RU2676935C1 - Method of regulating depth of melting in automatic welding - Google Patents
Method of regulating depth of melting in automatic welding Download PDFInfo
- Publication number
- RU2676935C1 RU2676935C1 RU2017137927A RU2017137927A RU2676935C1 RU 2676935 C1 RU2676935 C1 RU 2676935C1 RU 2017137927 A RU2017137927 A RU 2017137927A RU 2017137927 A RU2017137927 A RU 2017137927A RU 2676935 C1 RU2676935 C1 RU 2676935C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- arc
- welding
- deviation
- joint
- 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
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Arc Welding In General (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано при сварке стыковых соединений без разделки кромок при односторонней и двухсторонней дуговой сварке и при сварке корневого слоя шва стыковых соединений с разделкой кромок.The invention relates to welding production and can be used when welding butt joints without cutting edges in one-sided and two-sided arc welding and when welding the root layer of a seam of butt joints with cutting edges.
Известен способ автоматического регулирования глубины проплавления при автоматической дуговой сварке, при котором задают эталонные значения тока сварки, скорости сварки и напряжения сварки, вычисляют разности между текущими и заданными их параметрами, ведут регулирование 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, разность между текущим и вычисленным значением температуры и значение управляемого параметра процесса сварки регулируют согласно уравнениюThere is a method of automatically controlling the depth of penetration in automatic arc welding, which sets the reference values of the welding current, welding speed and welding voltage, calculates the differences between the current and their specified parameters, adjusts the differences obtained, measures the temperature of the surface point of the weld, calculates the calculated value the temperature of the same point on the surface of the weld, they are calculated simultaneously with the differences between the current and specified parameters of the welding current, welding voltage, the difference between the current and calculated temperature value and the value of the controlled parameter of the welding process is regulated according to the equation
f(I-IO)+l(V-VO)+m(U-UO)+j(T-TP)=0,f (II O ) + l (VV O ) + m (UU O ) + j (TT P ) = 0,
где f, l ,m, j - известные константы, зависящие от конкретного процесса сварки;where f, l, m, j are known constants depending on the specific welding process;
I - эталонный ток сварки;I - reference welding current;
IO - текущий ток сварки;I O - current welding current;
V - эталонная скорость сварки;V is the reference welding speed;
VO - текущая скорость сварки;V O - current welding speed;
U - эталонное напряжение сварки;U is the reference welding voltage;
UO - текущее напряжение сварки;U O - current welding voltage;
Т - текущее значение температуры;T is the current temperature;
ТР - расчетное значение температуры.T P is the calculated temperature value.
(см. формулу изобретения к авторскому свидетельству СССР №1013163, опубл. 23.04.1983 г., Бюл. №15).(see the claims to the USSR copyright certificate No. 1013163, publ. 04/23/1983, Bull. No. 15).
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 made 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.
Известен способ регулирования глубины проплавления при автоматической дуговой сварке, включающий 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 условияA known method of controlling the depth of penetration in automatic arc welding, including 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
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,
Р - требуемое значение регулируемого параметра сварки,P is the desired value of the adjustable welding parameter,
РO - эталонное значение регулируемого параметра сварки,P O - reference value of the adjustable welding parameter,
ТТ - измеренное текущее значение температуры заданной точкиT T - the measured current temperature value of a given point
поверхности изделия,product surface
Т - расчетное значение температуры точки поверхности изделия,T is the calculated value of the temperature of the surface point of the product,
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 (см. патент РФ №2613255, опубл. 15.03.2017, бюл. №8).pre-determine the distance between the axis of the welding electrode and the point with the maximum penetration depth, and the set point for measuring 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 axis of the electrode equal to 0.8-1 , 2 of the aforementioned predetermined distance, ensuring the ratio of the permissible relative deviation of the adjustable welding parameter at the maximum penetration depth to the permissible the relative deviation of the measured temperature at a given point in the range of 0.5-2.0 (see RF patent No. 2613255, publ. March 15, 2017, bull. No. 8).
Этот способ автоматического регулирования глубины проплавления сварочной ванны является самым близким аналогом к предлагаемому решению.This method of automatically controlling the penetration depth of the weld pool is the closest analogue to the proposed solution.
Технической проблемой при реализации известного способа является то, что он не позволяет учесть влияние возмущения такой физической природы, как отклонение сварочной дуги от стыка, так как при приближении теплового пятна дуги к точке замера температура в ней будет увеличиваться, в то время как глубина проплавления будет уменьшаться. По изменению температуры в одной точке замера нельзя установить, что произошло отклонение дуги от стыка. Это приводит к тому, что при отклонении дуги от стыка регулирование может нарушаться.The technical problem in the implementation of the known method is that it does not allow to take into account the influence of perturbations of such a physical nature as the deviation of the welding arc from the joint, since when the heat spot of the arc approaches the measuring point, the temperature in it will increase, while the penetration depth will be to decrease. By changing the temperature at one measurement point, it cannot be established that the arc deviated from the joint. This leads to the fact that when the arc deviates from the junction, regulation may be violated.
В известном способе регулирования глубины проплавления при автоматической дуговой сварке, включающий 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 математического выражения, 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 the known method for controlling the depth of penetration in automatic arc welding, which includes setting a reference value for a 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 mathematical expression, pre-determine the distance between the axis of the welding e the electrode and the point with the maximum penetration depth, and the set point for measuring 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 with ensuring the ratio of the permissible relative deviation of the adjustable welding parameter at the maximum penetration depth to the permissible relative deviation of the measured temperature in a given t chke in the range of 0.5-2.0.
В отличие от прототипа предварительно получают эталонное распределение температур поверхности вдоль линии, перпендикулярной стыку, проходящую через точку замера температуры, измеряют температуру во второй точке этой линии, расположенной относительно стыка симметрично первой точке, по разности измеренных температур точек и эталонному распределению температур определяют отклонение сварочной дуги от стыка и отклонение температур в точках замера от эталонного значения температуры, вызванное отклонением дуги от стыка и используют их для расчета регулируемого параметра сварки по математическому выражениюIn contrast to the prototype, a reference distribution of surface temperatures along a line perpendicular to the joint passing through the temperature measuring point is preliminarily obtained, the temperature is measured at the second point of this line located symmetrically to the joint relative to the joint, the deviation of the welding arc is determined by the difference in the measured point temperatures and the reference temperature distribution from the junction and the temperature deviation at the measuring points from the reference temperature value caused by the deviation of the arc from the junction and use them for I am calculating the regulated welding parameter of the mathematical expression
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, при отсутствии отклонения дуги от стыка,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 with allowable deviations of the penetration depth, in the absence of an arc deviation from the junction,
РO - эталонное значение регулируемого параметра сварки,P O - reference value of the adjustable welding parameter,
Р - требуемое значение регулируемого параметра сварки,P is the desired value of the adjustable welding parameter,
Т - расчетное значение температуры точек поверхности изделия при отсутствии отклонения дуги от стыка,T is the calculated value of the temperature of the points on the surface of the product in the absence of deviation of the arc from the joint,
ТБ - большая из измеренных текущих температур точек замера,T B - the largest of the measured current temperatures of the measuring points,
ΔТСБ - изменение температуры точки с большей температурой отΔТ SB - temperature change of a point with a higher temperature from
действия отклонения дуги от стыка.the action of the deviation of the arc from the junction.
ТМ - меньшая из измеренных текущих температур точек замера,T M - the smallest of the measured current temperatures of the measuring points,
ΔТСМ - изменение температуры точки с меньшей температурой от действия отклонения дуги от стыка. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение качества регулирования за счет учета действия в точках замера температур влияния на них отклонения дуги от стыка, создание возможности одновременного регулирования отклонения дуги относительно оси стыка и от действия других возмущений путем измерения температур двух точек, расположенных симметрично относительно стыка. Техническим результатом одновременно является и повышение точности замеров температуры поверхности за счет ее измерения одновременно в двух точках.ΔТ СМ - change in temperature of a point with a lower temperature from the action of arc deflection from the joint. The technical result of the invention is to improve the quality of regulation by taking into account the action at the temperature measurement points of the influence of arc deviation from the joint on them, creating the possibility of simultaneously controlling the arc deviation from the joint axis and from the action of other disturbances by measuring the temperatures of two points located symmetrically relative to the joint. The technical result is at the same time an increase in the accuracy of measurements of the surface temperature due to its measurement simultaneously at two points.
Техническая сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что при измерении температур поверхности в двух точках, симметрично расположенных относительно стыка можно установить как отклонение дуги от стыка, так и воздействие остальных возмущений и устранить их влияние.The technical essence of the invention lies in the fact that when measuring surface temperatures at two points symmetrically located relative to the joint, it is possible to establish both the deviation of the arc from the joint and the effect of other disturbances and eliminate their influence.
На фиг. 1 показано расположение точек замера на поверхности деталей, на фиг. 2 - эталонная зависимость температуры поверхности, на фиг. 3 -профиль глубины проплавления в поперечном сечении по оси Y (профиль провара), на фиг. 4 - зависимость разности температур в точках замера от смещения дуги относительно стыка, а фиг. 5 представлены зависимости изменения температур в точках замера при смещении дуги от стыка, на фиг. 6 - методика определения температуры в точке при отсутствии отклонения дуги от стыка, на фиг. 7 показана схема регулирования глубины проплавления по предлагаемому способу.In FIG. 1 shows the location of the measuring points on the surface of the parts, in FIG. 2 - reference dependence of surface temperature, in FIG. 3 is a profile of the penetration depth in the cross section along the Y axis (penetration profile), in FIG. 4 - dependence of the temperature difference at the measuring points on the displacement of the arc relative to the joint, and FIG. 5 shows the dependences of the temperature change at the measuring points when the arc is shifted from the joint, in FIG. 6 is a methodology for determining the temperature at a point in the absence of an arc deviation from a junction; FIG. 7 shows a scheme for controlling the depth of penetration by the proposed method.
На фиг. 1 показано расположение точек замера на поверхности изделия со стороны действия сварочной дуги. Изделие состоит из двух пластин 1 и 2, собранных под сварку без разделки свариваемых кромок. Линия 3 показывает линию стыка. На поверхности пластин 1 и 2 расположено тепловое пятно 4 сварочной дуги, симметричное относительно линии стыка 3. Центр подвижной системы координат расположен в центре теплового пятна 4, представляющего собой круг. Продольная ось координат X совпадает с линией стыка 3 и направлением скорости сварки, обозначенным на фиг. 1 VC. Положительное направление оси X противоположно направлению сварки. Поперечная ось координат Y перпендикулярна линии стыка 3 и направлению сварки. Точки замера температур Б и М на пластинах 1 и 2 расположены на линии, перпендикулярной оси X, направлению сварки и линии стыка 3. Расстояние точек Б и М от линии стыка 3 одинаково и поддерживается во время сварки постоянным. На фиг. 1 показан также сварочный шов 5. Линия, на которой расположены точки замера Б и М, смещена по оси X от центра координат на величину Δx в сторону, противоположную направлению сварки и расположена в области с максимальной глубиной проплавления, выбирается по известному способу. При смещении дуги в поперечном направлении по оси Y пятно нагрева 4 становится ближе к одной из точек замера температуры, а от второй точки удаляется. В связи с этим температура в одной точке увеличивается, а в другой уменьшается. Эти изменения происходят на различную величину, так как кривая эталонных температур нелинейна. По разности температур, имея эталонное распределение температур по линии, соединяющей точки замера температуры Б и М, можно определить отклонение оси теплового пятна 4 дуги от линии стыка 3. Одновременно при отклонении теплового пятна 4 дуги от линии стыка 3 уменьшается глубина проплавления. Под эталонным распределением температур понимается такое, при котором все параметры процесса сварки имеют номинальные значения и отклонений от них нет, а глубина проплавления также имеет номинальное значение. Эталонное распределение температур может быть получено экспериментальным или экспериментально-расчетным путем.In FIG. 1 shows the location of the measuring points on the surface of the product from the side of the welding arc. The product consists of two
На фиг. 2 представлено эталонное распределение температуры вдоль линии, проходящей через точки замера температуры. Так как распределение температур в направлении оси Y симметрично относительно оси X (линии стыка), то на фиг. 2 представлена одна ветвь этой зависимости в правой четверти полуплоскости T0Y. Температуры точек измеряются за пределами сварочной ванны, поэтому распределение построено для температур меньших температуры плавления металла и не доходит до точки у=0.In FIG. 2 shows a reference temperature distribution along a line through temperature measuring points. Since the temperature distribution in the direction of the Y axis is symmetrical with respect to the X axis (junction line), in FIG. Figure 2 shows one branch of this dependence in the right quarter of the half-plane T0Y. The temperatures of the points are measured outside the weld pool, so the distribution is built for temperatures lower than the melting temperature of the metal and does not reach the point y = 0.
На оси Y фиг. 2 отмечено положение точки Б замера температуры относительно стыка (оси X) и изменения температуры, которые произойдут в этой точке при отклонении теплового пятна дуги на величину Δу=0,2 см При отсутствии смещения теплового пятна от стыка температура в точке Б эталонная ТЭ- При смещении теплового пятна в сторону точки Б эталонное распределение температур также сдвинется на эту величину в этом же направлении. Это можно учесть на эталонной кривой фиг. 2 отысканием температуры при условном изменении положения точки Б на -Δу.On the y axis of FIG. 2, the position of temperature measuring point B relative to the junction (X axis) and temperature changes that occur at this point when the arc heat spot deviates by Δy = 0.2 cm in the absence of a heat spot displacement from the junction, the temperature at reference point B is the reference Т Э - When the heat spot is shifted towards point B, the reference temperature distribution will also shift by this value in the same direction. This can be taken into account in the reference curve of FIG. 2 by finding the temperature with a conditional change in the position of point B by -Δy.
Температура в точке Б в этом случае повысится до ТБ. При удалении пятна нагрева дуги от точки Б на +Δу температура в точке Б понизится до ТМ. Соответственно температура в другой симметричной точке замера М температура будет изменяться противоположно. Разность температур точек будет изменяться единственным образом для данной эталонной зависимости. Реальное смещение оси пятна нагрева и дуги относительно стыка и точек Б и М можно однозначно найти в процессе сварки по разности измеренных температур в двух точках замера, нанося эту разность на кривую эталонной температуры или построив зависимость разности температур точек от смещения дуги. Имеющаяся разность температур (ТБ - ТМ) может быть получена при единственном положении центра дуги относительно стыка. Это возможно потому, что действие других возмущений приводит к одинаковому (эквидистантному) изменению температуры пластин и точек замера и эталонная температурная зависимость смещается выше или ниже, а разность температур точек замера, вызванная смещением дуги от стыка при этом не изменяется. Это позволяет разделить температурное изменение в точках замера температуры за счет отклонения дуги от стыка и от действия остальных возмущений.The temperature at point B in this case rises to T B. With the removal of the arc heating spot from point B by + Δy, the temperature at point B will decrease to T M. Accordingly, the temperature at another symmetrical measuring point M, the temperature will change in the opposite. The temperature difference of the points will change uniquely for a given reference dependence. The actual displacement of the axis of the heating spot and the arc relative to the joint and points B and M can be unambiguously found during the welding process by the difference in measured temperatures at two measurement points, plotting this difference on the curve of the reference temperature or plotting the dependence of the point temperature difference on the arc displacement. The existing temperature difference (T B - T M ) can be obtained with a single position of the center of the arc relative to the joint. This is possible because the action of other perturbations leads to the same (equidistant) change in the temperature of the plates and measuring points and the reference temperature dependence shifts higher or lower, and the temperature difference of the measuring points caused by the displacement of the arc from the joint does not change. This allows us to separate the temperature change at the points of temperature measurement due to the deviation of the arc from the joint and from the action of other disturbances.
Поперечное распределение температур, представленное на фиг. 2 получено с помощью формулы для расчета температур при сварке от нормально-кругового источника тепла действующего на поверхности пластиныThe transverse temperature distribution shown in FIG. 2 is obtained using the formula for calculating temperatures during welding from a normal circular heat source acting on the surface of the plate
где Т - температура точки изделия,°С;where T is the temperature of the product point, ° C;
Т0 - начальная температура пластин изделия,°С;T 0 - the initial temperature of the plates of the product, ° C;
qи - эффективная мощность дуги, Вт;q and - effective arc power, W;
сρ - объемная теплоемкость материала изделия, Дж/(°С см3);cρ is the volumetric heat capacity of the product material, J / (° C cm 3 );
a - коэффициент температуропроводности, см2/с;a is the coefficient of thermal diffusivity, cm 2 / s;
n=N - число натурального ряда чисел, которое показывает номер фиктивного (условного) теплоисточника мощностью qи, учитывающее отражение теплоты от поверхностей плоского слоя (пластины). Число N зависит от требуемой точности вычислений последнего члена ряда в формуле (3). Чем больше число N, тем меньше последний интеграл ряда. Точность быстро повышается с увеличением N. При вычислении температур ограничение числа N производится заданием отношения последнего члена ряда к сумме всех предыдущих членов ряда. При расчетах температур в сталях число N не превышает 10.n = N is the number of the natural series of numbers, which shows the number of a fictitious (conditional) heat source with power q and taking into account the reflection of heat from the surfaces of a flat layer (plate). The number N depends on the required accuracy of the calculations of the last member of the series in formula (3). The larger the number N, the smaller the last integral of the series. Accuracy increases rapidly with increasing N. When calculating temperatures, the number N is limited by setting the ratio of the last member of the series to the sum of all previous members of the series. When calculating temperatures in steels, the number N does not exceed 10.
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;
х, у, z - координаты точки относительно подвижной системы координатx, y, z - coordinates of the point relative to the moving coordinate system
источника теплоты, см; координата х является в данном случае положительной в направлении, противоположном скорости сварки.heat source, cm; the x coordinate is in this case positive in the direction opposite to the welding speed.
δ - толщина пластины, см;δ is the plate thickness, cm;
Vc - скорость движения источника тепла (скорость сварки), см/с;Vc is the velocity of the heat source (welding speed), cm / 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 ;
По формуле (3) можно рассчитать температуру в любой точке пластин.By the formula (3), you can calculate the temperature at any point on the plates.
Формула (3) приводится в статье «Расчет температуры нагрева тонколистового металла нормально-распределенным источником при точечной сварке импульсной дугой» / П.В.Денисов, Г.А. Мирлин // Сварочное производство.- 1974.- №1.- С. 3-6.Formula (3) is given in the article “Calculation of the heating temperature of sheet metal by a normally distributed source in spot welding by a pulsed arc” / P.V. Denisov, G.A. Mirlin // Welding production.- 1974.- No. 1.- S. 3-6.
Величина эффективной мощности qи в формуле (3) при дуговой сварке определяется по формулеThe value of the effective power q and in formula (3) during arc welding is determined by the formula
где ηи - эффективный КПД сварочного источника тепла;where η and is the effective efficiency of the welding heat source;
U - напряжение дуги (сварки), В;U - arc voltage (welding), V;
I - ток дуги, А.I - arc current, A.
Между коэффициентом сосредоточенности k и диаметром пятна нагрева DH нормально-кругового источника тепла существует известная взаимосвязьThere is a known relationship between the concentration coefficient k and the diameter of the heating spot D H of a normally circular heat source
За диаметр пятна нагрева DH обычно принимается такой диаметр, в пределах которого в изделие вводится 95% эффективной мощности qи.The diameter of the heating spot D H is usually taken to be such a diameter within which 95% of the effective power q and is introduced into the product.
Между коэффициентом к и осевым тепловым потоком qО существует взаимосвязьThere is a relationship between the coefficient k and the axial heat flux q О
где qO - тепловой поток в центре источника тепла, Вт/см2.where q O is the heat flux in the center of the heat source, W / cm 2 .
Данная информация приведена в «Теория сварочных процессов» / А.В. Коновалов и [др.]; под ред. В.М. Неровного.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007.-752 с. This information is given in "Theory of welding processes" / A.V. Konovalov and [others]; under the editorship of V.M. Nerovnogo.- M.: Publishing House of MSTU. N.E. Bauman, 2007.-752 p.
Таким образом, известны шесть характеристик нормально-кругового источника тепла (qи, k, qО, DH, t0, qС)» связанных между собой. Источник тепла может быть описан любыми тремя из них, если хотя бы один из них представляет мощность или тепловой поток. Здесь qС представляет средний тепловой поток в пятне нагрева.Thus, six characteristics of a normal circular heat source (q and , k, q О , D H , t 0 , q С ) are interconnected. A heat source can be described by any three of them if at least one of them represents power or heat flux. Here q C represents the average heat flux at the heating spot.
Номинальные значения теплофизических коэффициентов принимались при расчете для высоколегированной стали 304L (США): объемная теплоемкость сρ=3,476 Дж/(см3°С), коэффициент температуропроводности a=0,0432 см2/с. (См. Сидоров, В.П. Двухдуговая двусторонняя сварка неплавящимися электродами в аргоне /В.П. Сидоров, С.А. Хурин. Тольятти: Изд-во ТГУ, 2015. 191 с. С.67-68).Nominal values of thermophysical coefficients were taken into account for high alloyed steel 304L (USA): volumetric heat capacity with ρ = 3.476 J / (cm 3 ° С), thermal diffusivity a = 0.0432 cm 2 / s. (See Sidorov, V.P. Two-Arc Two-Sided Welding by Nonconsumable Electrodes in Argon / V.P. Sidorov, S.A. Khurin. Tolyatti: TSU Publishing House, 2015. 191 p. 67-68).
Плотность осевого теплового потока, была выбрана по литературным данным q0=4200 Вт/см2. Коэффициент сосредоточенности сварочного источника тепла составил k=11 см-2, диаметр пятна нагрева DH=1,04 см. Данному коэффициенту сосредоточенности соответствует постоянная времени t0=0,53 секунд. Номинальная температура деталей перед сваркой принималась Т0=20°С. Параметры источника тепла для кривой на фиг. 2: эффективная мощность qи=1800 Вт, скорость сварки VС=0,43 см/с, толщина пластины δ=0,6 см. Данной эффективной мощности соответствует приблизительно сварочный ток I ≈ 250 А при коэффициенте полезного действия дуги в аргоне ηИ=0,6 и напряжении сварки (дуги) U=12 В.The density of the axial heat flux was selected according to the literature q 0 = 4200 W / cm 2 . The concentration coefficient of the welding heat source was k = 11 cm -2 , the diameter of the heating spot D H = 1.04 cm. This concentration coefficient corresponds to a time constant t 0 = 0.53 seconds. The nominal temperature of the parts before welding was taken T 0 = 20 ° C. The heat source parameters for the curve in FIG. 2: effective power q and = 1800 W, welding speed V C = 0.43 cm / s, plate thickness δ = 0.6 cm. This welding power corresponds to approximately a welding current I ≈ 250 A with an arc efficiency of η And = 0.6 and the welding voltage (arc) U = 12 V.
Теплофизические коэффициенты при расчетах по формуле (3) выбираются усредненными по литературным данным (справочникам), рекомендованным для сварки высоколегированных сталей для некоторой усредненной температуры в зоне сварке, например 500°С.Thermophysical coefficients in the calculations according to formula (3) are selected averaged according to literature data (reference books) recommended for welding high alloy steels for a certain average temperature in the welding zone, for example, 500 ° C.
Тогда коэффициент сосредоточенности сварочной дуги может быть для эталонного режима сварки определен по размерам ширины шва или глубины проплавления. В этом случае при заданных теплофизических коэффициентах и эффективной мощности, приравняв температуру в формуле (3) температуре плавления TL, и задав координату максимального провара, который имеет место на оси шва при у=0 путем изменения координаты х с определенным шагом найдем координату, в которой провар будет максимален. Задача заключается в подборе такого коэффициента сосредоточенности (осевого теплового потока), который обеспечивает совпадение расчетного и экспериментального провара на эталонных параметрах сварки. При наличии компьютерной программы для расчета температур по формуле (3) такая задача является несложной.Then the concentration coefficient of the welding arc can be determined for the reference welding mode by the dimensions of the weld width or penetration depth. In this case, for given thermophysical coefficients and effective power, equating the temperature in formula (3) with the melting temperature T L and setting the coordinate of the maximum penetration that occurs on the weld axis at y = 0 by changing the x coordinate with a certain step, we find the coordinate which penetration will be maximum. The task is to select such a concentration coefficient (axial heat flux), which ensures the coincidence of the calculated and experimental penetration on the reference welding parameters. In the presence of a computer program for calculating temperatures by the formula (3), such a task is not difficult.
Можно определить значения и других коэффициентов в формуле (3) на основе опыта на эталонном режиме. Для определения, например, еще коэффициента температуропроводности а нужно использовать кроме значения максимального провара одновременно значение ширины шва. В этом случае решается система двух уравнений, составленных по формуле (3).You can determine the values and other coefficients in the formula (3) based on the experience in the reference mode. To determine, for example, another coefficient of thermal diffusivity a, it is necessary to use the value of the seam width in addition to the maximum penetration value. In this case, a system of two equations is solved, made up by formula (3).
Графическое решение такой системы можно осуществить путем построения изолиний в координатах «коэффициент сосредоточенности - коэффициент температуропроводности» для заданных уровней провара и ширины шва. Для определения на основе опыта трех коэффициентов в формуле (3) необходимо решить систему трех уравнений с тремя такими неизвестными коэффициентами. Однако для практики вполне достаточно определение из опыта одного коэффициента сосредоточенности. Это обусловлено тем, что при автоматическом регулировании на эталонном режиме сварки отклонения параметров невелики и невелика погрешность от определения усредненных теплофизических коэффициентов таким методом, которая компенсируется получением коэффициента сосредоточенности из опыта. Эталонную зависимость температуры можно получить и чисто экспериментальным путем, например установкой нескольких термопар на различном расстоянии от стыка. С этих термопар необходимо снять значения температур в момент t=Δx/VС, где Δх - выбранное смещение точек замера температуры относительно оси дуги вдоль оси X.A graphical solution to such a system can be achieved by constructing isolines in the coordinates "concentration coefficient - thermal diffusivity" for given levels of penetration and seam width. To determine the three coefficients in the formula (3) based on the experience, it is necessary to solve a system of three equations with three such unknown coefficients. However, for practice, the determination of one concentration coefficient from experience is quite sufficient. This is due to the fact that during automatic control at the reference welding mode, the deviations of the parameters are small and the error from the determination of the averaged thermophysical coefficients by such a method, which is compensated by obtaining the concentration coefficient from experience, is small. The reference temperature dependence can also be obtained by purely experimental means, for example, by installing several thermocouples at different distances from the junction. It is necessary to take the temperature values from these thermocouples at the moment t = Δx / V С , where Δх is the selected offset of the temperature measurement points relative to the arc axis along the X axis.
На фиг. 3 показано поперечное сечение первого сварочного слоя двухстороннего сварочного шва стыкового соединения пластин без разделки кромок с неполной глубиной проплавления. Сплошная кривая 6 показывает поперечное сечение при отсутствии смещения дуги от оси стыка. Пунктирная кривая 7 показывает поперечное сечение шва при смещении дуги от оси стыка. ВО - максимальная ширина сварочной ванны (шва) на наружной поверхности (со стороны действия сварочной дуги). НО - номинальная (эталонная) глубина проплавления шва. При регулировании требуется стабилизировать глубину проплавления НО. На фиг. 3 показаны оси при расчете температур - ось Y - перпендикулярная направлению скорости сварки и ось Z, направленная от наружной поверхности пластины со стороны действия сварочной дуги. Глубина проплавления НО может иметь допустимые отклонения от номинальной глубины ±ΔНО. Чтобы определить изменение глубины проплавления при отклонении пятна нагрева на Δу, нужно сместить профиль поперечного сечения шва 6 на эту величину. Поперечное сечение перейдет в положение, показанное пунктирной кривой 7. Тогда видно, что глубина проплавления НО уменьшится на ΔН. При использовании одной точки замера в случае приближения к ней теплового пятна дуги температура в точке замера будет повышаться. Это приведет к неправильному определению регулируемого параметра сварки по известному способу и еще больше уменьшит глубину проплавления.In FIG. 3 shows a cross section of the first welding layer of a double-sided welding seam of the butt joint of plates without cutting edges with incomplete penetration depth. The
На фиг. 4 представлена зависимость разности температур ΔT в точках замера от поперечного смещения теплового пятна дуги Δу. Зависимость получена с помощью эталонной кривой температур, приведенной на фиг. 2, путем изменения отклонения оси дуги от стыка на Δу. Зависимости, подобные кривой на фиг. 4, могут использоваться непосредственно в регулирующем устройстве для определения отклонения дуги от стыка. Разности температур точек замера (как и любых симметрично расположенных относительно стыка точек) при действии других возмущающих воздействий, помимо отклонения дуги от стыка, будут оставаться такими же, как для эталонного распределения температур. Это позволяет определить величину смещения дуги от стыка по измеренным температурам точек при совместном действии возмущений, включая отклонение дуги от стыка.In FIG. Figure 4 shows the dependence of the temperature difference ΔT at the measuring points on the transverse displacement of the arc heat spot Δу. The dependence is obtained using the reference temperature curve shown in FIG. 2, by changing the deviation of the arc axis from the junction by Δy. Dependencies similar to the curve in FIG. 4, can be used directly in the control device to determine the deviation of the arc from the joint. The temperature differences of the measuring points (as well as any points symmetrically located relative to the joint) under the action of other disturbing influences, in addition to the arc deviation from the joint, will remain the same as for the reference temperature distribution. This allows you to determine the magnitude of the displacement of the arc from the junction from the measured point temperatures under the joint action of disturbances, including the deviation of the arc from the junction.
Методика определения отклонения температуры в одной точке замера от эталонного значения из-за отклонения дуги от стыка выше проиллюстрирована на фиг. 2 и в описании к нему.The methodology for determining the temperature deviation at one measurement point from the reference value due to the deviation of the arc from the junction above is illustrated in FIG. 2 and in the description to it.
На фиг. 5 представлены зависимости изменения температур в точках замера от эталонной температуры при смещении дуги от стыка. Кривая 8 показывает отклонение температуры ΔТСБ для точки замера Б, к которой дуга приближается, а кривая 9 - изменения температуры ΔТСМ для точки замера М, от которой дуга удаляется. Общая разность температур на фиг. 4 складывается из изменений температур точек Б и М от эталонного значения на фиг. 5. В общем случае отклонения температур от эталонного значения для каждой точки различны ΔТСБ≠ΔТСМ.In FIG. Figure 5 shows the dependence of temperature changes at the measuring points on the reference temperature when the arc is displaced from the joint.
На фиг. 6 представлена схема определения температур в одной точке замера при действии других возмущений, исключая отклонение дуги от стыка. Кривая на фиг. 6 представляет положение реального распределения температур вдоль оси Y при действии всех возмущений, в том числе при смещении дуги от стыка. На кривой в точке Б замера измеренная температура ТБ. Из этой температуры вычитаем установленное по разности температур точек отклонение за счет смещения дуги ΔТСБ- В результате получим температуру в точке при действии остальных возмущений ТТ. При известном способе регулирования именно эта температура, но как измеренная, используется для расчета регулируемого параметра сварки. Точка Т на плоскости фиг. 6 показывает положение расчетной температуры точки при действии отклонений остальных параметров процесса и неконтролируемых возмущений, исключая отклонение дуги от стыка. Поэтому математическое выражение для определения регулируемого параметра сварки по предлагаемому способу будет иметь вид (2)In FIG. 6 shows a diagram for determining temperatures at one measurement point under the action of other perturbations, excluding the deviation of the arc from the junction. The curve in FIG. 6 represents the position of the actual temperature distribution along the Y axis under the influence of all perturbations, including when the arc is displaced from the junction. On the curve at the measuring point B, the measured temperature T B. From this temperature we subtract the deviation determined by the temperature difference of the points due to the arc displacement ΔТ СБ - As a result, we obtain the temperature at the point under the influence of other disturbances Т Т. With the known method of regulation, this temperature, but as measured, is used to calculate the adjustable welding parameter. Point T in the plane of FIG. 6 shows the position of the calculated point temperature under the action of deviations of the remaining process parameters and uncontrolled disturbances, excluding the deviation of the arc from the junction. Therefore, the mathematical expression for determining the adjustable welding parameter by the proposed method will have the form (2)
(Р-РO)={Т-[(ТБ-АТСБ)+(ТМ+ΔТСМ)]/2}/М,(R-P O ) = {T - [(T B -AT SB ) + (T M + ΔT CM )] / 2} / 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, при отсутствии отклонения дуги от стыка,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 with allowable deviations of the penetration depth, in the absence of an arc deviation from the junction,
Р - требуемое значение регулируемого параметра сварки;P is the required value of the adjustable welding parameter;
РO - эталонное значение регулируемого параметра сварки;P O - reference value of the adjustable welding parameter;
Т - расчетное значение температуры точки поверхности изделия при отсутствии отклонения дуги от стыка;T is the calculated value of the temperature of the surface point of the product in the absence of deviation of the arc from the junction;
ТБ - большая из измеренных текущих температур точек замера;T B - the largest of the measured current temperatures of the measuring points;
ΔТСБ - изменение температуры точки с большей температурой отΔТ SB - temperature change of a point with a higher temperature from
действия отклонения дуги от стыка;the action of the deviation of the arc from the junction;
ТМ - меньшая из измеренных текущих температур точек замера;T M - the smallest of the measured current temperatures of the measuring points;
ΔТСМ - изменение температуры точки с меньшей температурой отΔТ СМ - change in temperature of a point with a lower temperature from
действия отклонения дуги от стыка.the action of the deviation of the arc from the junction.
Температуры ТТБ=(ТБ- ΔТСБ) и ТТМ=(ТМ+ΔТСМ) теоретически должны быть равными, однако вследствие некоторой неточности измерений температур и других погрешностей они будут несколько отличаться друг от друга. Поэтому для повышения точности определения температуры точек замера без действия отклонения дуги необходимо усреднить два полученных значения. Поэтому в формуле (2) они складываются и делятся на два.The temperatures Т ТБ = (Т Б - ΔТ СБ ) and Т ТМ = (Т М + ΔТ СМ ) should theoretically be equal, however, due to some inaccuracy of temperature measurements and other errors, they will slightly differ from each other. Therefore, to increase the accuracy of determining the temperature of the measuring points without the action of arc deflection, it is necessary to average the two values obtained. Therefore, in the formula (2) they are added and divided into two.
На фиг. 7 показана схема регулирования процесса по предлагаемому способу.In FIG. 7 shows a process control scheme for the proposed method.
Свариваемые пластины 1 и 2 без разделки кромок собраны в стыковое соединение. По оси стыка 3 сварочная горелка 10 с неплавящимся электродом 11 выполняет сварку сварочной дугой 12, в результате чего получается сварочный шов 5. При сварке сварочная горелка 10 остается неподвижной относительно пластин 1 и 2, так как закреплена с помощью тяги 13, а перемещаются в направлении сварки свариваемые пластины 1 и 2, что соответствует, например, сварке труб или обечаек при их вращении. Первоначально на одинаковом расстоянии от электрода 11 и стыка 3 на кронштейнах 14 и 15, закрепленных неподвижно на сварочной горелке, расположены бесконтактные датчики температуры 16 и 17, которые измеряют температуры в точках Б и М на одинаковом расстоянии от стыка 3.
Устройство передвижения пластин 1 и 2 относительно горелки 10 с электродом 11 снабжено системой слежения за стыком 3 и обеспечивает высокую точность направления электрода 11 по стыку 3. Однако это не исключает отклонения самой дуги 12 от стыка 3. Отклонение возможно по нескольким причинам: действие магнитного дутья, наличие включений на поверхности металла и т.д. При движении пластин 1 и 2 сварочная дуга 12 перемещается по их поверхности в направлении сварки со скоростью сварки VС (вдоль оси X, которая на фиг. 4 не показана), с такой же скоростью пластины 1 и 2 перемещаются относительно бесконтактных датчиков температуры 16 и 17. При отсутствии смещения дуги 12 относительно стыка 3 различные возмущения сварочного процесса будут приводить к одинаковому изменению температур в точках замера Б и М и разности измеренных температур не будет. Если при сварке произойдет смещение дуги 12 относительно стыка 3 пластин 1 и 2 в поперечном направлении на величину +Δу или -Δу, это приведет к соответствующему смещению температурного поля в пластинах 1,2 относительно стыка 3. Пятно нагрева дуги 12 будет приближаться к одной точке (например Б) и удаляться от другой. На поверхности пластин 1 и 2 и в точках замера Б и М возникнет разница температур из-за наличия асимметрии температурного поля относительно стыка 3. Измеренные температуры ТБ и ТМ с точек замера Б и М передаются с датчиков температуры 16, 17 в вычислительное устройство, в которое до начала сварки вводится зависимость разности температур в точках от смещения дуги 12 от стыка 3 (см. фиг. 3). В вычислительном устройстве вычисляется разность между измеренными температурами точек Б (ТБ) и М (ТМ), эта разность сравнивается с данными введенной зависимости и определяется смещение дуги 12 от стыка 3. Если знак разности получен положительным (температура в точке Б больше, чем температура в точке М), то это будет означать, что сварочная дуга 12 сместилась относительно стыка 3 в направлении точки Б. Если знак разности получится отрицательным (температура в точке Б меньше, чем температура в точке М), то это будет означать, что сварочная дуга 12 сместилась относительно стыка 3 в направлении точки М.The device for moving the
В вычислительное устройство также передается информация о текущих значениях параметров сварки - тока дуги, напряжения сварки и скорости сварки. Кроме того, в вычислительное устройство предварительно вводится эталонное распределение температур. По эталонному распределению с помощью определенного ранее смещения дуги 12 от стыка 3 при измененных на ±Δу координатах точек Б и М определяются отклонения температур ΔТСБ и ΔТСМ точек замера, вызванные отклонением дуги 12 от стыка 3. Эти отклонения складываются и вычитаются с измеренными температурами. Затем производится усреднение этих последних значений. Также в вычислительном устройстве производится расчет температуры Т в точках замера Б или М по известному способу. Эта температура для точек замера одинакова, поэтому расчет может выполняться для одной из точек. После этого производится расчет необходимого значения регулируемого параметра сварки по математическому выражению (2) и установка полученного значения параметра с помощью регулирующего устройства. При необходимости может использоваться регулирующая система возвращения теплового пятна дуги симметрично относительно стыка. Однако в большинстве случаев необходимости в такой системе нет.Information on the current values of the welding parameters — arc current, welding voltage, and welding speed — is also transmitted to the computing device. In addition, a reference temperature distribution is preliminarily introduced into the computing device. According to the reference distribution, using the previously determined offset of the
Пример.Example.
Проводили определение регулируемого параметра сварки при одновременном отклонении дуги от стыка и начальной температуры свариваемых деталей по известному и предлагаемому способам.Determined the adjustable welding parameter while simultaneously deflecting the arc from the joint and the initial temperature of the welded parts according to the known and proposed methods.
Для сварки были использованы пластины из стали 20 толщиной 6 мм. Рассматривалось регулирование для случая первого слоя двухстороннего сварочного шва. Номинальная глубина провара составила 60% от толщины пластин НО=3,6 мм. Допустимые отклонения от этой величины были выбраны ±0,6 мм, то есть ±10% от номинального значения. Для получения номинальной глубины проплавления был подобран режим аргонодуговой сварки без присадочной проволоки: напряжение сварки (дуги) U=14,0 В, ток сварки (дуги) I=275 А, скорость сварки VС=0,25 см/с. В качестве регулируемого параметра сварки был выбран сварочный ток. Ширина шва (сварочной ванны) составила ВШ=1,0 см. Для определения координаты точки замера использовали формулу (3) расчета температур от нормально-кругового источника тепла на поверхности пластины. Величина эффективной мощности дуги была рассчитана по формуле (4) при коэффициенте полезного действия дуги ηИ=0,6.For welding, plates of steel 20 with a thickness of 6 mm were used. The regulation for the case of the first layer of a double-sided welding seam was considered. The nominal penetration depth was 60% of the plate thickness H O = 3.6 mm. Permissible deviations from this value were chosen ± 0.6 mm, i.e. ± 10% of the nominal value. To obtain the nominal penetration depth, the argon-arc welding mode without filler wire was selected: welding (arc) voltage U = 14.0 V, welding (arc) current I = 275 A, welding speed V C = 0.25 cm / s. The welding current was selected as an adjustable welding parameter. The width of the seam (weld pool) was HW = 1.0 cm. To determine the coordinate of the measuring point, we used formula (3) for calculating temperatures from a normal circular heat source on the plate surface. The value of the effective arc power was calculated by the formula (4) with the efficiency of the arc η И = 0.6.
qИ=275⋅13,3⋅0,6=2250 Вт.q И = 275⋅13.3⋅0.6 = 2250 W.
Теплофизические коэффициенты низкоуглеродистой стали 20 были выбраны по данным монографии В.А. Кархина «Тепловые процессы при сварке». СПб.: Изд-е Политехн. ун-та, 2015. - 572 с, С. 86, таблица 2.7.1: сρ=5 Дж/(см3°С), коэффициент теплопроводности λ=0,4 Вт/(см°С), температуропроводность а=0,08 см2 /с. При данных теплофизических коэффициентах по опытному значению номинальной глубины проплавления НО=0,36 см и температуре плавления низкоуглеродистой стали TL=1500°С было найдено соответствующее значение коэффициента сосредоточенности теплового потока k=5,86 см-2. Расчетное значение ширины шва при выбранных теплофизических коэффициентах ВШ=1,04 см и определенном коэффициенте сосредоточенности хорошо совпадает с опытным. Расхождение составляет 4%. Поэтому расчетным путем была найдена координата z точки с максимальной глубиной проплавления у=0, х=0,6 см. В соответствии с требованиями известного способа регулирования точка замера температуры должна находиться в пределах х=0,48-0,72 см.Thermophysical coefficients of low-carbon steel 20 were selected according to the monograph by V.A. Karkhina "Thermal processes in welding." SPb .: Publishing house Polytechnic. Univ., 2015. - 572 s, P. 86, table 2.7.1: сρ = 5 J / (cm 3 ° С), thermal conductivity coefficient λ = 0.4 W / (cm ° С), thermal diffusivity a = 0 , 08 cm 2 / s. With these thermophysical coefficients, the corresponding value of the heat flux concentration coefficient k = 5.86 cm -2 was found from the experimental value of the nominal penetration depth Н О = 0.36 cm and the melting temperature of low-carbon steel T L = 1500 ° С. The calculated value of the width of the seam at the selected thermophysical coefficients HW = 1.04 cm and a certain concentration coefficient is in good agreement with the experimental one. The discrepancy is 4%. Therefore, by calculating, we found the z coordinate of the point with a maximum penetration depth of y = 0, x = 0.6 cm. In accordance with the requirements of the known control method, the temperature measuring point should be in the range x = 0.48-0.72 cm.
Точка замера температуры по известному способу была выбрана с координатой х=0,7 см. Выбрали расстояние точки замера от оси X у=1,2 см. Точка замера располагалась вправо от стыка по направлению сварки.The measurement point of the temperature by a known method was chosen with the coordinate x = 0.7 cm. We chose the distance of the measurement point from the X axis y = 1.2 cm. The measurement point was located to the right of the joint in the direction of welding.
Опытным путем было установлено, что допустимое отклонение сварочного тока, приводящее к допустимому изменению глубины проплавления составляет для верхнего предела глубины проплавления НМ=0,42 см ΔI=18 А. Также было установлено, что номинальная (эталонная) температура в точке замера ТН=418°С, а ее предельное значение при достижении провара максимального значения НМ=0,42 см при токе I=293 А ТП=447°С. Таким образом, коэффициент М в формулах (1) и (2) для определения регулируемого параметра сварки составляетIt was experimentally established that the permissible deviation of the welding current, leading to an allowable change in the penetration depth for the upper limit of the penetration depth is N M = 0.42 cm ΔI = 18 A. It was also found that the nominal (reference) temperature at the measurement point T N = 418 ° C, and its limit value when the penetration reaches the maximum value of N M = 0.42 cm at a current of I = 293 A T P = 447 ° C. Thus, the coefficient M in formulas (1) and (2) for determining the adjustable welding parameter is
М=29/18=1,61°С/А.M = 29/18 = 1.61 ° C / A.
Определяли значение регулируемого параметра по известному способу при нагреве свариваемых деталей на 30°С. Поскольку параметры сварки не изменяются, расчетная температура в точке замера будет равна номинальной ТН=418°С, а измеренная повысится на 30°С и составит ТТ=448°С.The value of the adjustable parameter was determined by the known method when heating the parts to be welded at 30 ° C. Since the welding parameters do not change, the calculated temperature at the measuring point will be equal to the nominal Т Н = 418 ° С, and the measured temperature will increase by 30 ° С and will be Т Т = 448 ° С.
По формуле (2) определяли значение регулируемого параметра сварки, которым в данном случае является сварочный токUsing the formula (2), we determined the value of the adjustable welding parameter, which in this case is the welding current
I=(ТН-ТТ)/М+IО=(418-448)/1,61+275=-19+275=256 А.I = (T H -T T ) / M + I O = (418-448) / 1.61 + 275 = -19 + 275 = 256 A.
Следовательно, для компенсации нагрева деталей необходимо уменьшить ток сварки на 19 А. При сварке подогретых на 30°С пластин на токе I=275-19=256 А получили номинальное значение глубины проплавления НО=0,36 см.Therefore, to compensate for the heating of parts, it is necessary to reduce the welding current by 19 A. When welding plates heated at 30 ° C at a current of I = 275-19 = 256 A, a nominal value of the penetration depth H O = 0.36 cm was obtained.
Определяли также влияние только отклонения дуги на провар и температуру в точке замера. Задавали отклонение дуги от стыка на Δу=1 мм=0,1 см от точки замера. Отклонение дуги обеспечивали за счет смещения электрода сварочной горелки с дугой относительно стыка влево от оси стыка по направлению сварки. Глубина проплавления уменьшается при смещении дуги одинаково, независимо от направления (знака) смещения. По данным опыта оно составило ΔНС=-0,02 см. Глубина провара Н=0,36-0,02=0,34 см. Это объясняется тем, что изменение провара вблизи оси X происходит незначительное. Таким образом, в пределах смещения дуги на 1-2 мм отклонение провара мало и может не регулироваться, но велико его влияние на температуры точек замера. При этом температура в точке замера уменьшилась на 65°С и составила ТМ=353°С.При отсутствии других возмущений регулируемый параметр - ток определится по формуле (1)The influence of only arc deflection on the penetration and temperature at the measuring point was also determined. The arc deviation from the joint was set by Δy = 1 mm = 0.1 cm from the measurement point. The arc deflection was provided due to the displacement of the welding torch electrode with the arc relative to the joint to the left of the joint axis in the direction of welding. The penetration depth decreases with the displacement of the arc in the same way, regardless of the direction (sign) of the displacement. According to the experimental data, it amounted to ΔН С = -0.02 cm. Depth of penetration N = 0.36-0.02 = 0.34 cm. This is explained by the fact that the change in penetration near the X axis is insignificant. Thus, within the limits of the arc displacement by 1-2 mm, the deflection of the penetration is small and may not be regulated, but its influence on the temperature of the measuring points is large. In this case, the temperature at the measurement point decreased by 65 ° C and amounted to T M = 353 ° C. In the absence of other disturbances, the adjustable parameter - the current is determined by the formula (1)
I=(ТН-ТТ)/М+IО=(418-353)/1,61+275=40+275=315А.I = (T H -T T ) / M + I O = (418-353) / 1.61 + 275 = 40 + 275 = 315A.
Такое увеличение тока приводит к полному провару пластин на всю толщину Н=6 мм. Это связано с тем, что при определенном увеличении мощности сильно сказывается отражение тепла от обратной плоскости пластины, что приводит к скачкообразному росту провара.Such an increase in current leads to a complete penetration of the plates over the entire thickness H = 6 mm. This is due to the fact that with a certain increase in power, the reflection of heat from the back plane of the plate is strongly affected, which leads to an abrupt growth of penetration.
Таким образом, при регулировании по известному способу система неадекватно реагирует на возмущение по отклонению дуги от стыка, если отклонение дуги будет приводить к ее удалению от точки замера температуры.Thus, when controlling according to the known method, the system inadequately responds to a disturbance in the deviation of the arc from the junction, if the deviation of the arc leads to its removal from the temperature measurement point.
При совместном действии отклонения дуги и повышении температуры детали на 30°С температура в точке замера понизилась на 35°С по отношению к номинальной температуре и составила 383°С.Расчетное значение тока сварки по известному способу по формуле (1)With the combined action of arc deflection and a part temperature increase of 30 ° C, the temperature at the measuring point decreased by 35 ° C relative to the nominal temperature and amounted to 383 ° C. The calculated value of the welding current by the known method according to the formula (1)
I=(ТН-ТТ)/М+IО=(418-383)/1,61+275=28+275=303 А.I = (T H -T T ) / M + I O = (418-383) / 1.61 + 275 = 28 + 275 = 303 A.
Система регулирования по известному способу вместо уменьшения тока на 19 А увеличит его на 28 А, что приведет не к уменьшению провара до номинального значения, а к его увеличению до Н=0,46 см, что больше установленного предела НМ=0,42 см. Отклонение дуги, как показано выше, дает вклад в отклонение глубины проплавления всего 0,02 см, что не может существенно повлиять на результат. В итоге система регулирования также не выполняет своего назначения.The control system according to the known method instead of decreasing the current by 19 A will increase it by 28 A, which will not lead to a decrease in penetration to the nominal value, but to its increase to N = 0.46 cm, which is more than the established limit of N M = 0.42 cm The deviation of the arc, as shown above, contributes to the deviation of the penetration depth of only 0.02 cm, which cannot significantly affect the result. As a result, the regulatory system also does not fulfill its purpose.
Для определения значения регулируемого параметра сварки по предлагаемому способу определяли эталонное распределение температур вдоль линии, проходящей через точку с координатой х=0,7 см и перпендикулярную стыку. Полученное распределение приведено в таблице 1.To determine the value of the adjustable welding parameter by the proposed method, the reference temperature distribution was determined along the line passing through the point with the coordinate x = 0.7 cm and perpendicular to the joint. The resulting distribution is shown in table 1.
По данным таблицы 1 была получена зависимость разности температур в точках замера от отклонения дуги от стыка. Зависимость приведена в таблице 2.According to table 1, the dependence of the temperature difference at the measurement points on the deviation of the arc from the joint was obtained. The dependence is given in table 2.
В процессе сварки вторая точка замера температуры была расположена симметрично первой относительно стыка на расстоянии от него у=1,2 см. При одновременном отклонении дуги от стыка и подогреве деталей было получено, что температура во второй точке замера ТБ=525°С, в первой ТМ=381°С. Разность температур ΔT=144°С. По этой разности с помощью таблицы 2 подтвердилось, что отклонение дуги от стыка 0,1 см. Отклонения температур в точках замера от действия отклонения дуги - к которой дуга приблизилась ΔТСБ=+77°С, а от которой удалилась ΔТсм=-65°С. Поскольку параметры процесса сварки не изменились, то расчетная температура в точках замера одинакова и равна номинальной (эталонной) температуре Т=418°С. В реальности температура в точках замера оказалась ТБ=525°С и ТМ=381°С.During welding, the second temperature measurement point was located symmetrically with the first relative to the joint at a distance of y = 1.2 cm from the joint. At the same time, the arc was deflected from the joint and the parts were heated, it was obtained that the temperature at the second measurement point was Т Б = 525 ° С the first T M = 381 ° C. The temperature difference ΔT = 144 ° C. Based on this difference, using table 2 it was confirmed that the deviation of the arc from the junction is 0.1 cm. Temperature deviations at the measurement points from the action of the arc deviation - to which the arc approached ΔТ СБ = + 77 ° С, and from which ΔТcm = -65 ° FROM. Since the parameters of the welding process have not changed, the calculated temperature at the measuring points is the same and equal to the nominal (reference) temperature T = 418 ° C. In reality, the temperature at the measurement points was T B = 525 ° C and T M = 381 ° C.
Значение регулируемого параметра определяется по формуле (2)The value of the adjustable parameter is determined by the formula (2)
(I-IO)={Т-[(ТБ-ΔТСБ)+(ТМ+ΔТСМ)]/2}/М={418-[(525-77)+(381+65)]/2}/1,61=(418-448)/1,61≈-18 А.(II O ) = {T - [(T B -ΔT SB ) + (T M + ΔT SM )] / 2} / M = {418 - [(525-77) + (381 + 65)] / 2} / 1.61 = (418-448) / 1.61≈-18 A.
Отсюда I=275-18=257 А.Hence I = 275-18 = 257 A.
Таким образом, при регулировании по предлагаемому способу отклонение дуги от стыка на у=0,1 см и повышение температуры деталей на 30°С потребует уменьшения тока сварки только на 18 А. Установленное отклонение дуги может быть устранено отдельно путем возвращения дуги в нормальное положение, например, за счет воздействия внешнего магнитного поля. В случае отказа от регулирования отклонения дуги изменение провара составит 0,02 см, что не выходит за пределы установленного отклонения.Thus, when controlling according to the proposed method, the arc deviation from the joint by y = 0.1 cm and increasing the temperature of the parts by 30 ° C will require a decrease in the welding current by only 18 A. The established arc deviation can be eliminated separately by returning the arc to its normal position, for example, due to exposure to an external magnetic field. In case of refusal to regulate the arc deviation, the penetration change will be 0.02 cm, which does not go beyond the established deviation.
Способ может быть реализован с помощью известных приборов и устройств: получение эталонного распределения температуры на поверхности деталей можно выполнить с помощью установки 2-3 термопар или других датчиков температуры при их неподвижном закреплении на пластине. Для определения температур при сварке можно применить известные устройства для бесконтактного измерения температуры поверхности. Вычисление отклонения дуги относительно стыка по эталонному распределению температур можно выполнить с помощью программируемых микропроцессорных устройств. Постоянство расположения точек замера температуры на поверхности стыка можно обеспечить, например, с помощью следящих устройств по примеру используемых для направления сварочной горелки с электродом точно по линии стыка. Поэтому способ обладает промышленной применимостью.The method can be implemented using known instruments and devices: obtaining a reference temperature distribution on the surface of parts can be performed by installing 2-3 thermocouples or other temperature sensors when they are fixed on the plate. To determine the temperature during welding, you can use known devices for non-contact measurement of surface temperature. The calculation of the deviation of the arc relative to the joint according to the reference temperature distribution can be performed using programmable microprocessor devices. The constancy of the location of the temperature measurement points on the interface can be ensured, for example, using tracking devices according to the example used to direct the welding torch with the electrode exactly along the interface. Therefore, the method has industrial applicability.
Claims (13)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017137927A RU2676935C1 (en) | 2017-10-30 | 2017-10-30 | Method of regulating depth of melting in automatic welding |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017137927A RU2676935C1 (en) | 2017-10-30 | 2017-10-30 | Method of regulating depth of melting in automatic welding |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2676935C1 true RU2676935C1 (en) | 2019-01-11 |
Family
ID=65025049
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017137927A RU2676935C1 (en) | 2017-10-30 | 2017-10-30 | Method of regulating depth of melting in automatic welding |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2676935C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2735847C1 (en) * | 2019-07-18 | 2020-11-09 | Частное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования Технический учебный центр "Спектр" | Method for controlling penetration depth during arc automatic welding |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| SU1123803A1 (en) * | 1983-06-03 | 1984-11-15 | Ордена Ленина И Ордена Трудового Красного Знамени Институт Электросварки Им.Е.О.Патона | Method of adjusting fusion depth in automatic argon-arc welding with nonconsumable electrode without additional wire |
| SU1655681A1 (en) * | 1989-06-14 | 1991-06-15 | Институт Электросварки Им.Е.О.Патона | Method of automatic control of welding depth |
| CN103157887A (en) * | 2011-12-11 | 2013-06-19 | 西安扩力机电科技有限公司 | Automatic electric welding machine control system based on accurate estimate of welding depth |
| RU2613255C1 (en) * | 2015-10-05 | 2017-03-15 | Частное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования Технический учебный центр "Спектр" | Automatic control method of penetration depth in automatic arc welding |
-
2017
- 2017-10-30 RU RU2017137927A patent/RU2676935C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| SU1123803A1 (en) * | 1983-06-03 | 1984-11-15 | Ордена Ленина И Ордена Трудового Красного Знамени Институт Электросварки Им.Е.О.Патона | Method of adjusting fusion depth in automatic argon-arc welding with nonconsumable electrode without additional wire |
| SU1655681A1 (en) * | 1989-06-14 | 1991-06-15 | Институт Электросварки Им.Е.О.Патона | Method of automatic control of welding depth |
| CN103157887A (en) * | 2011-12-11 | 2013-06-19 | 西安扩力机电科技有限公司 | Automatic electric welding machine control system based on accurate estimate of welding depth |
| RU2613255C1 (en) * | 2015-10-05 | 2017-03-15 | Частное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования Технический учебный центр "Спектр" | Automatic control method of penetration depth in automatic arc welding |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2735847C1 (en) * | 2019-07-18 | 2020-11-09 | Частное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования Технический учебный центр "Спектр" | Method for controlling penetration depth during arc automatic welding |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Huang et al. | Rapid prediction of real-time thermal characteristics, solidification parameters and microstructure in laser directed energy deposition (powder-fed additive manufacturing) | |
| Sharma et al. | Mathematical model of bead profile in high deposition welds | |
| RU2676935C1 (en) | Method of regulating depth of melting in automatic welding | |
| RU2613255C1 (en) | Automatic control method of penetration depth in automatic arc welding | |
| JP3221296B2 (en) | Control device and control method for resistance welding | |
| CN104853875A (en) | Method for narrow-gap, gas-shielded arc welding | |
| JP6289713B1 (en) | Welding system and welding method | |
| RU2735847C1 (en) | Method for controlling penetration depth during arc automatic welding | |
| WO2016080101A1 (en) | Bonding method and bonding apparatus | |
| CN106874620A (en) | A kind of method of energy efficiency in metrology laser heated filament welding procedure | |
| RU2691824C1 (en) | Method for controlling penetration depth during arc automatic welding | |
| JP2007000920A (en) | Method for controlling laser arc composite welding | |
| RU2739308C1 (en) | Method of arc welding of aluminium alloys with combination of non-consumable and consumable electrodes | |
| RU2704676C1 (en) | Method for determination of basic metal penetration area during arc welding | |
| RU2650461C1 (en) | Method of regulation the maximum width of the welding pool while automatic welding | |
| Ngo | The selection of parameters for automatic welding of the nuclear reactors pipelines | |
| RU2707287C2 (en) | Method of controlling penetration depth during 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 | |
| RU2534183C1 (en) | Electron-beam welding method of heterogeneous metal materials | |
| RU2791542C2 (en) | Method for determining the area of penetration of base metal during arc welding | |
| RU2798645C1 (en) | Method of automatic build-up welding in inert gas by combination of arcs | |
| RU2582170C1 (en) | Method of determining maximum rate of melting of coated electrode | |
| RU2772563C1 (en) | Method for arc welding and welding with consumable electrode in shielding gas environment | |
| WO2022030162A1 (en) | Ultra-narrow-gap submerged arc welding method and ultra-narrow-gap submerged arc welding device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191031 |