СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКОЙ
METHOD OF MANAGEMENT OF ELECTRIC ARC WELDING

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.