тока, а также не может предотвратить выплески в условиях ухудшения качества подготовки поверхности вследствие увеличения тепловыделения в промежутке электрод-электрод.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении качества контактной точечной сварки путем получения заданных геометрических размеров точечно-сварного соединения независимо от состояния электродов и поверхности свариваемых деталей за счет стабилизации тепловыделения в промежутке электрод-электрод.

Эта задача решается тем, что в способе автоматического измерения и регулирования тепловыделения при контактной точечной сварке, предусматривающем в каждом периоде сварочного тока определение коэффициента мощности cosϕ и значения величины q_i тепловыделения на участке электрод-электрод, в случае отклонения этого значения от заданного принятие решения на корректировку угла открытия тиристоров α_i+1 в следующем периоде, угол открытия тиристоров α_i+1 в следующем периоде сварочного тока определяют по формуле

где q - заданное тепловыделение за период; а₁ и а₀ - коэффициенты, определяемые эмпирически исходя из величины cosϕ; α_i - угол открытия тиристоров в текущем периоде.

При этом значение величины q_i рассчитывают по формулам

где r_э-э - сопротивление участка электрод-электрод; I₂ - действующее значение тока во вторичном контуре; R2 и Х₂ - суммарные активное и индуктивное сопротивления вторичного контура; U₂₀ - вторичное напряжение холостого хода сварочного трансформатора; K_i - коэффициент регулирования сварочного тока.

Коэффициенты a₁ и а₀ можно определить в зависимости от cosϕ из следующих выражений:

Следует отметить, что для определения тепловыделения q_i может быть получено семейство аппроксимирующих зависимостей, использование которых позволит упростить расчеты по формулам (1)...(5) при их проведении на микропроцессорной системе управления.

Вычисление тепловыделения в текущем периоде сварочного тока по формулам (2)...(5) позволяет получать данные о тепловой обстановке на участке электрод-электрод без использования непосредственных измерений, что существенно упрощает процесс контроля.

Принятие решения о корректировке угла открытия тиристоров α_i+1 в следующем периоде сварочного тока с использованием формулы (1) позволяет за счет учета возмущающих воздействий стабилизировать тепловыделение в промежутке электрод-электрод.

Определение коэффициентов a₁ и а₀ в зависимости от cosϕ из выражений (6) и (7) дает возможность вычислять К_i с погрешностью до 2%, что является достаточным для обеспечения регулирования процесса контактной точечной сварки.

Таким образом, вычисление в каждом периоде сварочного тока тепловыделения в промежутке электрод-электрод и регулирование угла открытия тиристоров по предлагаемым формулам позволяет повысить качество выполняемого точечно-сварного соединения, избежать непроваров и выплесков независимо от качества подготовки поверхности и степени износа рабочей поверхности электрода (возможно увеличение диаметра до 50% от начального).

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых представлены:

на фиг.1 - функциональная схема регулирования тепловыделения при контактной точечной сварке;

на фиг.2 - график изменения значений величины r_э-э сопротивления в промежутке электрод-электрод в течение сварочного цикла на примере контактной точечной сварки низкоуглеродистой стали 08кп толщиной 1+1 мм;

на фиг.3 - изменения расчетных значений величины тепловыделения в течение сварочного цикла в том же примере.

Способ реализуется на стандартных машинах контактной сварки, работающих от сети переменного тока промышленной частоты, и содержащих (фиг.1) сварочный трансформатор 1, первичная обмотка которого подключена к сети через блок тиристоров 2, управление работой которого осуществляется регулятором сварки 4 через блок поджига 3. Система управления оснащена также датчиком обратной связи 5, который измеряет значение коэффициента мощности cosϕ.

Способ автоматического измерения и регулирования тепловыделения при контактной точечной сварке осуществляется следующим образом.

Перед сваркой в регулятор 4 закладывается заранее определенные суммарные активное R₂ и индуктивное Х₂ сопротивления вторичного контура, вторичное напряжение U₂₀ холостого хода трансформатора, а также длительность t_св протекания сварочного тока и заданное значение q тепловыделения за период сварочного тока. В процессе сварки датчик 5 измеряет значение коэффициента мощности cosϕ в положительном полупериоде сварочного тока и отправляет сигнал в регулятор 4. За время отрицательного полупериода сварочного тока регулятор 4 по формулам (2)...(5) вычисляет выделяемое в сварочном промежутке за данный период количество тепла q_i и по формуле (1) вычисляет требуемый угол α_i+1 открытия тиристоров для следующего периода.

Пример. При сварке листовых деталей из низкоуглеродистой стали толщиной 1+1 мм на контактной сварочной машине типа МТ-4017 были введены в регулятор следующие значения: суммарное активное сопротивление контура R₂=60 мкОм, суммарное индуктивное сопротивление контура X₂=180 мкОм, вторичное напряжение холостого хода U₂₀=2,50 B, заданное тепловыделение за период сварочного тока q=180 Дж и время сварки t_св=0,12 с (6 периодов). Изменение сопротивления r_э-э промежутка электрод-электрод (фиг.2) в процессе сварки при номинальном диаметре рабочей поверхности электродов, равном 5 мм, и увеличенном вследствие износа диаметре, равном 8 мм, представлено соответственно кривыми 1 и 2. При этом стабилизация тепловыделения q_i за период сварочного тока (фиг.3) с использованием предлагаемого способа (кривые 1 и 2) позволяет получить качественные соединения в обоих случаях. В то же время сварка без использования стабилизации тепловыделения (кривые 1' и 2') сопровождается уменьшением тепловыделения при изношенных электродах.

Критерием качества процесса в данном случае является отсутствие следов выплеска металла из сварной точки и из-под сварочных электродов, образование зоны взаимного расплавления диаметром не менее номинального для данной толщины образцов.

После завершения процесса сварки визуальный осмотр образцов показал отсутствие следов выплесков. Разрушение образцов показало образование требуемой в соответствии с ГОСТ 15878-79 зоны взаимного расплавления деталей на всех образцах независимо от качества подготовки поверхности свариваемых деталей и износа сварочных электродов для образцов, сваренных с применением предлагаемого способа. А на образцах, сваренных с изношенными электродами и при фиксированных значениях фазной регулировки формирование точечно-сварного соединения произошло с образованием непровара.

Таким образом, предложенный способ автоматического измерения и регулирования тепловыделения при контактной точечной сварке позволяет стабилизировать количество тепла, выделяемого в сварочном промежутке, избегать непроваров и выплесков и получать качественные точечно-сварные соединения независимо от сварочной машины, подготовки поверхности свариваемых деталей и износа рабочей поверхности сварочных электродов до 50% от номинального.

1. Способ автоматического измерения и регулирования тепловыделения при контактной точечной сварке, предусматривающий в каждом периоде сварочного тока определение коэффициента мощности cosϕ и значения величины тепловыделения на участке электрод-электрод q_i, в случае отклонения этого значения от заданного принятие решения на корректировку угла открытия тиристоров в следующем периоде α_i+1, отличающийся тем, что угол открытия тиристоров в следующем периоде α_i+1 сварочного тока определяют по формуле

где q - заданное тепловложение за период, а₁ и a₀ - коэффициенты, определяемые эмпирически исходя из величины cosϕ, α_i - угол открытия тиристоров в текущем периоде, при этом значение величины q_i рассчитывают как

q_i=(I₂)²·r_э-э·0,02;

K_i=a₁·α_i+a₀,

где r_э-э - сопротивление участка электрод - электрод, I₂ - действующее значение тока во вторичном контуре, R₂ и Х₂ - суммарные активное и индуктивное сопротивления вторичного контура, U₂₀ - вторичное напряжение холостого хода сварочного трансформатора, К_i - коэффициент регулирования сварочного тока, причем коэффициенты а₁ и a₀ определяют из следующих выражений:

a₀=2,138·cosϕ²-3,443·cosϕ+2,872;

a₁=-0,900·cosϕ²+1,490·cosϕ-1,173.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коэффициент регулирования сварочного тока К_i определяют с погрешностью до 2%.