ИЗМЕРЕНИЕ И РЕГИСТРАЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В УСЛОВИЯХ НЕСТАЦИОНАРНОГО ДУГОВОГО РАЗРЯДА ПРИ СВАРКЕ

АННОТАЦИЯ

Актуальность выбранной темы обусловлена увеличением доступности цифровых запоминающих осциллографов (регистраторов) на проводящих наблюдения параметров режима сварки, а именно величин напряжения и сварочного тока, для опытов, связанных со сварочными процессами при разработке новых технологий сварки или для контроля качества сварных соединений.

Ключевые слова: контроль режимов сварки, цифровой осциллограф, напряжение.

Keywords: welding, oscilloscope, voltage, oscillations, quality control.

Подготовка производства сварных конструкций включает в себя расчет режимов сварки, при которых будет выполняться то или иное сварное соединение. Обычно расчет предполагает поиск такого режима сварки, при котором тепловложение будет минимальным, что приведет к экономии электроэнергии и уменьшению деформаций, возни­кающих в конструкциях после выполнения сварки, но достаточными для формирования качественного сварного соединения, соответствую­щего требованиям, предъявляемым к механическим свойствам, химическом составу и геометрическим параметрам шва без образования разного рода дефектов.

В общей практике основными параметрами процесса сварки являются: диаметр электродной проволоки, скорость сварки, величина падения напряжения на дуге, величина сварочного тока, его полярность и род [1]. Если рассматривать основные параметры, то можно поделить их на две условные группы: 1) те, которые могут изменяться во время процесса сварки, вне зависимости от того, необходимо это или нет; 2) те, которые не изменяются совсем, то есть, изменятся на пренебрежительно малую величину или изменяются только при необходимости.

Ко второй группе параметров относятся диаметр электродной проволоки, скорость сварки, род тока и его полярность. Несмотря на то, что проволока по всей длине может иметь некоторые отклонения от заданной формы и химического состава, на современных метал­лургических производствах, выпускающих сырьё для изготовления сварочных материалов, осуществляют контроль за тем, чтобы эти параметры не выходили за допустимые рамки [2].

Скорость сварки при ручной дуговой или механизированной сварке задается именно скоростью перемещения электрода непосредственно самим сварщиком. Исходя из этого, при ручном или полуавтоматическом способе сварки нет возможности поддерживать скорость совершенно постоянной (физиологический фактор), но в большинстве случаев, благодаря навыкам, рабочий может поддерживать её относительно ровной, что обеспечивает формирование шва с заданными параметрами. При автоматическом способе скорость сварки постоянная.

Род тока и его полярность самопроизвольно изменяться непосредственно во время сварки не могут, т. к. они зависят от устройства источника питания дуги.

Величина тока и напряжения на дуге - физические величины, колебания, которых зависят от большого ряда факторов, которые не всегда можно заранее определить. Так, например, величина напряжения на дуге тесно связана с её длиной. При увеличении длины дуги увеличивается и напряжение, и наоборот. При ручном или механизированном способе сварки изменение длины, а следственно, и изменение напряжения на дуге, производится вручную, непосредственно самим сварщиком: он варьирует её, приближая торец электрода или отдаляя его от поверхности изделия, для получения стабильного сварочного процесса. В большинстве случаев такие манипуляции совершаются многократно. При автоматическом способе сварки, где применяются автоматы с реализованным принципом принудительного регулирования длины дуги или саморегулирования длины дуги [3] изменение длины происходит под действием выбранного вида регулирования.

В целом следует учитывать, что на рассмотренные выше колебания длины дугового промежутка, следственно, и изменение напряжения, влияет также частое колебание капли расплавленного металла на торце электрода, магнитное дутьё, неровная поверхность изделия и прочее.

Колебание сварочного тока в процессе сварки тесно связано с колебанием напряжения. Связь изменения величины тока и напряжения зависит от вольтамперной характеристики дуги и источника питания [4].

В итоге, именно значения сварочного тока и величин напряжения на дуге, как имеющие возможность изменяться в большом диапазоне из-за множества факторов, являются параметрами процесса сварки, для которых необходим постоянный контроль. Для осознания важности контроля тока и напряжения, стоит также отметить влияние величины тока и напряжения на геометрию сварного шва: при неизменных прочих параметрах увеличение напряжения приводит к увеличению ширины шва (рис. 1.а), а увеличение тока (при неизменных прочих параметрах) приводит к увеличению глубины проплавления (рис. 1.б) [5]. Поэтому анализ величины и времени колебаний данных параметров может дать представление о геометрических параметрах шва по всей его длине.

Рисунок 1. Влияние параметров режима сварки на геометрию шва: а - при увлечении напряжения, б - при увеличении сварочного тока

В опытах, связанных со сварочными процессами, устанавливаются значения конкретных параметров режима сварки и прочих величин, исходя из которых делаются необходимые выводы. При использовании аналоговых стрелочных вольтметров и амперметров определение значений величин напряжения на дуге и сварочного тока затруднено, т. к. при частых колебаниях этих величин стрелка аналогового прибора не успевает быстро среагировать на изменение, при чем снятие даже среднего значения величины при этом затрудняется (из-за частого колебания самой стрелки), что приводит к ошибочным результатам измерений. Цифровые вольтметры и амперметры, предназначенные для определения мгновенного значения величины напряжения или тока, обладают таким же недостатком.

Анализ осциллограмм, полученных с помощью запоминающего электронного осциллографа, позволяет получить результат, более приближенный к реальности, за счет того, что имеются мгновенные значения тока и напряжения, снятых с определенной частотой на протяжении всего процесса.

На рис. 2 точками изображены режимы определенные с помощью аналоговых стрелочных амперметра и вольтметра, при автоматической сварке под флюсом, с различной скоростью подачи проволоки и различных её диаметрах. Точки могут быть использованы для определения статистических характеристик саморегулирования дуги.

Рисунок 2. Режимы сварки значение которых получены с помощью аналоговых приборов

Одновременно с фиксацией значений с помощью аналоговых при­боров велась запись значений напряжения и тока с помощью цифрового запоминающего осциллографа с частотой 333000 измерений в секунду.

Для определения режимов полученные с помощью осциллограмм данные обработаны следующим образом: для конкретного режима вручную выбирался уровень, около которого колебались значения сварочного тока/напряжения (рис. 3).

Рисунок 3. Фрагмент осциллограммы с указательным уровнем

После чего, выбирался участок длительностью порядком 500 – 1500 мс и по нему выводились значения в текстовом виде; при частоте записи 333 КГц текстовый файл записи 1 сек содержит, соответственно, 333000 значений (рис. 4).

Рисунок 4. Фрагменты текстового файла с данными

Данные в текстовом виде несут в себе сигнал, соответствующий величине тока и истинное значение напряжения (рис. 4а). По ним, с помощью преобразования сигнала, находятся среднее значения тока и истинного значения напряжения на выбранном участке (рис. 4b).

На рис. 5 точками указаны режимы, полученные с помощью цифрового запоминающего осциллографа для тех же опытов, на основе которых построены режимы на рис. 2.

Рисунок 5. Режимы сварки, значение которых сняты с осциллограмм

Очевидно, что построить относительно точно статические характеристики с помощью данных, полученных с приборов визуально (рис. 2) не представляется возможным, кроме как для характеристики, соответствующей скорости подачи 131 м/ч и диаметра электродной проволоки 4 мм, в то время, как по данным, полученным с помощью обработки осциллограмм, можно более уверено построить как статистические характеристики, так и, при необходимости вольт­амперные характеристики применяемого источника питания.

Как показывают исследования, использование стационарных амперметров и вольтметров, не всегда обеспечивает достаточно досто­верный результат и требует большого объема экспериментальных данных для сбора необходимой статистики. Следует отметить, что точность снятий показаний также зависит от наблюдателя, снимающего показания и особенностей самого процесса. Для обработки осциллограмм, записанных с помощью цифрового запоминающего осциллографа, и получения нужных данных требуется навык работы с компьютерными программами и цифровым осциллографом.

При разработке принципиально новых технологий (например, в работах [6, 7]), высокоскоростная регистрация параметров режима сварки является наиболее экономически обоснованным подходом к получению экспериментальных данных.

Список литературы:

1. Андреев С.Б. Основы сварки судовых конструкций. — СПб.: Судостроение, 2006. — 279 с.
2. ГОСТ 2246-70. Проволока стальная сварочная. Технические условия - Введ. 1973-01-01. — М.: Изд-во стандартов, 2004. — 16 с.
3. Автоматизация сварочных процессов: учебное пособие / под ред. В.К. Лебедева, В.П. Черныша. — Киев: Вища школа, 1986. — 296 с.: ил.
4. Критический анализ существующих представлений о саморегулировании дуги при сварке плавящимся электродом/ Патон Б.Е. [и др.] // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. – 2015. – № 4. – С. 38-47.
5. Технология и оборудование сварки плавлением: учебник для студентов вузов / под ред. Г.Д. Никифорова. — М.: Машиностроение, 1978. — 327 с. с ил.
6. Карпов В.М. Упрощенное программирование сварочных процессов на java-совместимом языке ввода команд XML / В.М. Карпов, А.В. Владимиров, В.В. Мурзин // Морские интеллектуальные технологии. – 2014. – № 26. – С. 84-91.
7. Технология цифрового синтеза импульсной сварки судовых конструкций из алюминиевых сплавов / В.М. Карпов [и др] // Морские интеллектуальные технологии. – 2014. – № 3. – С. 94-100.