Способ управления электродуговой сваркой

Изобретение относится к области электродуговой сварки. Способ включает формирование сварного соединения с использованием источника питания с по меньшей мере двумя вольт-амперными характеристиками (ВАХ). При этом формирование сварного соединения осуществляют с разбиванием на этапы, для каждого из которых задают определенную ВАХ источника питания в виде кривой Безье не более третьего порядка, две концевые опорные точки которой соответствуют току короткого замыкания и напряжению холостого хода, а переключение источника питания с одной ВАХ на другую при смене этапа осуществляют с учетом значения сварочных параметров, в качестве которых могут быть использованы ток или напряжение сварочной дуги, производные по времени тока или напряжения сварочной дуги, временные интервалы работы источника питания с заданной ВАХ. Использование изобретения позволяет повысить качество сварки. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относятся к электродуговой сварке, в частности к способам формирования в процессе сварки характеристик источника для обеспечения качественной и высокопроизводительной электродуговой сварки. К числу формируемых характеристик источника, которые определяют качество сварки, относятся статическая вольт-амперные характеристика (ВАХ) и динамические свойства источника.

Процесс электродуговой сварки, как правило, состоит из циклической последовательности этапов. Этапами могут быть, например, короткое замыкание, зажигание дуги и другие. Продолжительность каждого из этапов может составлять от единиц миллисекунд до нескольких минут или часов. Качественная сварка возможна при условии, что на каждом из этапов источник имеет оптимальные, соответствующие данному этапу, выходная статическая ВАХ и динамические характеристики.

Данное изобретение направлено на разработку способа управления электродуговой сваркой, при котором в процессе сварки формируются характеристики источника, отвечающие требованиям качественной и высокопроизводительной сварки, и может быть применено в различных отраслях промышленности.

Решение поставленной задачи достигается применением источника, имеющего, по крайней мере, две вольт-амперные характеристики и способного быстро переключаться между ними.

Известен способ построения внешней характеристики в источнике питания дуговой сварки (патент РФ №2141888, опубл. 27.11.1999 г.), для реализации которого плавно регулируют сварочный ток с помощью подвижного шунта, расположенного в окне магнитопровода между секциями обмоток. Основной недостаток способа - ограниченность регулировок и невозможность оперативного изменения ВАХ, при этом ВАХ остается неизменной для всех этапов формирования сварного соединения и состояния короткого замыкания и горения дуги. Вследствие этого источник не обладает оптимальными свойствами для различных этапов сварки.

Известен источник питания для дуговой сварки, содержащий датчик напряжения дуги, соединенный через ключ с входом сумматора, датчик тока, соединенный с усилителем, выход которого соединен со вторым входом сумматора, компаратор, один вход которого соединен с выходом сумматора, а другой с генератором треугольного напряжения (а.с. СССР N1641543, опубл. 15.04.1991). Это устройство позволяет регулировать ток, напряжение и наклон вольт-амперной характеристики. Однако это устройство реализует линейную ВАХ с управляемым наклоном и не обеспечивает режим импульсной сварки.

Известен способ электрической сварки плавлением (патент РФ №2021086, опубл. 15.10.1994 г.), осуществляемый с чередованием периодов короткого замыкания плавления электрода и периода дугового плавления электрода. Для реализации способа применяют источник с изменяемой крутопадающей вольт-амперной характеристикой, при этом на этапе КЗ напряжение холостого хода источника питания уменьшают до значения, составляющего 0,25-0,5 значения напряжения холостого хода источника питания в период дугового плавления, а ток короткого замыкания источника питания уменьшают до значения, составляющего 0,25-0,9 значения тока короткого замыкания в период дугового плавления.

Недостатками данного способа являются: применение только крутопадающей ВАХ, изменение только значений пересечения ВАХ с осями координат и отсутствие вариации динамических характеристик ВАХ на различных периодах сварки.

Известен патент США US4628181, опубл. 9.12.1986 г., в котором применяется система управления сварочной дугой, обладающей много сегментной и перемещаемой выходной характеристикой с изменяемым наклоном сегментов. Кроме того, предусмотрено произвольное количество сегментов. Адаптивное управление сварочным аппаратом одной ручкой управления скоростью подачи проволоки без необходимости регулировки других параметров сварки обеспечивает легкость работы сварщика. Недостатки предлагаемого решения:

- фиксированная структура многосегментной ВАХ.

- аппаратная (триггерная) реализация алгоритма управления на операционных усилителях, диодах и резисторах в цепях обратной связи, что создает проблемы термостатирования и проблемы с реализацией других ВАХ,

- проблемы с определением и регулировкой соединяющих точек пересечения сегментов выходной характеристики,

- наклон каждого сегмента задается величиной сопротивлений на входе в цепи обратной связи операционного усилителя,

- высокие динамические свойства системы управления постоянны для всех сегментов ВАХ, что хорошо для сегментов отвечающих за переходные процессы от короткого замыкания к дуговому процессу и обратно, а на этапе стабилизации дуги или тока в при коротком замыкании вызывает колебательные процессы, приводящие к дестабилизации сварочного процесса

Известен патент РФ 2575108, опубл. 10.08.2016 г. выбранный в качестве прототипа, в котором способ сварки реализован в результате использования источника питания со сложной формой вольт-амперной характеристики, имеющей, по меньшей мере один рабочий участок, описываемый дробно-рациональной функцией. Согласно прототипу, вначале сварку ведут на токе и напряжении, соответствующих жесткой или падающей ВАХ, а затем переключаются на рабочий участок ВАХ, описываемый дробно-рациональной функцией, причем данное переключение осуществляют в точке ВАХ, соответствующей заданной мощности на рабочем участке, которую затем поддерживают постоянной.

Предложенный в прототипе способ не решает полностью проблему повышения качества сварки, т.к. переключение с одного участка ВАХ на другой производится только в фиксированной точке ВАХ, соответствующей заданной мощности на рабочем участке, при этом не учитывается анализ расчетных значений, таких как производные во времени основных параметров сварки и интегральные показатели количества энергии дуги за определенный интервал времени. Нет возможности применять переключение участков ВАХ по интервальным значениям таймера, что необходимо для организации импульсно-дуговой сварки. Поддержание одинаковой мощности сварки для условий дугового процесса и короткого замыкания приводит к сильному разбрызгиванию электродного металла, т.к. сопротивление дуги намного превосходит сопротивление короткого замыкания электрода и свариваемой детали.

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение качества и производительности сварки.

Для достижения заявленного технического результата в способе управления электродуговой сваркой, включающем использование источника питания, имеющего по меньшей мере две статические вольт-амперные характеристики, внесены существенные изменения. В отличие от прототипа, в котором используются «дробно-рациональные» выражения для представления ВАХ, в предлагаемом способе используют кривую Безье. Каждая ВАХ задана кривой Безье не более третьего порядка, две концевые опорные точки которой соответствуют току короткого замыкания и напряжению холостого хода, а другие опорные точки задают форму ВАХ, при этом каждая ВАХ источника питания имеет рабочую область, которую определяют как измеряемыми параметрами сварочной дуги (током и напряжением), так и вычисляемыми параметрами, например, производными по времени тока и напряжения, и в случае выхода одного из текущих параметров за границы рабочей области происходит переключение источника на другую ВАХ, определенную при описании рабочей области.

Одним из параметров для переключения на другую ВАХ является заданная продолжительность интервала работы ВАХ, по истечении которого источник переходит на другую, заранее определенную, ВАХ.

Скорость и точность выполнения источником ВАХ задают для каждой ВАХ коэффициентами ПД-регулятора.

Кривая Безье дает возможность представления всех стандартных видов вольт-амперных характеристик сварочных источников (пологопадающих, жестких, штыковых и пр.) за счет формы кривой, наиболее соответствующей требуемой.

Преимущества кривой Безье для определения ВАХ заключаются в:

- удобстве визуализации ВАХ и рисования ее в графических редакторах,

- компактности кодирования ВАХ для хранения и передачи ее в цифровом виде,

- унифицированной форме кодирования всех видов вольт-амперных характеристик сварочных источников,

возможности применения быстрых рекуррентных алгоритмов последовательного вычисления значений кривой независимо от ее вида.

В настоящее время кривые Безье являются основой многих компьютерных приложений для компьютерной графики и обеспечивают инвариантность алгоритмов обработки ВАХ при осуществлении афинных преобразований [1].

Указанный технический результат достигается следующим образом. Последовательность формирования сварного соединения разбивают на этапы и для каждого из них для источника устанавливают выходные статические ВАХ и динамические характеристики, оптимальным образом соответствующие назначению этапа.

Например, для инициирования дуги необходимо иметь высокие динамические свойства и максимальное напряжение. На этапе формирования сварочной ванны источник должен обладать ограниченным напряжением, током и динамическими свойствами. При этом в одних случаях, при сварке толстых материалов, эти ограничения должны быть выше значений, рекомендованных для сварки, а при сварке тонких материалов, ограничения по току, напряжению и динамическим свойствам могут быть ниже, чем требуется для формирования сварного соединения.

Т.е. на каждом этапе для источника задается не только уставка тока, как это делается в настоящее время для большинства источников, а индивидуальная для данного этапа ВАХ и динамические характеристики, что обеспечивает оптимальное применение источника и получение высококачественного сварного соединения.

Выходные вольт-амперные и динамические характеристики сварочного источника на каждом этапе определяют заблаговременно.

Предлагаемый способ управления электродуговой сваркой состоит из циклической последовательности действий (операций):

- измерение основных параметров сварки (ток и напряжение) и вычисления необходимых расчетных значений (производные тока и напряжения, сопротивление сварочной цепи и др.),

- сравнение текущих параметров с граничными значениями по каждому параметру для текущей характеристики. Если все параметры в норме, то происходит переход к следующему действию. В противном случае определяется новая текущая ВАХ, с которой происходит дальнейшая работа источника,

- вычисление значения ошибки рассогласования измеренных и расчетных значений параметров сварки с ВАХ,

- определение на основе вычисленной ошибки рассогласования ПД-регулятором нового сигнала для управления инвертором, который генерирует соответствующий сигналу сварочный ток. Перечисленные действия повторяются циклически, начиная с первого, при этом возможно одновременное (параллельное) выполнение некоторых действий. Важно, чтобы к началу расчета нового значения ШИМ были определены параметры текущей ВАХ, измерены и рассчитаны параметры сварки.

Применение предложенного способа поясняется на примере сварки с периодическими короткими замыканиями. Для этапа короткого замыкания применяют ВАХ, представленную на рис. 1, а для этапа дугового процесса используют ВАХ с рис. 2.

Переход с первой ВАХ на вторую происходит при превышении напряжением значения U1 (рис. 1). Обратный переход на первую ВАХ производится при снижении напряжения до значения U2 (рис. 2).

Графики напряжения и тока представлены на рис. 3 и 4, которые отображают два сварочных процесса, имеющих одинаковые статические ВАХ первого и второго этапов. Различие только в динамических характеристиках ВАХ. На рис. 3 динамические характеристики ВАХ, задаваемые коэффициентами ПД-регулятора, больше, чем соответствующие коэффициенты у ВАХ второго процесса, представленного на рис. 4. Анализ представленных циклограмм наглядно показывает возможность регулировки частоты коротких замыканий, их продолжительность и, соответственно, теплопередачу (нагрев) детали при сварке за счет того, что при дуговом процессе передается гораздо больше энергии, чем при коротком замыкании, т.к. при коротком замыкании энергия выделяется, в основном, на проводах сварочной цепи, имеющих гораздо большее сопротивление, чем контакт электрода и детали.

Графики рисунков 5-9 поясняют применение предложенного способа для импульсно-дуговой сварки (ИДС), которая состоит из последовательных импульсов тока и отрезков времени с низким уровнем тока, который обычно называют базовым. Типичная форма тока при импульсно-дуговой сварке представлена на рис. 5. Он состоит из последовательности этапов.

Первый этап t0-t1 - импульс тока, подготавливающий каплю электродного металла на кончике электрода.

Второй этап t1-t2 - плавный переход от импульсного тока к базовому, на данном этапе, как правило, происходит отрыв капли расплавленного электродного металла.

Третий этап t2-t3 - базовый ток, при котором стабилизируется протекание тока малого значения для поддержания дуги и низкой скорости плавления электрода для его плавного приближения к детали.

Для первого этапа предназначена ВАХ, представленная на рис. 6, с большими значениями коэффициентов ПД регулятора для быстрого нарастания тока. На данном этапе происходит интенсивный нагрев электродной проволоки и на конце электрода формируется капля расплавленного металла. Переход ко второму этапу производится по таймеру в момент t1. Второй этап реализуется посредством ВАХ, представленной на рис. 7.

Переход к третьему этапу производится также по таймеру. Третий этап выполняется на основе ВАХ, представленной на рис. 8. Завершение этапа и переход к первому производится по результатам анализа двух параметров:

первый - это минимальное значение производной напряжения по времени, показывающее наступление короткого замыкания,

второй - значение таймера, определяющее максимальную длительность третьего этапа.

Циклограмма импульсно-дуговой сварки по предлагаемому способу представлена на рис. 9.

Представленные примеры показывают только возможность применения предложенного способа для различных технологий сварки и не ограничивают изобретение рассмотренными технологиями сварки.

При использовании предложенного способа повышается качество сварных соединений и производительность сварки, т.к. обеспечивается соответствие характеристик источника требованиям качественной сварки на всех этапах формирования сварного соединения.

Литература

1. Хемминг Р.В. Численные методы. - М., Наука, 1972. - 400 с.

1. Способ электродуговой сварки, включающий формирование сварного соединения с использованием источника питания с по меньшей мере двумя вольт-амперными характеристиками (ВАХ), отличающийся тем, что формирование сварного соединения осуществляют с разбиванием на этапы, для каждого из которых задают определенную ВАХ источника питания в виде кривой Безье не более третьего порядка, две концевые опорные точки которой соответствуют току короткого замыкания и напряжению холостого хода, причем переключение источника питания с одной ВАХ на другую при смене этапа осуществляют с учетом значения сварочных параметров.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сварочных параметров используют ток или напряжение сварочной дуги.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сварочных параметров используют производные по времени тока или напряжения сварочной дуги.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сварочных параметров используют временные интервалы работы источника питания с заданной ВАХ.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу дуговой сварки штучным покрытым электродом. Закрепляют электрод в электрододержателе, установленном с возможностью перемещения в направлении к изделию под действием силы тяжести.

Изобретение относится к способу и системе контроля процесса ручной сварки. Сварщик посредством сварочного устройства (100) выполняет сварочную операцию на объекте (104), подлежащем сварке.

Изобретение может быть использовано при автоматическом регулировании отклонения сварочной дуги от стыка свариваемых кромок. В процессе сварки измеряют показатели интенсивности физического состояния поверхности свариваемого изделия в зоне сварного соединения вдоль оси стыка в двух расположенных на постоянном расстоянии друг от друга точках.

Изобретение может быть использовано при сварке покрытыми штучными электродами. К полюсу источника питания подключают по меньшей мере два электрододержателя с электродами.

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано при сварке любых стыковых соединений без разделки кромок при двухсторонней сварке. Способ включает в себя задание эталонного значения параметра сварки, например тока сварки, скорости сварки или напряжения сварки, при этом требуемое значение регулируемого параметра сварки определяют из условия (Р - Ро) = (Т - Тт)/М, где М - константа, определяемая как отношение предельно допустимого изменения температуры на поверхности изделия в заданной точке измерения к предельно допустимому изменению регулируемого параметра сварки при допустимых отклонениях глубины проплавления, Ро - эталонное значение регулируемого параметра сварки, Р - требуемое значение регулируемого параметра сварки, Тт - измеренное текущее значение температуры заданной точки поверхности изделия, Т - расчетное значение температуры заданной точки поверхности изделия.

Изобретение относится к области сварочных систем. Устройство содержит сварочный аппарат, сварочную горелку (10) и датчик (31), выполненный с возможностью определения размера сварочного электрода, используемого в сварочной горелке.

Изобретение относится к механизированной сварке металлов плавящимся электродом в среде защитных газов, а именно к способам получения качественных сварных соединений и сварки во всех пространственных положениях.

Изобретение относится к области сварки и может быть использовано для сварного соединения встык краев полос на установке для соединения встык (M1) установки обработки полос.

Изобретение относится к области сварки, осуществляемой штучными покрытыми электродами. При данном способе сварки обеспечивают постоянную скорость плавления электрода во времени, а плотность тока дуги J во времени t регулируют в соответствии с формулой где β - коэффициент пропорциональности, равный β = (Aк - A0)/tэJ0, A0 - начальное значение коэффициента расплавления электрода, Aк - конечное значение коэффициента расплавления электрода, J0 - начальное значение плотности тока на электроде при зажигании дуги, tэ - время полного сгорания электрода при плотности тока на электроде J0.

Изобретение относится к модулю управления и сварочной системе для дуговой сварки(варианты). Для сопряжения сварочного источника (12) питания и механизма (16) подачи проволоки предусмотрен внешний модуль (14) управления.

Изобретение может быть использовано при получении нахлесточного сварного соединения металлическим электродом в среде защитного газа точечной дуговой сваркой перекрывающихся стальных листов из высокопрочной стали, один из которых содержит углерод в количестве не менее 0,3 мас.%, а другой – не менее 0,07 мас.%.

Изобретение относится к области электрической точечной сварки для многоосевых промышленных роботов, конкретно, к головкам точечной сварки. Головка содержит поддерживающий элемент с концевой частью для прикрепления к запястью робота, пару сварочных электродов, удерживаемых плечами, установленными на поддерживающем элементе с возможностью перемещения между открытым и закрытым положениями, исполнительный механизм и электрический трансформатор, снабженный кожухом, при этом выходные контакты трансформатора расположены на разных стенках кожуха.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к металлу сварного шва, применяемому в сварных конструкциях. Металл сварного шва, содержащий в мас.

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения предела прочности на растяжение YS 450 МПа или более и стойкости к разупрочнению в течение продолжительного периода времени в интервале промежуточных температур стальную трубу изготавливают с помощью электросварки сопротивлением из горячекатаного стального листа.

Изобретение относится к области сварки и может быть использовано для сварки длинномерных профильных металлоконструкций, например боковых стен грузовых вагонов. Сварка боковых стен осуществляется на опорной поверхности горизонтальной рамы сборочного стенда с закрепленными на ней фиксирующими элементами.

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано в способах дуговой сварки. Способ сварки реализуется в результате использования источника питания со сложной формой вольт-амперной характеристики (ВАХ), имеющей по меньшей мере один рабочий участок, описываемый дробно-рациональной функцией.

Изобретение относится к области сварки применительно для количественной оценки квалификации сварщика путем контроля качества поверхности выполненного им сварного шва.

Изобретение относится к области сельскохозяйственного машиностроения, в частности к способам нанесения износостойких покрытий на рабочую поверхность деталей почвообрабатывающих машин с использованием сварки плавлением.
Изобретение может быть использовано при восстановлении рабочих органов почвообрабатывающих машин, преимущественно лемехов плугов. Способ включает удаление изношенной режущей части лемеха, изготовление новой режущей части из листовой рессорной стали, упрочнение режущей части путем наплавки износостойкого материала с тыльной стороны по всей длине и приваривание упрочненной режущей части к восстанавливаемому лемеху.

Изобретение относится к области сельскохозяйственного и лесного машиностроения и ремонта машин, в частности к восстановлению и упрочнению лап культиваторов различного назначения.

Изобретение относится к электротехнике. Техническим результатом является уменьшение индуктивности рассеяния, снижение сопротивления провода, увеличение импульсного тока, улучшение теплоотвода от внутренних витков обмотки, повышение механической прочности конструкции трансформатора. Трансформатор содержит магнитопровод, две первичные, две или четыре вторичные обмотки, токопроводящие жесткие пластинчатые перемычки, жесткие токовыводящие шины. Вторичные обмотки выполнены в виде спирали Архимеда из проводника ленточного типа, намотаны встречно друг к другу. Магнитопровод выполнен с поперечным сечением ступенчатой формы, близкой к эллипсу или кругу, на его участках, соответствующих стержням. Обе первичные обмотки установлены бескаркасной намоткой проводника с натяжением на каждый участок магнитопровода, соответствующий стержню, оказывая стягивающее усилие на магнитопровод. На каждую первичную обмотку установлена одна вторичная обмотка или две вторичные обмотки бескаркасной намоткой проводника с натяжением, максимально покрывая первичную обмотку. Обмотки выполнены из алюминиевого проводника с керамической изоляцией. Магнитопровод с обмотками расположен между токовыводящими шинами. Первичные обмотки одними концами соединены последовательно. Концы вторичных обмоток соединены с токовыводящими шинами, стягивая шины друг к другу с возможностью возникновения механического контакта. Внешние концы вторичных обмоток жестко соединены с первой токовыводящей шиной, а их нутренние концы жестко соединены токопроводящими пластинчатыми перемычками со второй токовыводящей шиной. Каждая пластинчатая перемычка соединена с проводником ленточного типа по длинному краю с возможностью примыкания к короткому краю - началу обмотки, и расположена параллельно плоскости кривой намотки витков и соединена со второй токовыводящей шиной. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области электродуговой сварки. Способ включает формирование сварного соединения с использованием источника питания с по меньшей мере двумя вольт-амперными характеристиками. При этом формирование сварного соединения осуществляют с разбиванием на этапы, для каждого из которых задают определенную ВАХ источника питания в виде кривой Безье не более третьего порядка, две концевые опорные точки которой соответствуют току короткого замыкания и напряжению холостого хода, а переключение источника питания с одной ВАХ на другую при смене этапа осуществляют с учетом значения сварочных параметров, в качестве которых могут быть использованы ток или напряжение сварочной дуги, производные по времени тока или напряжения сварочной дуги, временные интервалы работы источника питания с заданной ВАХ. Использование изобретения позволяет повысить качество сварки. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

Наверх