СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КОНТАКТНОЙ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ Российский патент 2007 года по МПК B23K11/24 

Изобретение относится к области сварки и может быть использовано преимущественно в машинах для контактной точечной сварки.

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

Известен способ управления процессом контактной точечной сварки, при котором измеряют текущее межэлектронное напряжение и сварочный ток, увеличивают мощность сварочного тока по квадратичному закону до заданной величины, дозируют выделяемую между электродами энергию, сравнивая ее с заданной величиной, при этом сварочный ток отключают при равенстве текущего межэлектродного напряжения и порогового межэлектродного напряжения, причем программу изменения последнего в течение цикла сварки задают в соответствии с предельно допустимыми значениями, гарантирующими протекание процесса без выплесков [авторское свидетельство СССР №1281356, кл. В23k 11/24, 1987].

Этот способ позволяет повысить процент выхода готовых изделий за счет предотвращения выплесков расплавленного металла, но при этом не устраняется возможность получения непровара вследствие быстрого роста сопротивления сварной точки, межэлектродного напряжения и преждевременного отключения сварочного тока.

Известен способ стабилизации сварочного тока при контактной сварке с тиристорным управлением, заключающийся в изменении угла включения тиристоров в каждом полупериоде переменного тока для компенсации колебаний сетевого напряжения в соответствии с регулировочной характеристикой в зависимости от угла включения и проводимости тиристоров в предыдущем полупериоде сетевого напряжения, при этом угол включения тиристоров задают в соответствии с выражением

где U_оп - опорное напряжение сети, выбранное из разрешенных диапазонов сетевых напряжений;

I_д - действующее значение сварочного тока при напряжении сети, равном U_оп;

U_c - напряжение сети;

K - коэффициент трансформации;

Z - полное сопротивление сварочной цепи;

b₀ и b₁ - коэффициенты регулировочной характеристики, зависящей от коэффициента мощности полнофазного включения сварочной цепи, определяемой по величинам углов включения и проводимости, вычисленными в предыдущем полупериоде, при этом α в первом полупериоде делают фиксированным [авторское свидетельство СССР №1355409, кл. В23K 11/24, 1987].

Этот способ позволяет повысить качество сварного соединения, но в процессе его осуществления неизбежно возникают и накапливаются в течение сварочного цикла ошибки метода, связанные с тем, что полное сопротивление цепи Z постоянно изменяется в процессе сварки, что в совокупности с отсутствием стабилизации мощности тепловыделения в зоне сварки может приводить к получению стабильного непровара при изменении значения одного из возмущающих факторов (например, состояния поверхности свариваемых деталей).

Известен способ управления сварочным током при контактной точечной сварке на однофазных машинах, заключающийся в определении угла включения тиристоров сварочной машины в зависимости от получаемого 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 cos ϕ, значение величины нагрева рассчитывают по формуле

где N_э и cos ϕ_э - величина нагрева и коэффициент мощности системы, определяемые при сварке в условиях отсутствия возмущающих факторов [авторское свидетельство СССР №1611642, кл. В23K 11/24, 1987].

Этот способ, взятый за прототип, 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 стабильности качества контактной точечной сварки, достигаемой за счет стабилизации выделения тепла между сварочными электродами в течение цикла сварки.

Эта задача решается тем, что в способе управления процессом контактной точечной сварки, предусматривающем в каждом периоде измерение действующего и максимального значений тока во вторичном контуре, падения напряжения на электродах в момент достижения вторичного тока своего максимума и вычисление коэффициента мощности cos ϕ, количество выделившегося от сварки тепла за i-ый период вычисляют по формуле

где Q_i - количество теплоты, выделившееся между электродами за i-й период сварочного тока, Дж;

I_д - измеренное за период действующее значение сварочного тока, А;

I_max - максимум значения сварочного тока за период, А;

U_э-э - падение напряжения между электродами, измеренное в момент максимума сварочного тока, В;

t - длительность периода сварочного тока, с;

а решение об изменении угла включения тиристоров принимают с соблюдением условия по формуле

где Q_зад - заданное количество теплоты, выделяющейся за период, Дж;

- рассчитываемое для данной машины действующее значение сварочного тока в следующем периоде в зависимости от принятого угла включения тиристоров α_i+1 и коэффициента мощности cos ϕ, А;

I_п(cosϕ) - действующее значение полнофазного тока в зависимости от коэффициента мощности cos ϕ, А.

Измерение падения напряжения на электродах сварочной машины в момент достижения тока во вторичном контуре своего максимума позволяет уменьшить относительную погрешность измерений и снизить требования к измерительному оборудованию за счет того, что замер напряжения производится именно в момент его максимального значения.

Вычисление выделившегося за период количества тепла через падение напряжения на электродах и действующее значение сварочного тока по формуле (1) позволяет косвенно получать сведения о температурной обстановке в зоне сварки и прогнозировать характерные дефекты - непровар или выплеск.

Сравнение с заданным вычисленного выделившегося за период количества тепла при сварке позволяет сделать вывод об избыточности или достаточности величины фазной регулировки тока во вторичном контуре контактной машины.

Принятие решения об изменении угла включения тиристоров в следующем периоде в соответствии с результатами этого сравнения позволяет стабилизировать тепловыделение на сварочном участке электрод-электрод и повысить стабильность качества точечно-сварного соединения за счет управления вложением тепла в сварную точку.

Использование для принятия решения об изменении угла включения тиристоров указанного условия по формуле (2) позволяет стабилизировать выделяемое за период количество тепла при сварке около заданного значения.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено:

фиг.1 - номограмма для определения угла включения тиристоров в следующем периоде;

фиг.2 - функциональная схема устройства для реализации способа.

Способ управления процессом контактной точечной сварки осуществляют следующим образом.

На свариваемые детали через тиристорный контактор и сварочный трансформатор подают напряжение. При этом в положительном полупериоде сварочного тока производят измерение действующего и максимального значений тока, падения напряжения на электродах при максимальном значении тока, а в отрицательном полупериоде сварочного тока производят вычисление количества выделившейся за период теплоты по формуле

где Q_i - количество теплоты, выделившееся между электродами за i-й период сварочного тока, Дж;

I_д - измеренное за период действующее значение сварочного тока, А;

I_max - максимум значения сварочного тока за период, А;

U_э-э - падение напряжения между электродами, измеренное в момент максимума сварочного тока, В;

t - длительность периода сварочного тока, с.

Затем с использованием номограммы (фиг.1) или по параметрическим зависимостям выбирается новый угол включения a_i+i для следующего периода с соблюдением условия

где Q_зад - заданное количество теплоты, выделяющейся за период, Дж;

- рассчитываемое для данной машины действующее значение сварочного тока в следующем периоде в зависимости от принятого угла включения a_i+1 и коэффициента мощности cos ϕ, А;

I_п(cosϕ) - действующее значение полнофазного тока в зависимости от коэффициента мощности cos ϕ, А.

Пример. Для условий контактной точечной сварки деталей из низкоуглеродистой стали толщиной 1+1 мм были определены следующие параметры режима сварки: время сварки 0,12 с (6 периодов по 0,02 с), усилие сварки 2500 Н, количество теплоты за период Q_зад=225 Дж, первоначальный угол включения тиристоров α₁=90°. Пусть вследствие износа электрода увеличился диаметр его рабочей части и снизилось активное сопротивление электрод-электрод. В положительном полупериоде первого периода сварочного тока были измерены следующие значения: действующее значение тока I_д=10,8 кА, максимальное значение тока I_max=16,8 кА, коэффициент мощности cos ϕ=0,5 и падение напряжения на электродах U_э-э=1,34 В. Посчитанное по формуле (1) количество теплоты, выделившейся за период, составляет Q_i=10800²·1,34/16800·0,02=186 Дж. По номограмме (фиг.1) рассчитываем для cos ϕ=0,5 и α₁=90° отношение действующего сварочного тока к полнофазному току для следующего периода

Далее по номограмме (фиг.1) для вычисленного отношения и cos ϕ=0,5 определяем угол открытия тиристоров в новом периоде α_i+1=84°. Посчитанный таким образом угол включения тиристоров будет введен в новом периоде сварочного тока.

Способ может быть осуществлен с использованием устройства (фиг.2). Это устройство содержит источник 1 сварочного тока, микропроцессорное устройство 2, датчик 3 сварочного тока (например, воздушный трансформатор типа пояс Роговского), аналого-цифровой преобразователь 4, измеритель 5 падения напряжения на электродах.

Устройство для управления процессом контактной точечной сварки работает следующим образом. После зажатия между электродами 6 деталей 7 по команде (сигналу) из микропроцессорного устройства 2 источник 1 сварочного тока включается. В течение каждого положительного полупериода сварочного тока аналого-цифровой преобразователь 4 измеряет величину сигнала датчика тока 3, а измеритель падения напряжения на электродах 5 - падение напряжения между электродами. После окончания первого полупериода сварочного тока микропроцессорное устройство 2 вычисляет действующее I_д и максимальное I_max значения сварочного тока, а также падение напряжения между электродами U_э-э в момент достижения максимума сварочным током и коэффициент мощности сварочной машины cos ϕ_i одним из известных способов. Далее происходит вычисление количества теплоты Q_i, выделившегося за данный период сварочного тока и его сравнение с заданным Q_зад, по результатам этого сравнения микропроцессорное устройство вычисляет значение угла включения α_i+1 в новом периоде и дает команду источнику тока 1 на включение тока. Процесс сварки продолжается в течение времени, заданного пользователем.

Таким образом, использование предлагаемого способа управлением процессом контактной точечной сварки позволяет повысить стабильность качества точечно-сварных соединений за счет исключения или уменьшения таких возмущающих воздействий как состояние поверхности свариваемых деталей, износ электрода, падение напряжения питающей сети и нагрев вторичного контура сварочной машины.

Изобретение относится к области сварки и может быть использовано в машинах для управления процессом контактной точечной сварки. Измеряют в каждом периоде во вторичном контуре действующие значения тока и падения напряжения на электродах, вычисляют коэффициент мощности cos ϕ и количество выделившегося за период тепла и регулируют угол включения тиристоров. Падение напряжения на электродах измеряют при максимальном значении сварочного тока. Количество выделившегося за период тепла вычисляют с учетом проведенных измерений по выражению где Q_i - количество теплоты, выделившееся между электродами за i-й период сварочного тока, Дж; I_д - измеренное за период действующее значение сварочного тока, A; I_max - максимум значения сварочного тока за период, А; U_э-э - падение напряжения между электродами, измеренное в момент максимума сварочного тока, В; t - длительность периода сварочного тока, с. Сравнивают вычисленное количество тепла с заданным и в соответствии с результатами сравнения изменяют угол включения тиристоров в следующем периоде. Изменение угла включения тиристоров осуществляют при условии где Q_зад - заданное количество теплоты, выделяющейся за период, Дж; - рассчитываемое для данной машины действующее значение сварочного тока в следующем периоде в зависимости от принятого угла включения тиристоров α_i+1 и коэффициента мощности cos ϕ, A; I_п(cosϕ) - действующее значение полнофазного тока в зависимости от коэффициента мощности cos ϕ, А. Повышается стабильность качества точечно-сварных соединений за счет исключения или уменьшения возмущающих воздействий. 2 ил.

Способ управления процессом контактной точечной сварки, включающий измерение в каждом периоде во вторичном контуре действующего значения тока и падения напряжения на электродах, вычисление коэффициента мощности cos ϕ и количества выделившегося за период тепла и регулирование угла включения тиристоров, отличающийся тем, что измерение падения напряжения на электродах производят при максимальном значении сварочного тока, количество выделившегося за период тепла вычисляют с учетом проведенных измерений, сравнивают вычисленное количество тепла с заданным и в соответствии с результатами сравнения изменяют угол включения тиристоров в следующем периоде, причем вычисление выделившегося за период количества тепла производят по формуле

где Q_i - количество теплоты, выделившееся между электродами за i-й период сварочного тока, Дж;

I_д - измеренное за период действующее значение сварочного тока, А;

I_max - максимум значения сварочного тока за период, А;

U_э-э - падение напряжения между электродами, измеренное в момент максимума сварочного тока, В;

t - длительность периода сварочного тока, с;

а изменение угла включения тиристоров осуществляют при условии

где Q_зад - заданное количество теплоты, выделяющейся за период, Дж;

- рассчитываемое для данной машины действующее значение сварочного тока в следующем периоде в зависимости от принятого угла включения тиристоров α_i+1 и коэффициента мощности cos ϕ, А;

- действующее значение полнофазного тока в зависимости от коэффициента мощности cos ϕ, А.