СПОСОБ КОНТАКТНОЙ СТЫКОВОЙ СВАРКИ ОПЛАВЛЕНИЕМ Российский патент 2006 года по МПК B23K11/04 

Предлагаемое изобретение относится к области контактной стыковой сварки оплавлением и может быть использовано при сварке различных деталей преимущественно большого сечения, например железнодорожных рельсов, валов, заготовок проката и т.п.

Известно, что одним из путей интенсификации нагрева деталей при контактной стыковой сварке оплавлением является программное снижение сварочного напряжения (Кучук-Яценко С.И., Лебедев В.К. Контактная стыковая сварка непрерывным оплавлением, Киев, Наукова думка, 1976, стр.97-105). Авторы показали, что программное снижение сварочного напряжения позволяет повысить термический коэффициент полезного действия (к.п.д.) оплавления и, как результат, ведет к увеличению температуры в зоне термического влияния на 180-200 градусов по сравнению с оплавлением при постоянном напряжении.

Известен способ программирования процесса контактной стыковой сварки оплавлением по SU №203109. Согласно этому способу весь цикл оплавления деталей разбивается на три этапа. На первом этапе, длительность которого не программируется, напряжение остается постоянным, а скорость подачи непрерывно регулируется вплоть до реверсирования деталей. После возбуждения оплавления по всему сечению деталей (этот момент определяется по интегральному значению тока в сварочной цепи) скорость стабилизируют, устанавливая заданное ее значение, и начинается выполнение второго этапа программы. В этот период снижается напряжение и осуществляется заданный нагрев, который определяется длительностью или величиной припуска на оплавление (укорочением) деталей. В третьем периоде напряжение повышается до заданной величины и остается постоянным, а скорость повышается по жестко заданной программе. В конце этого периода включается осадка.

Данный способ позволяет повысить энергетические показатели процесса и улучшить качество сварки в сравнении со сваркой без снижения сварочного напряжения.

К недостаткам этого способа можно отнести то, что снижение напряжения осуществляют всего один раз и, кроме того, по жестко заданной программе (по времени оплавления или по величине укорочения деталей), т.е. пассивно, вне зависимости от условий протекания оплавления и характера тепловложения в свариваемые детали. При этом, например, при колебаниях напряжения питающей сети может наблюдаться изменение ширины зоны термического влияния от сварки к сварке. Такая же картина может иметь место в результате коротких замыканий деталей, которые не являются редкостью, особенно на начальном этапе оплавления, а также после снижения сварочного напряжения. В результате качество получаемых сварных соединений не всегда стабильно при массовом производстве сварочных работ (например, при сварке рельсов).

Известны способы импульсного и пульсирующего оплавления, в основу программирования основных параметров которых положен тот же принцип, что и в описанном выше случае (Кучук-Яценко С.И. Контактная стыковая сварка оплавлением, Киев, Наукова думка, 1992, стр.124). Их типовая программа также состоит из трех этапов. На первом этапе устанавливают заданные значения сварочного напряжения и скорости подачи. В процессе возбуждения оплавления средняя скорость корректируется регулятором скорости, а сварочное напряжение остается постоянным. После возбуждения оплавления по всему сечению сварочное напряжение снижают и переходят ко второму этапу. Так как при импульсном и пульсирующем оплавлении припуски в несколько раз меньше, чем при непрерывном, программирование второго этапа по припуску неэффективно. Чаще задают его длительность, однако и в этом случае нагрев деталей может отличаться при одинаковой длительности этапа. Чтобы обеспечить требуемую стабильность нагрева, кроме длительности этого этапа задают расход энергии. Скорость и сварочное напряжение повышают перед осадкой и переходят к третьему этапу оплавления.

Программирование момента снижения напряжения по расходу энергии на предыдущем этапе в целом положительно сказывается на стабильности нагрева деталей. Однако, как известно, не вся расходуемая во время оплавления энергия идет на нагрев деталей. Часть энергии расходуется на перегрев металла контактных перемычек и их взрывообразное разрушение, а следовательно, теряется. Другая ее часть идет на прогрев глубинных слоев металла, особенно при продолжительных коротких замыканиях деталей в процессе оплавления. Т.е. данному способу контактной стыковой сварки в меньшей мере, но все же присущи недостатки, описанные выше в отношении предыдущего способа-аналога.

Известен также способ контактной стыковой сварки оплавлением по SU №1768364, который выбран в качестве прототипа к предлагаемому техническому решению. Этот способ включает в себя оплавление свариваемых деталей и осадку, причем при оплавлении производят сближение деталей до достижения величиной сопротивления искрового промежутка одного из крайних значений заданного интервала, после чего детали разводят до того момента, когда величина сопротивления искрового промежутка достигнет другого установленного крайнего значения, определяют число циклов сближения-разведения в каждом из равных друг другу отрезков времени и по числу циклов судят об изменении физического состояния свариваемых деталей, в процессе оплавления производят ступенчатое снижение напряжения, причем снижение напряжения на каждой ступени производят после уменьшения числа циклов сближения-разведения до постоянного значения в равные промежутки времени.

Данный способ выгодно отличается от всех рассмотренных выше способов-аналогов, так как позволяет ступенчато снижать сварочное напряжение не по жестко заданной программе, а по мере накопления в свариваемых деталях определенного количества тепла. Однако выбор в качестве критерия оценки теплового состояния деталей количества циклов сближения и разведения лишь косвенно отображает это тепловое состояние и в значительной степени зависит от динамических характеристик элементов оборудования собственно сварочной машины (например, быстродействия гидравлической аппаратуры привода перемещения подвижной колонны).

Целью предлагаемого технического решения является повышение качества сварного соединения за счет стабилизации нагрева свариваемых деталей при массовом производстве сварочных работ (например, при сварке железнодорожных рельсов).

Поставленная цель достигается тем, что предлагается способ контактной стыковой сварки оплавлением, включающий оплавление с одновременным контролем изменения физического состояния оплавляемых деталей при возможных отклонениях в ходе процесса и последующую осадку, при котором контроль физического состояния оплавляемых деталей осуществляется следующим образом: до начала оплавления устанавливают эталонные значения определенного интеграла по времени произведения текущих значений сварочного тока на сварочное напряжение, которые определяют заранее опытным путем, устанавливают эталонные значения укорочения свариваемых деталей для каждого из значений определенного интеграла по времени, а в процессе оплавления измеряют текущие значения сварочного тока и сварочного напряжения, вычисляют произведения указанных текущих значений и определенный интеграл по времени указанного произведения, при этом при достижении определенным интегралом по времени эталонного значения замеряют соответствующее ему укорочение свариваемых деталей, сравнивают измеренное значение укорочения с эталонным путем вычитания эталонного значения из измеренного, причем при положительном результате вычитания сварочное напряжение снижают, а при отрицательном - повышают.

Рассмотрим более подробно процесс оплавления свариваемых деталей при реализации предлагаемого технического решения.

Вначале в устройство, управляющее процессом сварки (например, промышленный контроллер) вводят значения определенного интеграла произведения текущих значений сварочного тока на сварочное напряжение по времени, которые представляют собой значения указанного выше определенного интеграла для каждого из участков интегрирования, которые определяются заранее опытным путем. Другими словами всю расходуемую на оплавление электрическую энергию (определенный интеграл в интервале времени от начала и до конца оплавления) разбивают на заданное количество частей или этапов регулирования сварочного напряжения. Далее в управляющее устройство вводят эталонные значения укорочения свариваемых деталей для каждого из этапов регулирования, которые также определяют заранее опытным путем.

При включении цикла сварки на первом этапе оплавления на свариваемые детали подается базовое сварочное напряжение, определяемое напряжением питающей сети и параметрами собственно сварочного оборудования. В процессе оплавления вычисляют определенный интеграл произведения измеренных текущих значений сварочного тока на сварочное напряжение по времени. Когда указанный определенный интеграл достигает введенного в управляющее устройство значения, измеряют соответствующее ему укорочение свариваемых деталей, которое сравнивают с эталонным значением укорочения для этого этапа и по результату сравнения повышают или снижают сварочное напряжение, т.е. переходят ко второму этапу оплавления.

На втором этапе оплавления вычисляют следующее значение определенного интеграла и измеряют новое укорочение свариваемых деталей, которое после достижения определенным интегралом заданного для второго этапа значения вновь сравнивают с эталонным укорочением для второго этапа и по результату сравнения выполняют новую корректировку сварочного напряжения. И так далее - до окончания цикла оплавления.

Также предлагается способ контактной стыковой сварки оплавлением, при котором дополнительно вычисляют абсолютную величину отношения результата вычитания эталонного значения укорочения свариваемых деталей из измеренного к эталонному значению укорочения свариваемых деталей и изменяют сварочное напряжение пропорционально вычисленной абсолютной величине отношения.

В этом случае оплавление выполняют, как и при реализации предыдущего технического решения, с той лишь разницей, что при переходе от одного этапа к другому дополнительно определяют величину изменения сварочного напряжения на каждом последующем этапе.

Применение предлагаемого технического решения позволяет более точно контролировать изменение физического состояния оплавляемых деталей при возможных отклонениях в ходе процесса за счет повышения достоверности контроля энерговложения в оплавляемые детали. Так, например, при колебаниях напряжения питающей сети или при коротких замыканиях свариваемых деталей в автоматическом режиме происходит компенсация указанных колебаний за счет изменения длительности этапов и соответствующих этим этапам значений сварочного напряжения. При этом энерговложение в оплавляемые детали остается постоянным. В результате повышается качество получаемых сварных соединений за счет стабилизации нагрева оплавляемых деталей.

Из сравнительного анализа предлагаемого способа контактной стыковой сварки оплавлением с прототипом и аналогами видно, что предлагаемое техническое решение отличается новизной и существенными отличиями, а также позволяет достичь поставленной цели.

Целесообразность использования предлагаемого технического решения была проверена на контактной стыкосварочной машине К-355 при сварке рельсов Р65 из электростали. Управление процессом сварки осуществляли при помощи промышленного контроллера фирмы FASTWELL. Для изменения сварочного напряжения использовали блок тиристорных контакторов. Базовое сварочное напряжение было 7В.

Сваривали две партии образцов рельсов. После сварки были проведены сравнительные испытания образцов рельсов на статический трехточечный изгиб с приложением нагрузки на головку рельса, с регистрацией разрушающей нагрузки и стрелы прогиба. Испытания проводились в соответствии с требованиями ТУ 0921-057-01124328-98 «Рельсы железнодорожные сварные».

Первая партия образцов была сварена согласно способу по прототипу. Во время сварки измеряли число циклов сближения-разведения в каждом из равных друг другу отрезков времени (в данном случае 1 секунда) и после стабилизации числа циклов (значение числа циклов составляло 14) снижали сварочное напряжение до 5 В. После дальнейшего снижения числа циклов до 10 и стабилизации этого значения осуществляли осадку.

Вторую партию образцов сваривали согласно способу по предлагаемому техническому решению. Цикл оплавления разбили на пять этапов. Значения определенного интеграла произведения измеренных текущих значений сварочного тока на сварочное напряжение по времени, а также эталонные значения укорочения свариваемых рельсов для каждого из этапов были выбраны опытным путем и соответствовали приведенным в таблице 1. Сварочное напряжение изменяли пропорционально абсолютной величине отношения результата вычитания эталонного значения укорочения свариваемых рельсов из измеренного к эталонному значению укорочения, причем при изменении указанного отношения на 10% сварочное напряжение изменяли на 1%, т.е. в соотношении 10:1, что также было выбрано опытным путем. После исполнения всех пяти этапов осуществляли осадку.

Таблица 1.Номер этапаЗначение определенного интеграла, ВАсек×10⁵Эталонное укорочение, мм128,82,0225,22,5321,63,5418,05,5514,46,5

Результаты испытаний сваренных образцов рельсов приведены в таблице 2. Приведенные в таблице данные свидетельствуют о стабилизации результатов испытаний, повышении прочности сварных соединений рельсов, увеличении стрелы прогиба при использовании предлагаемого способа контактной стыковой сварки оплавлением.

Из приведенного выше примера видно, что использование предлагаемого технического решения позволяет повысить качество получаемых сварных соединений за счет стабилизации нагрева свариваемых деталей при массовом производстве сварочных работ (например, при сварке железнодорожных рельсов).

Таблица 2.Номер партии образцовРазрушающая нагрузка, ТСтрела прогиба, мм12

Изобретение относится к области контактной стыковой сварки оплавлением и может быть использовано при соединении деталей большого сечения. Способ включает оплавление с одновременным контролем изменения физического состояния оплавляемых деталей при возможных отклонениях в ходе процесса и последующую осадку. До начала оплавления устанавливают эталонные значения определенного интеграла по времени произведения текущих значений сварочного тока на сварочное напряжение, которые определяют заранее опытным путем. Устанавливают эталонные значения укорочения свариваемых деталей для каждого из значений определенного интеграла по времени. В процессе оплавления измеряют текущие значения сварочного тока и сварочного напряжения, вычисляют произведения указанных текущих значений и определенный интеграл по времени указанного произведения. При достижении определенным интегралом по времени эталонного значения замеряют соответствующее ему укорочение свариваемых деталей. Сравнивают измеренное значение укорочения с эталонным путем вычитания эталонного значения из измеренного. При положительном результате вычитания сварочное напряжение снижают, а при отрицательном - повышают. Это позволит повысить качество сварного соединения за счет стабилизации нагрева. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ контактной стыковой сварки оплавлением, включающий оплавление с одновременным контролем изменения физического состояния оплавляемых деталей при возможных отклонениях в ходе процесса и последующую осадку, отличающийся тем, что контроль изменения физического состояния оплавляемых деталей осуществляют следующим образом: до начала оплавления устанавливают эталонные значения определенного интеграла по времени произведения текущих значений сварочного тока на сварочное напряжение, которые определяют заранее опытным путем, устанавливают эталонные значения укорочения свариваемых деталей для каждого из значений определенного интеграла по времени, а в процессе оплавления измеряют текущие значения сварочного тока и сварочного напряжения, вычисляют произведения указанных текущих значений и определенный интеграл по времени указанного произведения, при этом при достижении определенным интегралом по времени эталонного значения замеряют соответствующее ему укорочение свариваемых деталей, сравнивают измеренное значение укорочения с эталонным путем вычитания эталонного значения из измеренного, причем при положительном результате вычитания сварочное напряжение снижают, а при отрицательном повышают.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно вычисляют абсолютную величину отношения результата вычитания эталонного значения укорочения свариваемых деталей из измеренного к эталонному значению укорочения свариваемых деталей и изменяют сварочное напряжение пропорционально вычисленной абсолютной величине отношения.