RU2613255C1 - Automatic control method of penetration depth in automatic arc welding - Google Patents
Automatic control method of penetration depth in automatic arc welding Download PDFInfo
- Publication number
- RU2613255C1 RU2613255C1 RU2015142359A RU2015142359A RU2613255C1 RU 2613255 C1 RU2613255 C1 RU 2613255C1 RU 2015142359 A RU2015142359 A RU 2015142359A RU 2015142359 A RU2015142359 A RU 2015142359A RU 2613255 C1 RU2613255 C1 RU 2613255C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- welding
- temperature
- point
- penetration depth
- parameter
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K9/00—Arc welding or cutting
- B23K9/095—Monitoring or automatic control of welding parameters
Landscapes
- Arc Welding In General (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано при сварке любых стыковых соединений без разделки кромок при двухсторонней сварке.The invention relates to welding production and can be used for welding any butt joints without cutting edges in two-sided welding.
Известен способ автоматического регулирования глубины проплавления при автоматической дуговой сварке, при котором изменение какого-либо параметра сварки из-за внешних факторов компенсируется изменением других параметров (см. патент Японии №50-3987, кл. 12В112.4, кл. В23К 9/12, опубл. 13.02.75).There is a method of automatically controlling the penetration depth in automatic arc welding, in which a change in a welding parameter due to external factors is compensated by a change in other parameters (see Japan Patent No. 50-3987, CL 12B112.4,
Данный способ не учитывает влияние на процесс сварки неконтролируемых возмущений, что не позволяет получить качественное сварное соединение.This method does not take into account the influence on the welding process of uncontrolled disturbances, which does not allow to obtain a high-quality welded joint.
Известен способ автоматического регулирования глубины проплавления при автоматической дуговой сварке, при котором задают эталонные значения тока сварки, скорости сварки, напряжения сварки, в процессе сварки измеряют текущие значения указанных параметров, вычисляют разность между текущими и заданными их параметрами и ведут регулирование процесса по полученным разностям, измеряют температуру точки поверхности сварного шва, вычисляют расчетное значение температуры той же точки поверхности шва, вычисляют одновременно с разностями между текущими и заданными параметрами тока сварки, напряжения сварки, скорости сварки, разность между текущим и вычисленным значениями температуры и значение управляемого параметра процесса сварки регулируют согласно уравнениюThere is a method of automatically controlling the penetration depth in automatic arc welding, in which the reference values of the welding current, welding speed, welding voltage are set, during the welding process, the current values of these parameters are measured, the difference between the current and their given parameters is calculated and the process is controlled by the differences obtained, measure the temperature of the point of the surface of the weld, calculate the calculated value of the temperature of the same point of the surface of the weld, calculate simultaneously with the differences between at predetermined welding current and current parameters, welding voltage, welding speed, the difference between the current and the calculated temperature values and the value of the controlled parameter of the welding process is controlled according to the equation
где К, l, m, n - известные константы, зависящие от конкретного процесса сварки,where K, l, m, n are known constants depending on the specific welding process,
Io - эталонный ток сварки,I o - reference welding current,
I - текущий ток сварки,I is the current welding current,
Vo - эталонная скорость сварки,V o - reference welding speed,
V - текущая скорость сварки,V is the current welding speed,
Uo - эталонное напряжение сварки,U o - reference welding voltage,
U - текущее напряжение сварки,U is the current welding voltage,
Т - текущее значение температуры,T is the current temperature
Тр - расчетное значение температуры,T p - the estimated temperature
причем в качестве управляющего параметра процесса выбирают ток сварки (см. описание к авторскому свидетельству СССР №10131363, опубл. 23.04.1983).moreover, the welding current is selected as the control parameter of the process (see the description for the USSR author's certificate No. 10131363, publ. 04.23.1983).
Этот способ регулирования глубины проплавления принят за прототип.This method of controlling the depth of penetration is taken as a prototype.
Недостатком данного способа является низкая точность регулирования, так как между действием неконтролируемых возмущений и реакцией на них регулирующего воздействия проходит большой промежуток времени. Это вызвано тем, что регулируемая глубина проплавления расположена в центральной зоне сварочной ванны, а измерение производится на сформировавшемся сварочном шве, на значительном удалении от места основного влияния возмущений, и, следовательно, со значительным запаздыванием. Размеры сварочной ванны реагируют на возмущения с определенным запаздыванием, что связано с большей инерционностью тепловых процессов по отношению к большинству возмущений, например по току, скорости сварки, напряжению дуги. Еще большей инерционностью в отношении реакции на возмущения отличаются зоны, находящиеся за сварочной ванной, на закристаллизовавшемся шве.The disadvantage of this method is the low accuracy of regulation, since a large period of time elapses between the action of uncontrolled disturbances and the reaction of a regulatory action to them. This is because the adjustable penetration depth is located in the central zone of the weld pool, and the measurement is performed on the formed weld, at a considerable distance from the place of the main influence of disturbances, and, therefore, with a significant delay. The dimensions of the weld pool respond to disturbances with a certain delay, which is associated with a greater inertia of the thermal processes with respect to most disturbances, for example, in current, welding speed, and arc voltage. Even more inertia with respect to the reaction to disturbances are the zones located behind the weld pool at the crystallized seam.
В предлагаемом способе регулирования глубины проплавления при автоматической дуговой сварке, включающем задание эталонного значения параметра сварки из группы, включающей ток сварки, скорость сварки и напряжение сварки, вычисление расчетного значения температуры заданной точки поверхности изделия и измерение в процессе сварки температуры заданной точки поверхности изделия, при этом требуемое значение регулируемого параметра сварки определяют из условияIn the proposed method for controlling the penetration depth in automatic arc welding, which includes setting the reference value of the welding parameter from the group including the welding current, welding speed and welding voltage, calculating the calculated temperature value of a given point on the surface of the product and measuring the temperature of a given point on the surface of the product during welding, the required value of the adjustable welding parameter is determined from the condition
(Р-Ро)=(Т-Тт)/М,(R-P o ) = (T-T t ) / M,
где М - константа, определяемая как отношение предельно допустимого изменения температуры на поверхности изделия в заданной точке измерения к предельному допустимому изменению регулируемого параметра сварки при допустимых отклонениях глубины проплавления,where M is a constant, defined as the ratio of the maximum allowable temperature change on the surface of the product at a given measurement point to the maximum allowable change in the adjustable welding parameter for permissible deviations of the penetration depth,
Ро - эталонное значение регулируемого параметра сварки,P about - the reference value of the adjustable welding parameter,
Р - требуемое значение регулируемого параметра сварки,P is the desired value of the adjustable welding parameter,
Тт - измеренное текущее значение температуры заданной точки поверхности изделия,T t - the measured current temperature value of a given point on the surface of the product,
Т - расчетное значение температуры точки поверхности изделия.T is the calculated value of the temperature of the surface point of the product.
В отличие от прототипа предварительно определяют расстояние между осью сварочного электрода и точкой с максимальной глубиной проплавления, а заданную точку для замера температуры выбирают на поверхности изделия за пределами сварочной ванны на линии, перпендикулярной продольной оси сварочной ванны, расположенной на расстоянии от оси электрода, равном 0,8-1,2 упомянутого предварительно определенного расстояния с обеспечением отношения допустимого относительного отклонения регулируемого параметра сварки при максимальной глубине проплавления к допустимому относительному отклонению измеряемой температуры в заданной точке в пределах 0,5-2,0.In contrast to the prototype, the distance between the axis of the welding electrode and the point with the maximum penetration depth is preliminarily determined, and the set point for measuring the temperature is selected on the surface of the product outside the weld pool on a line perpendicular to the longitudinal axis of the weld pool located at a distance from the electrode axis equal to 0 , 8-1.2 of the aforementioned predetermined distance, providing a ratio of the allowable relative deviation of the adjustable welding parameter at a maximum penetration depth detecting a permissible relative deviation of the measured temperature at a given point in the range 0.5-2.0.
Наиболее предпочтительным вариантом способа является такой, при котором в качестве регулируемого параметра используют скорость сварки.The most preferred embodiment of the method is one in which the welding speed is used as an adjustable parameter.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение быстродействия и точности регулирования. Это достигается предварительным определением положения точки вдоль оси сварочной ванны с максимальной глубиной проплавления, выбором точки замера температуры на поверхности изделия вблизи этой точки и расположением точки замера в направлении, перпендикулярном оси сварочной ванны в пределах, обеспечивающих необходимую чувствительность измерения температуры.The technical result of the invention is to increase the speed and accuracy of regulation. This is achieved by preliminary determining the position of the point along the axis of the weld pool with the maximum penetration depth, selecting the temperature measuring point on the surface of the product near this point and positioning the measuring point in the direction perpendicular to the axis of the weld pool within the limits that provide the necessary temperature measurement sensitivity.
На фиг. 1 показано поперечное сечение сварочной ванны в плоскости Y0Z.In FIG. 1 shows a cross section of a weld pool in the Y0Z plane.
На фиг. 2 приводится расчетный продольный профиль сварочной ванны; на фиг. 3 даны расчетные термические циклы точки на наружной поверхности пластины на оси шва; на фиг. 4 - расчетные графики распределения температур на наружной поверхности пластины в поперечном сечении с координатой хм максимальной глубины проплавления при номинальном режиме сварки и при изменении скорости сварки до предельно допустимых отклонений; на фиг. 5 - расчетные графики распределения температур на обратной поверхности пластины в поперечном сечении с координатой хм максимальной глубины проплавления при номинальном режиме сварки и при изменении скорости сварки до предельно допустимых отклонений; на фиг. 6 - расчетные графики допустимых относительных отклонений температуры для наружной поверхности пластины; на фиг. 7 - расчетные графики допустимых относительных отклонений температуры для обратной поверхности пластины; на фиг. 8 - расчетные графики допустимых относительных отклонений температуры для наружной поверхности пластины при смещении линии точки замера относительно точки с максимальным проваром; на фиг. 9 приводится схема алгоритма, реализующая предлагаемый способ автоматического регулирования глубины проплавления.In FIG. 2 shows the calculated longitudinal profile of the weld pool; in FIG. 3 shows the calculated thermal cycles of a point on the outer surface of the plate on the axis of the seam; in FIG. 4 - calculated graphs of the temperature distribution on the outer surface of the plate in cross section with the coordinate x m of the maximum penetration depth at the nominal welding mode and when the welding speed is changed to the maximum permissible deviations; in FIG. 5 - calculated graphs of the temperature distribution on the reverse surface of the plate in cross section with coordinate x m of the maximum penetration depth at the nominal welding mode and when the welding speed is changed to the maximum permissible deviations; in FIG. 6 - calculated graphs of permissible relative temperature deviations for the outer surface of the plate; in FIG. 7 - calculated graphs of permissible relative temperature deviations for the reverse surface of the plate; in FIG. 8 - calculated graphs of the permissible relative temperature deviations for the outer surface of the plate with a shift of the line of the measuring point relative to the point with maximum penetration; in FIG. 9 is a diagram of an algorithm that implements the proposed method for automatically controlling the penetration depth.
На фиг. 1 показано поперечное сечение сварочной ванны пластин без разделки кромок с неполной глубиной проплавления при сварке с одной стороны неплавящимся электродом без присадочной проволоки. Но - максимальная глубина проплавления, Во - ширина сварочной ванны на наружной поверхности (со стороны действия сварочной дуги) в сечении с максимальной глубиной проплавления. При регулировании требуется стабилизировать максимальную глубину проплавления. 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.In FIG. 1 shows a cross section of a weld pool of plates without cutting edges with incomplete penetration when welding on one side with a non-consumable electrode without filler wire. Н о - maximum penetration depth, В о - width of the weld pool on the outer surface (from the side of the welding arc) in cross section with the maximum penetration depth. During regulation, it is required to stabilize the maximum penetration depth. In FIG. Figure 1 shows the axes when calculating temperatures — the Y axis perpendicular to the direction of the welding speed, and the Z axis directed from the outer surface of the plate from the side of the welding arc.
Кривая 1 на фиг. 2 представляет расчетный продольный профиль сварочной ванны, полученный с помощью формулы для нормально-кругового источника тепла, движущегося на поверхности плоского слоя (пластины).
Формула для расчета температур при сварке имеет видThe formula for calculating the temperature during welding is
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.where x, y, z are the coordinates of the point relative to the moving coordinate system of the heat source, cm; the x coordinate is in this case positive in the direction opposite to the welding speed.
Т - температура точки, °С;T is the temperature of the point, ° C;
Т0 - начальная температура пластины,°С;T 0 - the initial temperature of the plate, ° C;
t - время с момента начала действия движущегося источника тепла, с;t is the time from the moment the moving heat source began to act, s;
cρ - объемная теплоемкость, Дж/(°С⋅см3);cρ is the volumetric heat capacity, J / (° C⋅cm 3 );
qи - эффективная мощность дуги, Вт;q and - effective arc power, W;
δ - толщина пластины, см;δ is the plate thickness, cm;
а - коэффициент температуропроводности, см2/с;a is the thermal diffusivity, cm 2 / s;
t0=1/4ak - постоянная времени, характеризующая сосредоточенность теплового потока от источника тепла к изделию, с;t 0 = 1 / 4ak - time constant characterizing the concentration of the heat flux from the heat source to the product, s;
k - коэффициент сосредоточенности сварочного источника тепла, см-2;k is the concentration coefficient of the welding heat source, cm -2 ;
Vc - скорость движения источника тепла, см/с;V c is the velocity of the heat source, cm / s;
N - число фиктивных теплоисточников, учитывающих отражение теплоты от поверхностей плоского слоя (пластины).N is the number of fictitious heat sources that take into account the reflection of heat from the surfaces of a flat layer (plate).
Приравняв данное выражение температуре плавления Т1, можно рассчитать максимальную глубину проплавления при координате у=0, то есть найти координаты z, х, при которых Т=T1.Equating this expression with the melting temperature T 1 , we can calculate the maximum penetration depth at the coordinate y = 0, that is, find the coordinates z, x at which T = T 1 .
Величина эффективной мощности определяется по формулеThe value of the effective power is determined by the formula
где ηи - эффективный КПД сварочного источника тепла.where η and is the effective efficiency of the welding heat source.
В качестве управляемого параметра служит номинальная максимальная глубина проплавления (провар) изделия при сварке с одной стороны. Значение такого провара принималось 60% от свариваемой детали толщиной 6 мм и составляет 3,6 мм. Допустимое отклонение провара принималось ±0,6 мм от номинального провара. Таким образом, минимальный допустимый провар составил 3,0 мм, а максимальный допустимый провар 4,2 мм. Следовательно, допустимое отношение [ΔHo/Ho] = ±16,7%.The nominal maximum penetration depth (penetration) of the product during welding on one side is used as a controlled parameter. The value of this penetration was taken as 60% of the welded part with a thickness of 6 mm and is 3.6 mm. The permissible deviation of the penetration was taken ± 0.6 mm from the nominal penetration. Thus, the minimum allowable penetration was 3.0 mm, and the maximum allowable penetration was 4.2 mm. Therefore, the allowable ratio [ΔH o / H o ] = ± 16.7%.
Номинальное значение эффективной мощности источника тепла составило qи=1800 Вт, номинальная скорость сварки Vc=0,43 см/с. Данной эффективной мощности соответствует приблизительно сварочный ток Ic=225 А, при вольтовом эквиваленте эффективной мощности дуги прямой полярности Uэ=8 Вт/А. Номинальные значения теплофизических коэффициентов принимались для высоколегированной стали: объемная теплоемкость cρ=3,476 Дж/(см3°С), коэффициент температуропроводности а=0,0432 см2/с. Плотность осевого теплового потока была выбрана по литературным данным qo=4200 Вт/см2. Коэффициент сосредоточенности сварочного источника тепла составил k=7,33 см-2, диаметр пятна нагрева Dн=1,28 см. Данному коэффициенту сосредоточенности соответствует постоянная времени t0=0,79 секунд. Температура плавления высоколегированной стали принималась T1=1440°С. Номинальная температура деталей перед сваркой принималась Т0=20°С. Таким образом, номинальная расчетная температура плавления (T1-T0) составляла 1420°С.The nominal value of the effective power of the heat source was q and = 1800 W, the nominal welding speed V c = 0.43 cm / s. This effective power corresponds approximately to the welding current I c = 225 A, with a volt equivalent of the effective power of the arc of direct polarity U e = 8 W / A. Nominal values of thermophysical coefficients were taken for high alloy steel: volumetric heat capacity cρ = 3.476 J / (cm 3 ° С), thermal diffusivity a = 0.0432 cm 2 / s. Axial heat flux density was chosen based on literature data q o = 4200 W / cm2. The concentration coefficient of the welding heat source was k = 7.33 cm -2 , the diameter of the heating spot D n = 1.28 cm. This concentration coefficient corresponds to a time constant t 0 = 0.79 seconds. The melting point of high alloy steel was taken T 1 = 1440 ° C. The nominal temperature of the parts before welding was taken T 0 = 20 ° C. Thus, the nominal design melting temperature (T 1 -T 0 ) was 1420 ° C.
Максимальная глубина проплавления (провар) на фиг. 2 имеет место при координате х=1,1 см, что соответствует моменту времени пересечения осью источника начала координат (ось электрода) tm=1,1/Vc=1,1/0,43=2,56 секунд.The maximum penetration depth (penetration) in FIG. 2 takes place at the coordinate x = 1.1 cm, which corresponds to the time moment when the axis of the source intersects the coordinate origin (electrode axis) t m = 1.1 / V c = 1.1 / 0.43 = 2.56 seconds.
Максимальная ширина сварочной ванны на поверхности, со стороны которой действует сварочная дуга (наружной поверхности), Вм=1,035 см, находится в сечении с координатой х=0,6 см. Ширина сварочной ванны при координате хм=1,1 см, для которой имеет место максимальная глубина проплавления Hо, составляет Во=0,867 см. Длина сварочной ванны по ее оси (при у=0) согласно профилю ванны на фиг. 2 Lв=1,85 см, из них в направлении, противоположном скорости сварки, 1,8 см. Максимальное время нахождения металла сварочной ванны в жидком состоянии tж=Lв/Vc=1,85/0,43=4,3 секунды.The maximum width of the weld pool on the surface from which the welding arc (outer surface) acts, V m = 1,035 cm, is in cross section with the coordinate x = 0.6 cm. The width of the weld pool at the coordinate x m = 1.1 cm, for which has a maximum penetration depth H o , is B o = 0.867 cm. The length of the weld pool along its axis (at y = 0) according to the profile of the bath in FIG. 2 L in = 1.85 cm, of which 1.8 cm in the opposite direction of the welding speed. The maximum residence time of the weld pool metal in the liquid state is t W = L in / V c = 1.85 / 0.43 = 4 , 3 seconds.
Глубина проплавления сварочной ванны вблизи максимума изменяется с низкой интенсивностью. Поэтому длина участка сварочной ванны, на которой глубина проплавления отличается от максимальной глубины Hо=0,36 см всего на 0,01 см (2,8%) на фиг. 2 составляет 0,4 см (от х=0,9 см до х=1,3 см). В пределах этой зоны рекомендуется выбирать точку на поверхностях пластины в направлении, перпендикулярном оси сварочной ванны, находящуюся вне сварочной ванны. Отношение минимальной координаты с проваром Н=0,35 см к координате с максимальным проваром Hо=0,36 см составляет 0,82, а максимальной координаты с проваром 0,35 см 1,3/1,1=1,18. Можно принять, что отношение координат, внутри которого обеспечивается необходимая точность регулирования, составляет от 0,8 до 1,2 координаты точки с максимальной глубиной проплавления. Перемещение точки замера в направлении оси сварочной ванны (по направлению скорости сварки) позволяет выбрать оптимальную точку с позиции синхронности изменений температуры в этой точке и максимальной глубины проплавления.The penetration depth of the weld pool near the maximum varies with low intensity. Therefore, the length of the section of the weld pool at which the penetration depth differs from the maximum depth H about = 0.36 cm by only 0.01 cm (2.8%) in FIG. 2 is 0.4 cm (from x = 0.9 cm to x = 1.3 cm). Within this zone, it is recommended to select a point on the plate surfaces in a direction perpendicular to the axis of the weld pool, located outside the weld pool. The ratio of the minimum coordinate with a penetration of H = 0.35 cm to the coordinate with a maximum penetration of H o = 0.36 cm is 0.82, and the maximum coordinate with a penetration of 0.35 cm is 1.3 / 1.1 = 1.18. It can be assumed that the ratio of the coordinates within which the necessary control accuracy is ensured is from 0.8 to 1.2 the coordinates of the point with the maximum penetration depth. Moving the measuring point in the direction of the axis of the weld pool (in the direction of the welding speed) allows you to select the optimal point from the position of synchronism of temperature changes at this point and the maximum penetration depth.
Положение координаты точки сварочной ванны с максимальным проваром можно определить предварительно перед сваркой расчетным путем с помощью уравнения (2) или опытным путем.The position of the coordinate of the point of the weld pool with maximum penetration can be determined previously before welding by calculation using equation (2) or empirically.
На фиг. 3 кривая 1 представляет расчетный график изменения температур вдоль оси X в точке или термический цикл точки по оси сварочной ванны во времени (для оси времени t) (если координаты х разделить на скорость сварки Vc) при номинальном режиме сварки, приведенном выше. При температурах выше температуры плавления температура поверхности ванны принята постоянной, равной температуре плавления стали и поэтому кривая термического цикла параллельна оси X. На расстоянии 1 см от конца сварочной ванны в направлении, противоположном направлению скорости сварки (координата х=2,8 см), температура поверхности достигает 1067°С. Этому соответствует момент времени от начала оси времени 2,8/0,43=6,51 секунды. Таким образом, измерение температуры в этой точке отстает по времени на 3,95 секунды от изменений, которые происходят в точке с максимальной глубиной провара. При изменении скорости сварки до максимального значения Vc=0,5 см/c, обеспечивающего минимально допустимый провар Н=0,3 см, температура точки с координатой х=2,8 см уменьшается до 998°С, что составляет - 6,5% от номинальной температуры. Эта чувствительность по абсолютной величине меньше относительного отклонения скорости сварки, составляющей 16,3%, в 2,5 раза и почти во столько же меньше относительного изменения максимальной глубины проплавления (16,7%). При изменении скорости сварки до минимального значения Vc=0,39 см/с, обеспечивающего максимально допустимый провар Н=0,42 см, температура точки с координатой х=2,8 см увеличивается до 1116°С, что составляет +4,6% от номинальной температуры. Эта чувствительность по абсолютной величине меньше относительного отклонения скорости сварки, составляющей 9,3%, в 2,0 раза.In FIG. 3,
Таким образом, чувствительность температуры точки замера на оси шва к возмущениям по скорости сварки в 2,0-2,5 раза меньше, чем чувствительность максимальной глубины проплавления к изменению скорости сварки. Это дополнительно свидетельствует о нецелесообразности выбора точки замера температуры на оси шва за пределами сварочной ванны по известному способу регулирования.Thus, the sensitivity of the temperature of the measuring point on the weld axis to perturbations in the welding speed is 2.0-2.5 times less than the sensitivity of the maximum penetration depth to a change in the welding speed. This additionally indicates the inappropriateness of the choice of the temperature measurement point on the axis of the weld outside the weld pool by a known method of regulation.
Кривая 2 на фиг. 3 представляет график изменения температур вдоль оси X на расстоянии у=0,75 см от оси сварочной ванны. При делении координаты х на скорость сварки Vc этот график будет являться термическим циклом точки. Максимальная температура точки составляет 641°С, а температура с координатой х=1,1 см, совпадающей по времени с координатой максимальной глубины проплавления, 588°С. Последняя температура при действии любых возмущений, в том числе неконтролируемых, изменяется по времени близко с изменением провара.
На фиг. 4 кривая 1 представляет расчетную кривую распределения по оси Y температур при сварке на наружной поверхности пластины за пределами сварочной ванны с продольной координатой хм=1,1 см, равной координате с максимальной глубиной проплавления. Параметры сварки номинальные.In FIG. 4,
Кривая 2 на фиг. 4 представляет расчетную кривую распределения температур в тех же точках при увеличении скорости сварки до 0,5 см/с, при которой достигается установленный минимум глубины проплавления Н=0,3 см.
Кривая 3 на фиг. 4 представляет расчетную кривую распределения температур в тех же точках при уменьшении скорости сварки до 0,39 см/с, при которой достигается установленный максимум глубины проплавления Н=0,42 см.
Сравнение кривых 1, 2, 3 на фиг. 4 указывает, что относительное отклонение температур (чувствительность) при уменьшении скорости сварки выше, чем при увеличении. Это связано с тем, что при уменьшении скорости сварки увеличивается отражение тепла от обратной плоскости пластины.Comparison of
Аналогично кривая 1 на фиг. 5 представляет кривую распределения температур на обратной плоскости пластины при номинальной скорости сварки 0,43 см/с, кривая 2 - при предельной скорости 0,5 см/с, кривая 3 - при предельной скорости 0,39 см/с.Similarly,
Сравнение кривых на фиг. 5 также указывает, что отклонение температур при уменьшении скорости сварки выше, чем при увеличении.Comparison of the curves in FIG. 5 also indicates that the temperature deviation with a decrease in welding speed is higher than with an increase.
Кривая 1 на фиг. 6 представляет расчетное допустимое отрицательное относительное отклонение (чувствительность) температур в процентах в зависимости от изменения положения точки вдоль оси Y для положительного приращения скорости сварки, а кривая 2 - для отрицательного. Зависимости приведены для наружной стороны пластины.
Из зависимостей, приведенных на фиг. 6, следует, что относительное изменение температуры при изменении скорости сварки до предельных значений с удалением от оси сварочной ванны возрастает при достаточно высоком абсолютном отклонении температуры.From the dependencies shown in FIG. 6, it follows that the relative temperature change with a change in the welding speed to limit values with increasing distance from the axis of the weld pool increases with a sufficiently high absolute temperature deviation.
Кривая 1 на фиг. 7 представляет расчетное допустимое отрицательное относительное отклонение температур (чувствительности) в % в зависимости от изменения положения точки вдоль оси Y для положительного приращения скорости сварки, а кривая 2 - для отрицательного. Зависимости приведены для обратной стороны пластины.
Как видно из графиков на фиг. 6, 7, чувствительность температуры точки к отклонениям скорости на обратной плоскости пластины выше, чем на наружной, и также возрастает с увеличением расстояния от оси сварочной ванны.As can be seen from the graphs in FIG. 6, 7, the sensitivity of the point temperature to speed deviations on the reverse plane of the plate is higher than on the outer one, and also increases with increasing distance from the axis of the weld pool.
Выбирать поверхность, на которой будет производиться измерение температуры точки, следует исходя из условий сварки, лучшей доступности поверхности для контроля и минимума создаваемых при измерениях помех.The surface on which the temperature of the point will be measured should be selected based on the welding conditions, better accessibility of the surface for monitoring and the minimum noise generated during measurement.
На фиг. 8 приведены графики относительного изменения температур в точке замера на наружной плоскости по оси Y с координатой х=0,88 см. Кривая 1 представляет зависимость для минимальной скорости сварки Vc=0,39 см/с, обеспечивающей допустимую глубину проплавления Н=0,42 см, а кривая 2 - для максимальной скорости Vc=0,5 см/с, обеспечивающей глубину проплавления Н=0,3 см. Сравнение относительных отклонений (чувствительностей) фиг. 8 и фиг. 6 показывает, что они отличаются незначительно. Таким образом, для измерения температуры поверхности пластины может использоваться зона в направлении оси сварочной ванны с координатами х=(0,8-1,2)хм, где хм - координата х точки с максимальной глубиной проплавления.In FIG. Figure 8 shows graphs of the relative temperature changes at the measuring point on the outer plane along the Y axis with the coordinate x = 0.88 cm.
На фиг. 9 показана схема автоматического регулирования по предлагаемому способу. Свариваемое изделие 1 подается в зону сварки со скоростью Vc. Источник питания 2 подключается одним полюсом к изделию, а другим к горелке 3. Между электродом горелки и изделием возбуждается электрическая дуга 4 и расплавляются кромки свариваемого металла. Образуется сварочная ванна 5 и после затвердевания расплавленного металла образуется шов 6 с глубиной проплавления Hо. Процесс сварки контролируется с помощью измерителя скорости сварки 7, фотопирометра 8, измеряющего температуру поверхности пластины вне шва в зоне максимальной глубины проплавления, датчика силы сварочного тока 9 и датчика напряжения сварки 10. Данные с устройств 7-10 поступают в вычислительное устройство 11, где вначале по математической модели нормально-кругового источника тепла на поверхности пластины рассчитывается температура точки по измеренным параметрам процесса, вычисляется разность температур между измеренным значением температуры Тт и вычисленным, а затем вычисляется требуемое значение регулирующего параметра, в данном случае скорости сварки Vc, необходимое для стабилизации максимальной глубины проплавления. Постоянные математической модели и константа регулирования М хранятся в блоке памяти 12.In FIG. 9 shows a diagram of automatic control according to the proposed method. The welded
Значение константы М определяется предварительно расчетным или опытным путем, как отношение предельно допустимого изменения температуры в точке измерения к предельно допустимому изменению регулирующего параметра для допустимых отклонений глубины проплавления. Значение требуемой скорости V устанавливается с помощью устройства регулирования скорости 13 по найденной разности ΔV между измеренной скоростью Vc и вычисленной V.The value of the constant M is determined previously by calculation or empirically, as the ratio of the maximum permissible temperature change at the measuring point to the maximum permissible change in the regulatory parameter for permissible deviations of the penetration depth. The value of the required speed V is set using the
В предлагаемом способе регулирования глубины проплавления точка измерения температуры на поверхности изделия выбирается не на шве, а вне его в зоне сварочной ванны, там, где ванна имеет максимальную глубину проплавления. Это значительно уменьшает различие по времени действия неконтролируемых возмущений на зону максимального провара, для учета влияния которых измеряется температура поверхности изделия, и зону замера температуры. Это позволяет улучшить качество регулирования максимальной глубины проплавления за счет повышения точности регулирования и снижения отставания по времени в реакции регулирующего параметра на действие неконтролируемых возмущений.In the proposed method for regulating the penetration depth, the temperature measuring point on the surface of the product is not selected on the seam, but outside it in the zone of the weld pool, where the bath has a maximum penetration depth. This significantly reduces the time difference between the effects of uncontrolled disturbances on the maximum penetration zone, to take into account the influence of which the surface temperature of the product is measured, and the temperature measurement zone. This allows improving the quality of regulation of the maximum penetration depth by increasing the accuracy of regulation and reducing the time lag in the response of the regulatory parameter to the action of uncontrolled disturbances.
В качестве регулирующего параметра процесса наиболее целесообразно выбирать скорость сварки, так как она не связана напрямую с системой «источник питания - сварочная дуга - сварочная ванна». Изменения скорости сварки практически не сказываются на изменении напряжения сварки и тока сварки, и имеет место наиболее простой и эффективный способ регулирования. Например, при отклонении длины дуги изменится напряжение сварки и из-за взаимодействия с источником питания и ток сварки. Поэтому сложно одновременно отрегулировать такое возмущение, если еще будет иметь место действие неконтролируемого возмущения, например, током сварки. Значение же скорости сварки определяется напрямую, путем суммирования действия контролируемого и неконтролируемого возмущений.It is most expedient to choose the welding speed as the regulating parameter of the process, since it is not directly connected with the system "power source - welding arc - weld pool". Changes in the welding speed practically do not affect the change in the welding voltage and welding current, and the most simple and effective method of regulation takes place. For example, when the arc length deviates, the welding voltage will also change due to interaction with the power source and the welding current. Therefore, it is difficult to simultaneously regulate such a disturbance if an uncontrolled disturbance still takes place, for example, by the welding current. The value of the welding speed is determined directly by summing the actions of controlled and uncontrolled disturbances.
Способ позволяет также избежать измерения разностей установленных параметров процесса сварки (тока сварки, напряжения сварки и скорости сварки) и при расчете разницы температуры в точке измерения пользоваться непосредственно измеренными значениями, так как это позволяет используемая математическая модель. Постоянные параметры математической модели подбираются на основе экспериментов путем установления соответствия между реальными размерами сварочной ванны и режимами сварки.The method also allows to avoid measuring the differences of the set parameters of the welding process (welding current, welding voltage and welding speed) and to use directly measured values when calculating the temperature difference at the measurement point, as this allows the mathematical model used. The constant parameters of the mathematical model are selected on the basis of experiments by establishing a correspondence between the actual dimensions of the weld pool and welding conditions.
Пример. Выбирали возможные точки замера температуры на наружной поверхности пластины при режимах, приведенных для фиг. 2 для расстояния от оси электрода до линии замера температур, перпендикулярной оси X, равного координате с максимальной глубиной проплавления. В качестве регулирующего параметра использовали скорость сварки Vc. Относительные отклонения по допустимым изменениям скорости сварки при допустимых пределах изменения максимальной глубины проплавления составляют +16,3% и -9,3%. Тогда для положительных отклонений скорости сварки рекомендуемые относительные отклонения по изменению температуры точки будет лежать в пределах 16,3(0,5…2)=(8,2…32,6)% и для отрицательных отклонений -9,3(0,5…2,0)=-(4,6…18,6)%. Это выше относительных отклонений, обеспечиваемых при замерах температуры на поверхности шва. На графиках 1, 2 фиг. 6 находим, что найденным диапазонам относительных отклонений по температуре соответствуют координаты y в диапазоне (0,6-1,0) см как для положительных, так и для отрицательных отклонений температуры. Выбираем для контроля и регулирования точку на наружной поверхности с координатой y=0,8 см в середине полученного интервала. Относительное отклонение по скорости сварки для температуры точки составляет согласно фиг. 6 +14,1% и -19,1%, и по глубине проплавления соответственно -9,3% и +16,3%. Получается, что по абсолютной величине чувствительность (относительные отклонения) по температуре точки замера выше, чем по глубине провара. Это способствует повышению точности регулирования. Отношение коэффициентов чувствительности ϕ в данном случае дает ϕ+=9,3/14,1=0,660 для положительных отклонений температуры, ϕ-=16,3/19,1=0,853 для отрицательных отклонений. Находим значение константы регулирования М в этом случае. В качестве предельного отклонения температур имеем для координаты y=0,8 см по данным фиг. 4 приращение температуры ΔT=568-498=70°С.Example. Possible points for measuring the temperature on the outer surface of the plate were selected under the conditions given for FIG. 2 for the distance from the electrode axis to the temperature measurement line perpendicular to the X axis equal to the coordinate with the maximum penetration depth. As a control parameter, the welding speed V c was used . Relative deviations for allowable changes in welding speed with allowable limits for changes in the maximum penetration depth are + 16.3% and -9.3%. Then, for positive deviations of the welding speed, the recommended relative deviations for the change in the temperature of the point will lie in the range 16.3 (0.5 ... 2) = (8.2 ... 32.6)% and for negative deviations -9.3 (0.5 ... 2.0) = - (4.6 ... 18.6)%. This is higher than the relative deviations provided by measuring the temperature on the surface of the seam. In the
Это отклонение должно компенсироваться соответствующим увеличением скорости сварки. При приращении скорости сварки М=ΔT/ΔVc=95/0,07=1357°С⋅с/см. Если отклонение температур составит +35°С, то скорость по отношению эталонной 0,43 см/с следует увеличить на 35/1357=0,026 см/с. Текущее (требуемое) значение скорости сварки Vc=0,43+0,026=0,456 см/с.This deviation should be compensated by a corresponding increase in welding speed. With an increment of the welding speed M = ΔT / ΔV c = 95 / 0.07 = 1357 ° C⋅s / cm. If the temperature deviation is + 35 ° C, then the speed relative to the reference 0.43 cm / s should be increased by 35/1357 = 0.026 cm / s. The current (required) value of the welding speed V c = 0.43 + 0.026 = 0.456 cm / s.
Моделирование приращения температуры при сварке можно выполнить снижением температуры плавления. Тогда для этого случая сварки условная температура плавления составит ΔT1=1420-35=1385°С. Определяли расчетом по уравнению (2) максимальную глубину провара при ΔT1=1385°С и Vc=0,456 см/с. Получили максимальный провар Н=0,358 см, что всего на 0,002 см меньше установленного значения Но=0,36 см.Simulation of the temperature increment during welding can be performed by lowering the melting temperature. Then, for this welding case, the conditional melting temperature will be ΔT 1 = 1420-35 = 1385 ° С. The maximum penetration depth at ΔT 1 = 1385 ° С and V c = 0.456 cm / s was determined by calculation according to equation (2). Received a maximum penetration of H = 0.358 cm, which is only 0.002 cm less than the set value of N o = 0.36 cm.
Аналогично определяется константа М для отрицательных отклонений температуры. В качестве предельного отклонения температур имеем для координаты у=0,8 см по данным фиг. 4 приращение температуры ΔT=403-498=-95°С. Это отклонение должно компенсироваться соответствующим уменьшением скорости сварки. Здесь М=М=ΔT/ΔVc70/0,04=1750°С⋅с/см. Если, например, отклонение температуры составит -40°С, то скорость по отношению эталонной 0,43 см/с следует уменьшить на 40/1750=0,023 см/с. Текущее (требуемое) значение скорости сварки Vc=0,43-0,023=0,407 см/с.Similarly, the constant M is determined for negative temperature deviations. As the maximum temperature deviation, we have for the coordinate y = 0.8 cm according to FIG. 4 temperature increment ΔT = 403-498 = -95 ° C. This deviation should be compensated by a corresponding decrease in welding speed. Here M = M = ΔT / ΔV c 70 / 0.04 = 1750 ° C · s / cm. If, for example, the temperature deviation is -40 ° C, then the speed relative to the reference 0.43 cm / s should be reduced by 40/1750 = 0.023 cm / s. The current (required) value of the welding speed V c = 0.43-0.023 = 0.407 cm / s.
Моделирование снижения температуры при сварке можно выполнить увеличением температуры плавления. Тогда для этого случая сварки условная температура плавления составит ΔT1=1420+40=1460°С. Определяли максимальную глубину провара при 1460°С и 0,407 см/с. Получили максимальный провар Н=0,38 см, что всего на 0,02 см меньше установленного значения Hо=0,36 см.Simulation of temperature reduction during welding can be performed by increasing the melting temperature. Then, for this welding case, the conditional melting temperature will be ΔT 1 = 1420 + 40 = 1460 ° C. The maximum penetration depth was determined at 1460 ° C and 0.407 cm / s. We got the maximum penetration H = 0.38 cm, which is only 0.02 cm less than the set value H o = 0.36 cm.
Изменение координаты x положения точки замера внутри рекомендуемого диапазона (0,8…1,2)xm не изменяет существенно параметров регулирования и значений константы регулирования М.Changing the coordinate x of the position of the measuring point within the recommended range (0.8 ... 1.2) x m does not significantly change the regulation parameters and the values of the regulation constant M.
Способ может быть реализован, например, при наличии математической модели, связывающей параметры процесса сварки с глубиной проплавления. Примером такой модели является движущийся нормально-круговой источник тепла на поверхности плоского слоя.The method can be implemented, for example, in the presence of a mathematical model linking the parameters of the welding process with the penetration depth. An example of such a model is a moving normal circular heat source on the surface of a flat layer.
Поскольку при регулировании глубины проплавления сварочные возмущения действуют в сравнительно небольших пределах, то значения теплофизических коэффициентов и коэффициента сосредоточенности теплового потока k можно принимать постоянными, определяя их из опыта. Верхний предел интегрирования в формуле (2) выбирается на основе достижения установившегося состояния процесса, то есть когда рассчитываемая величина перестает изменяться с наперед заданной точностью. При режимах дуговой сварки эта величина порядка 10 секунд.Since, when controlling the penetration depth, welding perturbations operate in relatively small limits, the values of thermophysical coefficients and the coefficient of concentration of the heat flux k can be taken constant, determining them from experience. The upper limit of integration in formula (2) is selected based on the achievement of a steady state of the process, that is, when the calculated value ceases to change with a predetermined accuracy. In modes of arc welding, this value is about 10 seconds.
Способ повышает быстродействие и точность при регулировании за счет приближения точки замера температуры к зоне с регулируемой глубиной проплавления. Кроме того, нет необходимости вычислять разность между установленными значениями тока сварки и напряжения сварки и измеренными, так как измеренные непосредственно используются для расчета температуры контролируемой точки.The method improves speed and accuracy during regulation by approaching the temperature measurement point to the zone with an adjustable penetration depth. In addition, there is no need to calculate the difference between the set values of the welding current and welding voltage and the measured ones, since the measured ones are directly used to calculate the temperature of the controlled point.
Способ обладает промышленной применимостью, поскольку может быть реализован на стандартных измерительных, вычислительных и управляющих элементах.The method has industrial applicability, because it can be implemented on standard measuring, computing and control elements.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015142359A RU2613255C1 (en) | 2015-10-05 | 2015-10-05 | Automatic control method of penetration depth in automatic arc welding |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015142359A RU2613255C1 (en) | 2015-10-05 | 2015-10-05 | Automatic control method of penetration depth in automatic arc welding |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2613255C1 true RU2613255C1 (en) | 2017-03-15 |
Family
ID=58458307
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015142359A RU2613255C1 (en) | 2015-10-05 | 2015-10-05 | Automatic control method of penetration depth in automatic arc welding |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2613255C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2676935C1 (en) * | 2017-10-30 | 2019-01-11 | Частное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования Технический учебный центр "Спектр" | Method of regulating depth of melting in automatic welding |
| RU2691824C1 (en) * | 2018-04-10 | 2019-06-18 | Частное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования Технический учебный центр "Спектр" | Method for controlling penetration depth during arc automatic welding |
| RU2704676C1 (en) * | 2018-11-26 | 2019-10-30 | Владимир Петрович Сидоров | Method for determination of basic metal penetration area during arc welding |
| RU2707287C2 (en) * | 2018-01-09 | 2019-11-26 | Частное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования Технический учебный центр "Спектр" | Method of controlling penetration depth during automatic arc welding |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2018471A (en) * | 1978-03-23 | 1979-10-17 | Boc Ltd | Controlling depth of weld penetration |
| SU1013163A1 (en) * | 1982-02-01 | 1983-04-23 | Московское Ордена Ленина, Ордена Октябрьской Революции И Ордена Трудового Красного Знамени Высшее Техническое Училище Им. Н.Э.Баумана | Method of automatic regulating of welding depth in automatic arc welding |
| SU1320030A1 (en) * | 1983-01-10 | 1987-06-30 | Челябинский Политехнический Институт Им.Ленинского Комсомола | Current-conducting nozzle |
| SU1346369A1 (en) * | 1985-10-28 | 1987-10-23 | МВТУ им.Н.Э.Баумана | Method of automatic control of fusion depth in welding with nonconsumable electrode |
| JPH0523851A (en) * | 1991-07-24 | 1993-02-02 | Nkk Corp | Penetration depth control method for all position welding |
-
2015
- 2015-10-05 RU RU2015142359A patent/RU2613255C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2018471A (en) * | 1978-03-23 | 1979-10-17 | Boc Ltd | Controlling depth of weld penetration |
| SU1013163A1 (en) * | 1982-02-01 | 1983-04-23 | Московское Ордена Ленина, Ордена Октябрьской Революции И Ордена Трудового Красного Знамени Высшее Техническое Училище Им. Н.Э.Баумана | Method of automatic regulating of welding depth in automatic arc welding |
| SU1320030A1 (en) * | 1983-01-10 | 1987-06-30 | Челябинский Политехнический Институт Им.Ленинского Комсомола | Current-conducting nozzle |
| SU1346369A1 (en) * | 1985-10-28 | 1987-10-23 | МВТУ им.Н.Э.Баумана | Method of automatic control of fusion depth in welding with nonconsumable electrode |
| JPH0523851A (en) * | 1991-07-24 | 1993-02-02 | Nkk Corp | Penetration depth control method for all position welding |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2676935C1 (en) * | 2017-10-30 | 2019-01-11 | Частное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования Технический учебный центр "Спектр" | Method of regulating depth of melting in automatic welding |
| RU2707287C2 (en) * | 2018-01-09 | 2019-11-26 | Частное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования Технический учебный центр "Спектр" | Method of controlling penetration depth during automatic arc welding |
| RU2691824C1 (en) * | 2018-04-10 | 2019-06-18 | Частное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования Технический учебный центр "Спектр" | Method for controlling penetration depth during arc automatic welding |
| RU2704676C1 (en) * | 2018-11-26 | 2019-10-30 | Владимир Петрович Сидоров | Method for determination of basic metal penetration area during arc welding |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2613255C1 (en) | Automatic control method of penetration depth in automatic arc welding | |
| Liu et al. | Control of 3D weld pool surface | |
| JP3200613U (en) | System for induction heating of consumables during the laser arc hybrid process | |
| CN104428099A (en) | Method and system for submerged arc welding | |
| Sharma et al. | Mathematical model of bead profile in high deposition welds | |
| US20120273473A1 (en) | Systems and methods to control gas tungsten arc welding and plasma arc welding | |
| CN104768693A (en) | Arc welding power supply and method of controlling an arc welding system with control of the heat input in the welding operation | |
| RU2735847C1 (en) | Method for controlling penetration depth during arc automatic welding | |
| JP2018517565A5 (en) | ||
| JP2019000854A (en) | Welding system and welding method | |
| RU2691824C1 (en) | Method for controlling penetration depth during arc automatic welding | |
| RU2497644C2 (en) | Multiarc welding of welded blanks | |
| RU2015135846A (en) | METHOD FOR CONTINUOUS CASTING OF A TITANIUM OR TITANIUM ALLOY | |
| RU2676935C1 (en) | Method of regulating depth of melting in automatic welding | |
| RU2650461C1 (en) | Method of regulation the maximum width of the welding pool while automatic welding | |
| RU2593244C1 (en) | Method for two-side arc welding of tee joints | |
| EP2808116A2 (en) | Welding control method and control device | |
| SU1013163A1 (en) | Method of automatic regulating of welding depth in automatic arc welding | |
| RU2632751C1 (en) | Method of control of arc deflection from joint of fusion edges | |
| RU2623533C1 (en) | Method of arc welding with piece coated electrodes | |
| RU2504462C1 (en) | Method of contact butt welding with preheating and temperature control over different cross-section articles | |
| RU2707287C2 (en) | Method of controlling penetration depth during automatic arc welding | |
| Belous et al. | System for automatic regulation of position of tungsten electrode in narrow-gap magnetically controlled arc welding of titanium | |
| JP5511462B2 (en) | Plasma MIG welding method | |
| WO1982003351A1 (en) | Method of controlling welding with rod electrode |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171006 |