Способ контроля отклонения дуги от стыка свариваемых кромок
METHOD OF CONTROL OF ARC DEFLECTION FROM JOINT OF FUSION EDGES

Изобретение относится к области сварки и может использоваться в машиностроении при автоматическом регулировании отклонения сварочной дуги от стыка свариваемых кромок.
Известен способ контроля отклонения горелки от стыка свариваемых кромок с помощью электромагнитного датчика, которым измеряют электродвижущую силу, наводимую переменным током в измерительных обмотках при несимметричном расположении датчика, связанного со сварочной горелкой относительно стыка (см. Э.А. Гладков. Автоматизация сварочных процессов / Э.А. Гладков, В.Н. Бродягин, Р.А. Перковский. - Москва: Издательство МГТУ им. Баумана, 2014. С. 219-220).
Этот способ позволяет контролировать воздействие только отклонения дуги от стыка и не позволяет контролировать действие других возмущений на процесс сварки. На выходной сигнал датчика влияют координаты стыка; отклонения геометрических параметров соединения, подготовленного под сварку; свойства материала изделия; различия электрических и магнитных свойств материалов заготовок. При сварке стыковых швов значительное влияние на выходной сигнал датчика оказывает взаимное превышение кромок.
-6
-5
-3
-2
Известен также способ контроля отклонения дуги от стыка свариваемых кромок, при котором в зоне шва возбуждают ультразвуковые колебания сварочной дугой путем наложения на дугу импульсов тока длительностью 10-10 с и периодом следования 10-10 с и определяют разность интенсивностей этих колебаний на поверхности свариваемого изделия в точках, равноудаленных от сварочной горелки (см. описание изобретения к авторскому свидетельству  SU 1042924 от 29. 09.1983 г.). Этот способ контроля отклонения дуги от стыка принят за прототип.
Этот способ позволяет контролировать воздействие также только отклонения дуги от стыка и не позволяет контролировать действие других возмущений на процесс сварки, сказывающихся на изменении температуры поверхности свариваемых деталей. Поэтому для контроля действия таких возмущений необходимо проводить дополнительные измерения состояния поверхности другими физическими способами.
В предлагаемом способе контроля отклонения дуги от стыка свариваемых кромок в зоне сварного соединения измеряют интенсивности физического состояния поверхности свариваемого изделия в двух точках при постоянном расстоянии между ними и определяют разность интенсивностей физического состояния.
В отличие от прототипа до сварки получают эталонное распределение температуры поверхности сварного соединения в направлении, перпендикулярном направлению сварки в сечении расположения точек замера, в процессе сварки обеспечивают расположение точек замера на поверхности изделия в зависимости от вида относительного перемещения сварочной горелки и изделия, измеряют температуры в точках, рассчитывают полуразность температур в точках и определяют по ней и эталонному распределению температур отклонение дуги от стыка.
При перемещении во время сварки изделия относительно сварочной горелки точки замера температур располагают симметрично относительно сварочной горелки.
При перемещении во время сварки сварочной горелки относительно изделия точки замера температур располагают симметрично относительно стыка.
Технический результат предлагаемого способа контроля заключатся в том, что при смещении сварочной дуги или стыка относительно друг друга вид температурной зависимости в поперечном направлении свариваемого стыка не изменяется, а изменяется только ее положение относительно неподвижного объекта. Это создает возможность контроля отклонения дуги относительно стыка. Установлено, что величину такого отклонения характеризует полуразность измеренных температур в точках замера. Помимо измерения отклонения дуги от стыка измерение температур в двух точках можно использовать для оценки действия других возмущений на процесс сварки.
На фиг. 1 показано поперечное сечение сварного соединения; на фиг. 2 - эталонное распределение температур; на фиг. - 3 аналогичное распределение температур при другой скорости сварки; на фиг. 4 показана схема измерения температур в точках замера по предлагаемому способу; на фиг. 5 представлена методика определения отклонения дуги от стыка; на фиг. 6 - зависимость отклонения дуги от стыка от полуразности температур в точках замера.
На фиг. 1 приведено поперечное сечение сварочного шва изделия из пластин без разделки кромок с полной глубиной проплавления при сварке с одной стороны стыкового соединения неплавящимся электродом без подачи присадочной проволоки. Е1 - максимальная ширина сварочной ванны (шва) на наружной поверхности (со стороны действия сварочной дуги) в сечении с максимальной шириной проплавления. Е2 - ширина обратного валика. На фиг. 1 показаны оси при расчете температур - ось Y, перпендикулярная направлению скорости сварки, и ось Z, направленная от наружной поверхности пластины со стороны действия сварочной дуги. Ось X совпадает с направлением скорости сварки. Сварное соединение на фиг. 1 получено без смещения сварочной дуги относительно стыка.
На фиг. 2 кривые 1 и 2 представляют расчетное распределение температур в направлениях полуосей Y на наружной поверхности свариваемых деталей (со стороны действия сварочной дуги) в точке с координатой х=0,5 см по оси X, в области максимальной ширины сварочной ванны. Распределение получено при отсутствии отклонения дуги относительно стыка, то есть является эталонным. Распределение температур по оси Y симметрично относительно начала координат.
Кривые 1 и 2 получены с помощью формулы для расчета температур в пластине при действии на ее поверхности источника тепла с нормально круговым распределением теплового потока (НКИ).
Формула для расчета температур при сварке от НКИ тепла, действующего на поверхности пластины, имеет вид
где х, у, z - координаты точки относительно подвижной системы координат
источника теплоты, см; координата х является в данном случае
положительной в направлении, противоположном скорости сварки.
Т - температура точки изделия, °С;
0
Т - начальная температура пластин изделия, °С;
t - время с момента начала действия движущегося источника тепла, с;
3
сρ - объемная теплоемкость материала изделия, Дж/(°С⋅см);
и
q - эффективная мощность дуги, Вт;
δ - толщина пластины, см;
2
а - коэффициент температуропроводности, см/с;
0
t=1/4ak - постоянная времени, характеризующая сосредоточенность теплового потока от источника тепла к изделию, с;
-2
k - коэффициент сосредоточенности сварочного источника тепла, см;
C
V - скорость движения источника тепла, см/с;
N - число фиктивных теплоисточников, учитывающих отражение теплоты от поверхностей плоского слоя (пластины).
По формуле (1) можно рассчитать температуру в любой точке пластин.
Величина эффективной мощности в формуле (1) определяется, например, по формуле
и
C
C
где η - эффективный КПД сварочного источника тепла, U - напряжение сварки, I - ток сварки.
3
2
2
-2
0
н
0
1
0
1
0
Номинальные значения теплофизических коэффициентов принимались при расчете для высоколегированной стали: объемная теплоемкость сρ=3,476 Дж/(см°С), коэффициент температуропроводности а=0,0432 см/с. Плотность осевого теплового потока была выбрана по литературным данным q=4200 Вт/см. Коэффициент сосредоточенности сварочного источника тепла составил k=11 см, диаметр пятна нагрева D=1,04 см. Данному коэффициенту сосредоточенности соответствует постоянная времени t=0,526 секунд. Температура плавления высоколегированной стали, отсчитываемая от 0°С принималась T=1440°С. Номинальная температура деталей перед сваркой, принималась Т=20°С. Таким образом, номинальная (эталонная) расчетная температура плавления (Т-Т) при определении размеров сварочной ванны составляла 1420°С.
и
C
C
Э
Параметры источника тепла для кривых 1 и 2 на фиг. 2: эффективная мощность q=1194 Вт, скорость сварки V=0,495 см/с, толщина пластины δ=0,4 см. Данной эффективной мощности соответствует приблизительно сварочный ток I≈200 А, при вольтовом эквиваленте эффективной мощности дуги в аргоне прямой полярности с неплавящимися электродами U=6 Вт/А. Вольтов эквивалент эффективной мощности определяется по формуле
Между вольтовым эквивалентом и эффективным КПД имеется следующая связь
При смещении дуги от оси стыка X на Δу=0,1 см для оценки смещения по температуре нужно кривые 1 и 2 температур также сместить в ту же сторону. Максимальная температура будет расположена уже при координате у=0,1 см. Положение точек замера А и Б на деталях должно оставаться неизменным при движении горелки относительно изделия, или они должны перемещаться по изделию при неподвижной горелке и движении изделия относительно горелки.
Для определения смещения дуги от оси стыка необходимо разность температур в точках замера разделить на 2 и по эталонным кривым 1 или 2 температур найти величину смещения источника тепла относительно стыка.
A
Б
Т
А
Б
Пусть первоначально точки замера температур А и Б будут расположены при координатах у=±0,6 см, что больше ширины сварочной ванны лицевого валика Е1=0,775 см при х=0,5 см. Тогда расчетная номинальная температура контролируемых точек составляет T=Т=Т=479°С. При смещении оси источника тепла относительно оси У на Δу=0,1 см температуры в точках замера изменятся до Т=831°С при у=0,5 см и Т=270°С при у=0,7 см. Разность температур составит ΔТ=831-270=561°С. Полуразность составит ΔТ/2=280,5°С.
C
На фиг. 3 представлены аналогичные кривые 3 и 4 расчетного распределения температур при уменьшении скорости сварки до V=0,48 см/с. Они представляют распределение температур при отсутствии смещения оси источника тепла относительно стыка. Несмотря на изменение скорости сварки и температурного распределения, разность между температурами точек у=0,5 см и у=0,7 см не изменилась и составила 561°С. Поэтому независимо от возмущения по скорости сварки при одинаковом возникновении смещения дуги относительно стыка это смещение будет определено одинаковым. Аналогично будут действовать, например, возмущения по эффективной мощности (току дуги).
На фиг. 4 представлена схема измерения отклонения дуги от стыка по предлагаемому способу.
C
А
Б
Пластины 1 и 2 без разделки кромок собраны в стыковое соединение. По оси стыка сварочная горелка 3 с неплавящимся электродом 4 выполняет сварку сварочной дугой 5, в результате чего получается сварочный шов 6. При сварке сварочная горелка остается неподвижной относительно направления сварки с помощью крепления 7, а перемещаются в направлении сварки свариваемые пластины 1 и 2, что соответствует, например, сварке труб или обечаек при их вращении. Первоначально на одинаковом расстоянии от стыка и сварочной горелки 3 расположены точки А и Б замера температуры на наружной поверхности пластин 1 и 2, температуры измеряются с помощью бесконтактных датчиков температуры 8 и 9, закрепленных на сварочной горелке 3 неподвижно над пластинами 1 и 2 с помощью кронштейнов 10 и 11 на одинаковом расстоянии относительно горелки 3. При движении пластин 1 и 2 сварочная дуга 5 перемещается по ним в направлении сварки со скоростью сварки V (вдоль оси X, на фиг. 4 не показана), с такой же скоростью пластины перемещаются относительно бесконтактных датчиков температуры 8 и 9. При сварке вследствие неточности изготовления пластин и других причин может происходить смещение оси стыка пластин относительно горелки и дуги в поперечном направлении на величину ±Δу, что приводит к смещению температурного поля в пластинах относительно оси стыка. При отсутствии отклонения горелки относительно стыка различные возмущения сварочного процесса будут приводить к одинаковому изменению температур в точках замера А и Б и разности измеренных температур не будет. При отклонении стыка относительно сварочной дуги точки замера А и Б будут перемещаться на поверхности пластин 1 и 2 и в точках замера возникнет разница температур из-за наличия асимметрии температурного поля. Измеренные температуры Т и Т с точек замера А и Б передаются с датчиков температуры 8, 9 в вычислительное устройство 12, в которое до начала сварки вводится эталонное распределение температуры Т(у) в сечении с координатой х, в котором расположены точки А и Б замера температур. В устройстве 12 вычисляется разность между температурой точки А и температурой точки Б. Также определяется знак разности. Если знак разности получен положительным (температура в точке А больше, чем температура в точке Б), то это будет означать, что сварочная дуга сместилась относительно стыка в направлении точки А. Если знак разности получится отрицательным (температура в точке А меньше, чем температура в точке Б), то это будет означать, что сварочная дуга сместилась относительно стыка в направлении точки Б. После этого вычисляется половина полученной разности температур и по эталонному распределению температуры Т(у) вычисляется величина отклонения дуги 5 относительно стыка.
На фиг. 5 показана схема получения величины отклонения дуги от стыка по изменению измеряемых температур графическим методом. Кривая 5 представляет собой условную эталонную кривую распределения температур Т(у) при номинальных параметрах процесса для одной из свариваемых пластин. Точка А на кривой 5 соответствует номинальной температуре в точке замера А. При смещении пластины в сторону сварочной горелки и дуги точка замера температур станет ближе к оси стыка. Температура в точке замера повысится. При получении половины разности температур между точкой А и точкой Б эта половина в соответствующем масштабе оси температур Т откладывается из точки А в виде отрезка, перпендикулярного оси У. Из конца этого отрезка Д проводится прямая, параллельная оси У до пересечения с кривой 5 в точке С. Из точки С нужно опустить перпендикуляр на ось У, получим точку Г. Разница координат по оси У между точкой А и точкой пересечения Г температур Т(у) дает величину отклонения стыка от дуги Δу=у(А)-у(Г). Поскольку произошло сближение точки замера А с горелкой и дугой, то у(А)>у(С). Знак Δу будет положителен. Направление откладывания отрезка АД, в масштабе равного половине разности температур, соответствует знаку разности температур. Если температура в точке А больше, чем в точке Б, отрезок откладывается в положительном направлении оси температур Т. Если температура в точке А меньше, чем в точке Б, отрезок откладывается в отрицательном направлении оси температур Т.
и
C
На фиг. 6 кривая 6 показывает зависимость между полуразностью температур в точках замера и отклонением дуги от стыка, полученную по методике, описанной для фиг. 5. Зависимость строится на основе эталонной зависимости, представленной на фиг. 2 или кривой 5 на фиг. 5. Задаваясь величиной отклонения Δу дуги от стыка, с помощью эталонного распределения температуры получим значения полуразности температур. Эту зависимость можно непосредственно использовать при определении отклонения дуги от оси стыка в вычислительном устройстве 12 фиг. 4. Кривая 6 зависимости отклонения дуги от стыка от полуразности температур в точках замера на фиг. 6 построена с помощью формулы (1) при параметрах q=1200 Вт; V=0,5 см/с. Толщина пластин δ=0,4 см.
Пример
и
C
0
Проводили определение влияния возмущения по начальной температуре свариваемых деталей на отклонение источника тепла от стыка. Теплофизические параметры расчета и толщина деталей оставались теми же, что при расчете эталонного распределения температур на фиг. 2. Изменилась эффективная мощность сварочного источника и составила q=1210 Вт. Координата х расчета температур выбиралась по оси сварочного источника тепла х=0. Скорость сварки составила V=0,5 см/с. Начальная температура деталей Т=20°С. Эталонное расчетное распределение температур представлено в таблице.
В случае использования в качестве точек замера температуры точки с координатами ±у=0,5 см получим при смещении дуги на 0,1 см разность температур точек Т(0,4)-Т(0,6)=439-123=316°С. Полуразность составит 158°С. По ней, по приведенной для фиг. 5 методике, определяем, что этому значению соответствует отклонение дуги от стыка Δу=0,1 см.
0
Увеличили начальную температуру деталей на 50°С. Это означает, что в формуле (1) значение температуры деталей перед сваркой принимали Т=70°С. Все температуры точек по оси У увеличились на 50°С. При этом разности температур при отклонении дуги от стыка не изменились. Также отклонению дуги от стыка Δу=0,1 см будет соответствовать полуразность температур 158°С.
Способ обладает высокой чувствительностью к отклонению дуги относительно стыка, что связано с тем, что в большинстве поперечных сечений на поверхности сварного соединения при сварке имеет место высокий градиент температур в поперечном направлении dT/dy.
Способ может быть реализован с помощью известных приборов и устройств: получение эталонного распределения температуры на поверхности деталей можно выполнить с помощью установки 2-3 термопар или других датчиков температуры при их неподвижном закреплении на пластине. Для определения температур при сварке можно применить известные устройства для бесконтактного измерения температуры поверхности. Вычисление отклонения дуги относительно стыка по эталонному распределению температур можно выполнить с помощью программируемых микропроцессорных устройств. Способ наиболее эффективно применим при перемещении при сварке изделия относительно сварочной горелки.