RU2735847C1 - Method for controlling penetration depth during arc automatic welding - Google Patents
Method for controlling penetration depth during arc automatic welding Download PDFInfo
- Publication number
- RU2735847C1 RU2735847C1 RU2019123222A RU2019123222A RU2735847C1 RU 2735847 C1 RU2735847 C1 RU 2735847C1 RU 2019123222 A RU2019123222 A RU 2019123222A RU 2019123222 A RU2019123222 A RU 2019123222A RU 2735847 C1 RU2735847 C1 RU 2735847C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- welding
- temperature
- penetration depth
- point
- arc
- 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 области дуговой сварки и может использоваться в машиностроении в производствах сварных конструкций при сварке стыковых соединений без разделки кромок и наплавке слоев со специальными свойствами на пластины и трубы.The invention relates to the field of arc welding and can be used in mechanical engineering in the production of welded structures when welding butt joints without cutting edges and surfacing layers with special properties on plates and pipes.
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 for automatic control of the penetration depth in automatic arc welding, in which 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 specified parameters is calculated, and the process is controlled according to the obtained differences, the temperature of the point of the surface of the weld is measured, the calculated value of the temperature of the same point of the weld surface is calculated, simultaneously with the differences between the current and specified parameters of the welding current, welding voltage, welding speed, the difference between the current and calculated values of temperature and the value of the controlled parameter of the welding process are adjusted according to 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 - current welding current,
VO - эталонная скорость сварки,V O - reference welding speed,
V - текущая скорость сварки,V - current welding speed,
UO - эталонное напряжение сварки,U O - reference welding voltage,
U - текущее напряжение сварки,U - current welding voltage,
Т - текущее значение температуры,Т - current temperature value,
TP - расчетное значение температуры,T P - calculated temperature value,
причем в качестве управляющего параметра процесса выбирают ток сварки. (см. описание к авторскому свидетельству СССР №10131363, опубл. 23.04.1983 г.).moreover, the welding current is selected as the control parameter of the process. (see the description to the author's certificate of the USSR No. 10131363, published on April 23, 1983).
Недостатком данного способа является то, что для регулирования необходимо разрабатывать две эмпирические математические модели расчета глубины проплавления и температуры в точке измерения, которые требуют проведения многочисленных экспериментов для определения коэффициентов моделей. Одна модель связывает изменение температуры точки поверхности по отношению к номинальной температуре с отклонениями только параметров режима. Вторая модель связывает максимальную глубину проплавления с параметрами режима и изменением температуры точки при действии всех возмущений. Обе модели насчитывают 7 эмпирических коэффициентов. Полученные уравнения нужно решать совместно как систему.The disadvantage of this method is that for regulation it is necessary to develop two empirical mathematical models for calculating the depth of penetration and temperature at the measurement point, which require numerous experiments to determine the coefficients of the models. One model associates the change in the surface point temperature with respect to the nominal temperature with the deviations of only the mode parameters. The second model relates the maximum penetration depth with the parameters of the mode and the change in the temperature of the point under the action of all disturbances. Both models have 7 empirical coefficients. The resulting equations must be solved together as a system.
Такой способ не учитывает возможности противоположного влияния некоторых неконтролируемых возмущений на температуру точки замера и на глубину проплавления. К таким возмущениям относят коэффициент температуропроводности металла изделия. Это приводит к тому, что в ряде случаев нарушается устойчивость процесса регулирования глубины проплавления.This method does not take into account the possibility of the opposite influence of some uncontrolled disturbances on the temperature of the measuring point and on the penetration depth. Such disturbances include the coefficient of thermal diffusivity of the metal of the product. This leads to the fact that in some cases the stability of the process of controlling the penetration depth is disturbed.
Известен способ автоматического регулирования глубины проплавления при сварке неплавящимся электродом, при котором задают номинальные значения тока сварки, скорости сварки и напряжения на дуге, в процессе сварки измеряют текущие значения указанных параметров, а также температуру в заданной точке на поверхности изделия, характеризующую влияние неконтролируемых возмущений при сварке и полученную информацию используют для поддержания заданной глубины проплавления путем корректировки тока сварки в соответствии с величинами отклонений измеренных параметров от заданных с учетом неконтролируемых возмущений, и с целью повышения качества сварного шва за счет компенсации влияния на глубину проплавления неконтролируемых возмущений различной физической природы, позади сварочной дуги, на расстоянии от нее предварительно выбирают контролируемое поперечное сечение сварного шва и осуществляют измерение температуры на поверхности по центру этого сечения, дополнительно задают температуру заведомо меньшую, чем в центре и в процессе сварки в указанном сечении измеряют ширину зоны, нагретой выше этой температуры, а при корректировке тока сварки для учета неконтролируемых возмущений используют математическое выражение, учитывающее полученную разность измеренной и вычисленной ширины зоны (см. описание к авторскому свидетельству СССР на способ SU №1346369 от 23.10.1987).There is a known method for automatic control of the penetration depth during non-consumable electrode welding, in which the nominal values of the welding current, welding speed and arc voltage are set, during the welding process, the current values of these parameters are measured, as well as the temperature at a given point on the surface of the product, which characterizes the effect of uncontrolled disturbances during welding and the obtained information is used to maintain the specified penetration depth by adjusting the welding current in accordance with the deviations of the measured parameters from the specified ones, taking into account uncontrolled disturbances, and in order to improve the quality of the weld by compensating for the effect on the penetration depth of uncontrolled disturbances of various physical nature behind the welding arc, at a distance from it, the controlled cross-section of the weld is pre-selected and the temperature on the surface is measured at the center of this section, the temperature is additionally set obviously lower The width of the zone heated above this temperature is measured in the center and during the welding process in the specified section, and when adjusting the welding current to take into account uncontrolled disturbances, a mathematical expression is used that takes into account the obtained difference between the measured and calculated zone widths (see. description to the USSR inventor's certificate for the method SU No. 1346369 dated 23.10.1987).
При реализации данного способа возникает ряд технических проблем. Наиболее серьезной проблемой является то, что для учета неконтролируемых (неизмеримых) отклонений параметров, например коэффициента температуропроводности деталей, который, по описанию данного патента, с разным знаком может влиять на регулируемую глубину проплавления и измеряемую температуру точки, приходится дополнительно к измерению температуры точки измерять и ширину зоны, нагретой выше заданной температуры. Для этого необходимы специальные датчики, которые сканируют зону термического влияния и определяют границу с такой температурой и ширину зоны. Датчики необходимы с каждой стороны от оси стыка, так как при сварке по ряду причин может нарушиться симметрия искомой изотермы относительно стыка.When implementing this method, a number of technical problems arise. The most serious problem is that to take into account uncontrolled (immeasurable) deviations of parameters, for example, the thermal diffusivity of parts, which, according to the description of this patent, with a different sign can affect the adjustable penetration depth and the measured point temperature, it is necessary to measure and the width of the zone heated above the set temperature. This requires special sensors that scan the heat-affected zone and determine the border with this temperature and the width of the zone. Sensors are necessary on each side of the joint axis, since during welding, for a number of reasons, the symmetry of the sought isotherm relative to the joint can be violated.
Также при расчете критериального параметра К, обеспечивающего устойчивость регулирования, необходимо вносить расчетную поправку на изменение скорости сварки посредством специального эмпирического коэффициента, что усложняет регулирование.Also, when calculating the criterion parameter K, which ensures the stability of the regulation, it is necessary to make a calculated correction for the change in the welding speed by means of a special empirical coefficient, which complicates the regulation.
Для расчета параметра, характеризующего условие устойчивости регулирования, необходимо экспериментально определять три коэффициента. При самом простом способе выполнения экспериментов - их математическом планировании необходимо выполнение 23=8 экспериментов, не считая их повторений, которые необходимы для получения адекватной модели.To calculate the parameter characterizing the condition of regulation stability, it is necessary to experimentally determine three coefficients. With the simplest way of performing experiments - their mathematical planning, it is necessary to perform 2 3 = 8 experiments, not counting their repetitions, which are necessary to obtain an adequate model.
В математической формуле распределенного источника тепла в плоском слое, на которой основан данный способ, (2-й абзац колонки 3 описания) используется понятие эффективной мощности сварочной дуги. Однако в описании не указана методика определения такой мощности. Обычно для определения эффективной мощности сварочной дуги в сварке используется эффективный КПД, который имеет существенный разброс значений, а в указанном способе не приводится признаков определения этого коэффициента с необходимой для регулирования точностью (см., например, Ерохин А.А. Основы сварки плавлением. М.: Машиностроение, 1973, 448 с. С. 13, таблица 1.2). Авторы известного способа некорректно называют эффективный КПД процесса - термическим КПД (см. аннотацию описания). Под термическим КПД обычно понимают отношение мощности, затрачиваемой на плавление металла к полной мощности источника тепла, а под эффективным КПД - всю долю мощности источника тепла, передаваемую изделию.In the mathematical formula for a distributed heat source in a flat layer, on which this method is based (2nd paragraph of
Другим вариантом определения эффективной мощности является выполнение калориметрирования свариваемых пластин, однако на это в данном способе также нет указаний. В известном способе в используемой математической формуле, которая не приводится в описании способа, при вычислении регулирующего воздействия используются объемная теплоемкость металла изделия и коэффициент температуропроводности (2-й абзац 1 колонки описания) но также не приводятся методики их выбора.Another option for determining the effective power is to perform calorimetry of the plates to be welded, however, this method is also not indicated. In the known method, in the mathematical formula used, which is not given in the description of the method, when calculating the control effect, the volumetric heat capacity of the metal of the product and the thermal diffusivity coefficient (2nd paragraph 1 of the description column) are used, but the methods for their selection are also not given.
Известно, что теплофизические коэффициенты в используемой в прототипе и любой аналитической формуле зависят от температуры металла. Температуры в свариваемых деталях всегда распределены крайне неравномерно. В литературе же приводятся только рекомендуемые значения коэффициентов для неких усредненных температур, которые могут быть использованы для расчетов, носящих качественный характер. Это же относится и к коэффициенту температуропроводности металла (см. монографию В.А. Кархина «Тепловые процессы при сварке». СПб.: Изд-е Политехн. ун-та, 2015. - 572 с., С. 86, таблица 2.7.1).It is known that the thermophysical coefficients used in the prototype and any analytical formula depend on the temperature of the metal. The temperatures in the parts to be welded are always extremely unevenly distributed. In the literature, however, only the recommended values of the coefficients for some averaged temperatures are given, which can be used for calculations that are of a qualitative nature. The same applies to the coefficient of thermal diffusivity of metal (see the monograph by V.A.Karkhin "Thermal processes in welding." St. Petersburg: Izd-e Polytechnic University, 2015. - 572 p., P. 86, table 2.7. 1).
Также в известном способе нельзя учесть сосредоточенность теплового потока от дуги к изделию, так как не приводятся признаки, каким образом сосредоточенность должна определяться. Сосредоточенность однозначно связана с такими параметрами процесса, как ток сварки и длина (напряжение) дуги, однако имеющиеся данные о сосредоточенности теплового потока сварочных дуг малочисленны и противоречивы. Так как в известном способе ток сварки и длина дуги могут существенно изменяться, то это влияет на сосредоточенность теплового потока от дуги к изделию и расчетную температуру точки и создает существенную погрешность при расчете температуры точки замера.Also, in the known method, it is impossible to take into account the concentration of the heat flux from the arc to the product, since no signs are given of how the concentration should be determined. Concentration is unambiguously associated with such process parameters as welding current and arc length (voltage); however, the available data on the concentration of the heat flux of welding arcs are few and contradictory. Since in the known method the welding current and arc length can vary significantly, this affects the concentration of the heat flux from the arc to the product and the calculated point temperature and creates a significant error in calculating the temperature of the measuring point.
В известном способе допускается изменения напряжения дуги, что приводит к снижению точности регулирования. Напряжение дуги при сварке неплавящимся электродом практически не зависит от тока дуги, но зависит от ее длины. При изменении длины дуги изменяется одновременно ее эффективная мощность и сосредоточенность теплового потока от дуги к изделию. А как отмечено в описании известного способа, это может по-разному влиять на глубину проплавления и температуру точки замера. В литературе же данных о влиянии длины дуги одновременно на эффективную мощность и сосредоточенность теплового потока практически нет.In the known method, changes in the arc voltage are allowed, which leads to a decrease in the control accuracy. Arc voltage when welding with a non-consumable electrode is practically independent of the arc current, but depends on its length. When changing the length of the arc, its effective power and the concentration of the heat flux from the arc to the product change simultaneously. And as noted in the description of the known method, this can affect the depth of penetration and the temperature of the measuring point in different ways. In the literature, there is practically no data on the effect of the arc length on the effective power and concentration of the heat flux simultaneously.
В известном способе регулирования глубины проплавления при автоматической аргонодуговой сварке неплавящимся электродом стыковых соединений без разделки кромок с присадочной или без присадочной проволоки, включающем поддержание глубины проплавления на заданном постоянном уровне посредством регулирования тока сварки, при этом в процессе сварки измеряют и вычисляют температуры в точке на поверхности соединения и разность этих температур, измеряют фактические значения регулируемого тока в процессе сварки, которые корректируют в соответствии с их рассчитанным по заданной математической зависимости значениями.In the known method for controlling the penetration depth in automatic nonconsumable electrode welding of butt joints without cutting edges with or without filler wire, including maintaining the penetration depth at a given constant level by adjusting the welding current, while the welding process measures and calculates temperatures at a point on the surface connections and the difference of these temperatures, measure the actual values of the regulated current in the welding process, which are corrected in accordance with their calculated values according to the specified mathematical relationship.
В отличие от прототипа при номинальных параметрах сварки дополнительно измеряют максимальную глубину проплавления и ширину сварного шва, задают температуру плавления металла и эталонные начальную температуры и толщину свариваемых деталей, находят координаты точки замера температуры точки поверхности, для которой влияние на температуру коэффициента температуропроводности по знаку совпадает с их влиянием на регулируемую глубину проплавления сварного шва, в процессе регулирования стабилизируют скорость сварки и напряжение дуги и ведут расчет регулируемого тока сварки по формулеIn contrast to the prototype, with nominal welding parameters, the maximum depth of penetration and the width of the weld are additionally measured, the melting point of the metal and the reference initial temperature and thickness of the parts to be welded are set, the coordinates of the point of measuring the temperature of the surface point are found, for which the influence on the temperature of the thermal diffusivity by the sign coincides with their influence on the adjustable depth of penetration of the weld, in the process of regulation they stabilize the welding speed and arc voltage and calculate the adjustable welding current according to the formula
где I - ток сварки, А,where I is the welding current, A,
TL - температура плавления изделия, °С,T L - product melting point, ° С,
Т0 - номинальная начальная температура изделия, °С,T 0 - nominal initial temperature of the product, ° С,
ТИ - измеренная температура точки поверхности, °С,Т И - measured temperature of the surface point, ° С,
ТР - расчетная температура точки поверхности, °С,Т Р - design temperature of the surface point, ° С,
- коэффициент температуропроводности изделия, см2/с, - coefficient of thermal diffusivity of the product, cm2/from,
Q - отношение удельной эффективной мощности сварочной дуги qУ к объемной теплоемкости изделия сρ, (см3⋅°С)/(А⋅с), где qУ - отношение эффективной мощности сварочной дуги к току сварки, Вт/А.Q is the ratio of the specific effective power of the welding arc q Y to the volumetric heat capacity of the product cρ, (cm 3 ⋅ ° C) / (A⋅s), where q Y is the ratio of the effective power of the welding arc to the welding current, W / A.
х0 - координата точки с максимальной глубиной проплавления при номинальных параметрах сварки, в направлении, противоположном направлению скорости сварки, см,x 0 - coordinate of the point with the maximum penetration depth at nominal welding parameters, in the direction opposite to the direction of the welding speed, cm,
VC - скорость сварки, см/с,V C - welding speed, cm / s,
t - текущее время с момента начала действия и движения дуги, с,t - current time since the beginning of the action and movement of the arc, s,
δ - номинальная толщина изделия, см,δ - nominal product thickness, cm,
Н0 - номинальная максимальная глубина проплавления, см,Н 0 - nominal maximum penetration depth, cm,
n - целые числа от -10 до +10,n - integers from -10 to +10,
для которой коэффициент температуропроводности и коэффициент пропорциональности Q рассчитывают по значениям ширины и глубины проплавления эталонного шва.for which the thermal diffusivity and the proportionality factor Q is calculated from the values of the width and depth of penetration of the reference weld.
Технический результат предлагаемого способа заключается в устранении необходимости измерения ширины зоны нагрева выше заданной температуры, меньшей, чем температура плавления, значительном сокращении экспериментов по определению коэффициентов математической зависимости, повышении точности регулирования глубины проплавления за счет снижения зависимости коэффициентов, определяемых экспериментально, от параметров режима сварки. Фактически необходим только один эксперимент по сварке эталонного шва и измерение после него глубины проплавления шва и ширины шва. Этот результат достигается благодаря установленной зависимости, что адекватное описание формы температурного поля с помощью аналитической зависимости, представляющей действие движущегося точечного источника тепла на поверхности пластины, позволяет, при измерении двух размеров шва, отыскать точные значения соответствующих им коэффициента температуропроводности и коэффициента пропорциональности Q и использовать их впоследствии для отыскании координат подходящей точки поверхности, отвечающей необходимому требованию устойчивости регулирования и расчета тока сварки для стабилизации глубины проплавления с учетом разности измеренной и вычисленной температур.The technical result of the proposed method consists in eliminating the need to measure the width of the heating zone above a predetermined temperature, less than the melting temperature, significantly reducing experiments to determine the coefficients of the mathematical dependence, increasing the accuracy of controlling the penetration depth by reducing the dependence of the coefficients determined experimentally on the welding mode parameters. In fact, only one experiment is needed for welding a reference seam and measuring after it the depth of penetration of the seam and the width of the seam. This result is achieved due to the established dependence that an adequate description of the shape of the temperature field using an analytical dependence representing the action of a moving point heat source on the plate surface allows, when measuring two dimensions of a weld, to find the exact values of the corresponding thermal diffusivity and the proportionality coefficient Q and use them subsequently to find the coordinates of a suitable point on the surface that meets the necessary requirement for control stability and calculate the welding current to stabilize the penetration depth, taking into account the difference between the measured and calculated temperatures.
Стабилизация скорости сварки и напряжения дуги позволяет устранить значительные изменения температуры точки замера, связанные с изменением этих параметров, которые могут происходить в данном способе только от действия неконтролируемых возмущения и тока дуги. Также незначительные отклонения стабилизируемых параметров, обусловленные точностью действия поддерживающих устройств, также отражаются на изменении температуры точки замера и соответственно учитываются при расчете корректирующего тока сварки. Это существенно повышает точность и обеспечивает устойчивость регулирования.Stabilization of the welding speed and arc voltage makes it possible to eliminate significant changes in the temperature of the measuring point associated with a change in these parameters, which can occur in this method only from the action of uncontrolled disturbances and arc current. Also, minor deviations of the stabilized parameters, due to the accuracy of the operation of the supporting devices, are also reflected in the change in the temperature of the measuring point and, accordingly, are taken into account when calculating the correction welding current. This significantly improves the accuracy and ensures the stability of the regulation.
Также этот результат достигается потому, что отклонение измеренной температуры точки от расчетной является эквивалентом изменения начальной температуры свариваемых пластин и позволяет учесть действие всех неконтролируемых возмущений и небольшие отклонения стабилизируемых параметров режима на максимальную глубину проплавления.This result is also achieved because the deviation of the measured point temperature from the calculated one is equivalent to a change in the initial temperature of the plates being welded and allows one to take into account the effect of all uncontrolled disturbances and small deviations of the stabilized mode parameters at the maximum penetration depth.
Кроме того, техническим результатом является также то, что способ можно использовать при автоматической сварке стыковых соединений без разделки кромок и наплавке на пластины с подачей в сварочную ванну присадочной проволоки, так как при одновременном измерении глубины проплавления и ширины шва учитывается влияние присадочной проволоки на распространение тепла при сварке, значения используемых коэффициентов и, следовательно, на глубину проплавления и температуру контролируемой точки.In addition, the technical result is also the fact that the method can be used for automatic welding of butt joints without cutting edges and surfacing on plates with filler wire feeding into the weld pool, since the effect of the filler wire on heat propagation is taken into account while simultaneously measuring the penetration depth and weld width when welding, the values of the coefficients used and, therefore, to the penetration depth and temperature of the controlled point.
Способ можно использовать при автоматической сварке стыковых соединений без разделки кромок и наплавке на пластины сварочной дугой с плавящимся электродом, так как при одновременном измерении глубины проплавления и ширины шва учитывается влияние расплавленного электродного металла на распространение тепла при сварке, значения используемых коэффициентов и, следовательно, на глубину проплавления. Для этого варианта способа сварки необходимо дополнительно к скорости сварки и напряжению дуги стабилизировать скорость расплавления и подачи электродной проволоки.The method can be used for automatic welding of butt joints without cutting edges and surfacing on plates with a welding arc with a consumable electrode, since when simultaneously measuring the depth of penetration and width of the weld, the effect of molten electrode metal on heat propagation during welding, the values of the coefficients used and, consequently, on penetration depth. For this variant of the welding method, in addition to the welding speed and arc voltage, it is necessary to stabilize the rate of melting and feeding of the electrode wire.
Известен ряд широко применяемых способов стабилизации напряжения дуги с неплавящимся электродом путем управления длиной дуги. Также современные двигатели, используемые в сварочных автоматах, позволяют стабилизировать число оборотов вращения вала с высокой точностью и обеспечить аналогичную стабилизацию скорости сварки. Поэтому нет необходимости в измерении всех измеримых параметров процесса при одновременном регулировании глубины проплавления только одним из них. В то же время на зону сварки действует ряд неконтролируемых (неизмеримых) возмущений, которые сложно измерить и стабилизировать в процессе сварки. Их можно оценить только с помощью измерения температуры точки поверхности изделия по сравнению с расчетным значением. Для обеспечения устойчивости системы регулирования необходим правильный выбор точки замера температуры. Для этого с помощью математической формулы распространения температур в пластине и найденных по размерам эталонного сварного шва коэффициентов проверяется ряд точек на соответствие условию устойчивости регулирования.There are a number of widely used methods for stabilizing the arc voltage with a non-consumable electrode by controlling the arc length. Also, modern motors used in welding machines make it possible to stabilize the number of shaft revolutions with high accuracy and provide a similar stabilization of the welding speed. Therefore, there is no need to measure all measurable process parameters while simultaneously adjusting the penetration depth with only one of them. At the same time, a number of uncontrollable (immeasurable) disturbances act on the welding zone, which are difficult to measure and stabilize during the welding process. They can only be estimated by measuring the temperature of a point on the surface of the product in comparison with the calculated value. To ensure the stability of the control system, the correct selection of the temperature measuring point is necessary. For this, using the mathematical formula for the temperature propagation in the plate and the coefficients found from the dimensions of the reference weld, a number of points are checked for compliance with the regulation stability condition.
На фиг. 1 показано поперечное сечение провара, на фиг. 2 представлен продольный профиль провара, на фиг. 3 - полуизотерма сварочной ванны, на фиг. 4 - зависимости удельной эффективной мощности дуги от тока дуги; на фиг. 5 - зависимости глубины проплавления и ширины шва от коэффициента пропорциональности Q, на фиг. 6 - зависимость размеров шва от коэффициента температуропроводности , на фиг. 7 - зависимость размеров шва от скорости сварки, на фиг. 8 - зависимость глубины проплавления и ширины шва от начальной температуры пластины, на фиг. 9 - зависимость глубины проплавления и ширины шва от толщины пластины, на фиг. 10 - схема получения изолиний, на фиг. 11 - изолиния «коэффициент пропорциональности - коэффициент температуропроводности», на фиг. 12 - зависимости температуры точек поверхности от коэффициента температуропроводности, на фиг. 13 - схема регулирования процесса сварки по предлагаемому способу, на фиг. 14 - схема сварки пластин со скачкообразным изменением толщины деталей.FIG. 1 shows a cross-section of the penetration, FIG. 2 shows a longitudinal profile of penetration, FIG. 3 - semi-isotherm of the weld pool, Fig. 4 - the dependence of the specific effective power of the arc on the arc current; in fig. 5 - dependences of the depth of penetration and the width of the seam on the proportionality coefficient Q, in Fig. 6 - the dependence of the dimensions of the seam on the coefficient of thermal diffusivity , in FIG. 7 - the dependence of the dimensions of the seam on the welding speed, in Fig. 8 - the dependence of the depth of penetration and the width of the seam on the initial temperature of the plate, Fig. 9 - the dependence of the depth of penetration and the width of the seam on the thickness of the plate, in Fig. 10 is a diagram of obtaining isolines, in Fig. 11 - isoline "proportionality coefficient - thermal diffusivity coefficient", in Fig. 12 - the dependence of the temperature of the surface points on the coefficient of thermal diffusivity, in Fig. 13 is a diagram for regulating the welding process according to the proposed method, FIG. 14 is a diagram of welding plates with an abrupt change in the thickness of the parts.
На фиг. 1 показано поперечное сечение первого слоя двухстороннего сварного шва стыкового соединения из пластин без разделки кромок с неполной глубиной проплавления. В0 - максимальная ширина сварочной ванны (шва) на наружной поверхности пластин (со стороны действия сварочной дуги). Н0 - номинальная (эталонная) глубина проплавления шва. При регулировании требуется стабилизировать глубину проплавления Н0. Значение Н0 должно обеспечивать перекрытие швов при сварке аналогичного шва с противоположной плоскости пластины.FIG. 1 shows a cross-sectional view of the first layer of a double-sided butt joint made of non-grooved plates with incomplete penetration depth. B 0 is the maximum width of the weld pool (seam) on the outer surface of the plates (from the side of the welding arc). Н 0 - nominal (reference) weld penetration depth. When regulating, it is required to stabilize the penetration depth H 0 . The value of H 0 should ensure overlapping of the seams when welding a similar seam from the opposite plane of the plate.
На фиг. 1 показаны оси при расчете температур - ось Y - перпендикулярная направлению скорости сварки VC и ось Z, направленная перпендикулярно наружной поверхности пластины со стороны действия сварочной дуги из точки действия точечного источника тепла. Ось X совпадает с направлением сварки (на фиг. 1 не показана). Система координат является подвижной, перемещающейся со скоростью сварки. Глубина проплавления Н0 имеет допускаемые положительное и отрицательное отклонения от номинальной глубины +ΔН01, и (-ΔH01), которые могут быть равными или неравными по абсолютной величине. Номинальный провар и допускаемые отклонения могут устанавливаться разработчиком технологии сварки или приводиться в нормативных документах. Максимальная глубина проплавления имеет место по оси шва при поперечной координате у=0. Шов может быть получен и с использованием присадочной проволоки, поэтому он имеет выпуклость g.FIG. 1 shows the axes when calculating temperatures - the Y-axis is perpendicular to the direction of the welding speed V C and the Z-axis directed perpendicular to the outer surface of the plate from the side of the welding arc from the point of action of a point heat source. The X axis coincides with the direction of welding (not shown in Fig. 1). The coordinate system is movable, moving at the welding speed. The penetration depth H 0 has a permissible positive and negative deviations from the nominal depth + ΔH 01 , and (-ΔH 01 ), which may be equal or unequal in absolute value. Nominal penetration and permissible deviations can be established by the developer of the welding technology or given in regulatory documents. The maximum penetration depth takes place along the weld axis at the transverse coordinate y = 0. The weld can also be produced using filler wire, so it has a convex g.
На основе допускаемых отклонений максимальной глубины проплавления могут быть установлены с необходимой точностью допустимые отклонения параметров сварки. В предлагаемом способе - это такие параметры режима, как скорость сварки и напряжение дуги. Методика определения допустимых отклонений параметров двухсторонней сварки изложена в статье Сидорова В.П., Мельзитдиновой А.В. Исследование допустимых отклонений параметров дуговой двухсторонней сварки / Сварочное производство, 2016, №3, С. 11-15.On the basis of the permissible deviations of the maximum penetration depth, the permissible deviations of the welding parameters can be established with the required accuracy. In the proposed method, these are mode parameters such as welding speed and arc voltage. The method for determining the permissible deviations of the parameters of double-sided welding is described in the article by V.P. Sidorov, A.V. Melzitdinova. Study of permissible deviations of parameters of double-sided arc welding / Welding production, 2016, No. 3, pp. 11-15.
Опасность отклонения какого-либо параметра в процессе сварки следует оценивать по относительному коэффициенту передачи возмущения (ОКПВ). Это отношение относительного допускаемого отклонения регулируемого параметра сварного шва к относительному отклонению параметра процесса. Например, при оценке влияния отклонения тока сварки от номинального значения I на максимальную глубину проплавления.The danger of a deviation of any parameter during welding should be assessed by the relative disturbance transfer coefficient (RTR). This is the ratio of the relative permissible deviation of the controlled parameter of the weld to the relative deviation of the process variable. For example, when assessing the influence of the deviation of the welding current from the nominal value I on the maximum penetration depth.
ОКПВ=(ΔН0/Н0)/(ΔI/I)OKPV = (ΔН 0 / Н 0 ) / (ΔI / I)
ОКПВ безразмерная величина, знак которой может быть как положительным, так и отрицательным. Например, с увеличением скорости сварки глубина проплавления уменьшается, следовательно, ОКПВ будет отрицательно. Он показывает во сколько раз больше или меньше контролируемый параметр сварного шва изменяется при изменении одного из параметров сварки. ОКПВ может быть больше 1 или меньше 1. Если ОКПВ=0, это означает, что данный параметр не оказывает влияния на параметр шва. Чем больше ОКПВ, тем большее отклонение регулируемого параметра вызывает рассматриваемый параметр сварки, тем опаснее возмущение. Сумма абсолютных значений ОКПВ для всех параметров процесса сварки характеризует сложность обеспечения стабильности регулируемой величины, например, максимальной глубины проплавления. ОКПВ может быть определено как для измеримых параметров сварки (режимов), так и для неизмеримых (условий сварки). Для определения допустимого отклонения каждого из параметров процесса наиболее целесообразно использовать принцип равного вклада. Принцип равного вклада означает, что допускаемое относительное отклонение параметра шва ΔН0 должно делиться на число сварочных параметров N и каждый из них должен обеспечивать свою равную долю допускаемого отклонения ΔН0П The GCWS is a dimensionless quantity, the sign of which can be either positive or negative. For example, with an increase in the welding speed, the penetration depth decreases, therefore, the GWPW will be negative. It shows how many times more or less the controlled parameter of the weld seam changes when one of the welding parameters is changed. The GWVS can be greater than 1 or less than 1. If the GWWS = 0, this means that this parameter does not affect the weld parameter. The larger the TWCS, the greater the deviation of the controlled parameter causes the considered welding parameter, the more dangerous the disturbance. The sum of the absolute values of TWCF for all parameters of the welding process characterizes the difficulty of ensuring the stability of the controlled value, for example, the maximum penetration depth. PCWS can be defined for both measurable welding parameters (modes) and non-measurable (welding conditions). To determine the permissible deviation of each of the process parameters, it is most expedient to use the principle of equal contribution. The principle of equal contribution means that the permissible relative deviation of the weld parameter ΔН 0 should be divided by the number of welding parameters N and each of them must provide its own equal share of the permissible deviation ΔН 0П
ΔН0П=ΔН0/N.ΔН 0П = ΔН 0 / N.
При таком подходе не сложно так стабилизировать два контролируемых параметра режима сварки, напряжение дуги и скорость сварки, чтобы неблагоприятное сочетание их допустимых отклонений, не превысило заданного допускаемого отклонения регулируемой глубины проплавления шва ΔН0. Например, если мы назначим допускаемое отклонение максимальной глубины проплавления Н0=3,6 мм в ±0,6 мм, то относительное допускаемое отклонение составит ±16,7%. Допустив, что ±6,7% из них могут внести неконтролируемые отклонения, то оставшиеся ±10% приходятся на скорость и напряжение дуги, по ±5% на каждый параметр. Современное оборудование обеспечивает значительно более высокую точность стабилизации, даже с учетом того, что ОКПВ может быть и больше единицы по абсолютной величине.With this approach, it is not difficult to stabilize the two controlled parameters of the welding mode, the arc voltage and the welding speed, so that the unfavorable combination of their permissible deviations does not exceed the specified permissible deviation of the adjustable weld penetration depth ΔН 0 . For example, if we assign the permissible deviation of the maximum penetration depth H 0 = 3.6 mm to ± 0.6 mm, then the relative permissible deviation will be ± 16.7%. Assuming that ± 6.7% of them can introduce uncontrollable deviations, the remaining ± 10% falls on the arc speed and voltage, ± 5% for each parameter. Modern equipment provides a significantly higher stabilization accuracy, even taking into account the fact that the RCSV can be greater than unity in absolute value.
На фиг. 2 представлен продольный профиль провара по толщине пластины вдоль оси X при поперечной координате у=0, рассчитанный с помощью формулы для точечного источника тепла, движущегося по поверхности плоского слоя (пластины).FIG. 2 shows the longitudinal profile of penetration through the thickness of the plate along the X axis at the transverse coordinate y = 0, calculated using the formula for a point heat source moving along the surface of a flat layer (plate).
Формула для расчета приращения температур ΔT в точке пластины от действия такого источника тепла имеет видThe formula for calculating the temperature increment ΔT at a point on the plate from the action of such a heat source has the form
где Т - температура точки пластины, °С,where Т is the temperature of the point of the plate, ° С,
Т0 - начальная температура пластины, °С,Т 0 - initial temperature of the plate, ° С,
qИ - эффективная мощность источника тепла, Вт,q And - effective power of the heat source, W,
сρ - объемная теплоемкость металла пластины, Дж/(см3°С),сρ - volumetric heat capacity of the plate metal, J / (cm 3 ° С),
- коэффициент температуропроводности пластины, см2/с, - coefficient of thermal diffusivity of the plate, cm 2 / s,
х - координата в направлении движения источника тепла, отсчитываемая от источника тепла, см,x - coordinate in the direction of movement of the heat source, measured from the heat source, cm,
VC - скорость движения источника тепла, см/с,V C - speed of movement of the heat source, cm / s,
t - текущее время с момента начала действия и движения источника тепла, с,t is the current time since the beginning of the action and movement of the heat source, s,
у - координата, перпендикулярная направлению движения источника тепла, отсчитываемая от источника тепла, см,y - coordinate perpendicular to the direction of movement of the heat source, measured from the heat source, cm,
z - координата, перпендикулярная направлению движения источника тепла и плоскости пластины, на которой действует источник тепла, см,z is the coordinate perpendicular to the direction of movement of the heat source and the plane of the plate on which the heat source acts, cm,
δ - толщина пластины, см,δ - plate thickness, cm,
n - целые числа от -∞ до +∞.n - integers from -∞ to + ∞.
Формула (3) приводится в учебнике «Теория сварочных процессов» / В.Н. Волченко М. и др. Под ред. В.В. Фролова. - М: Высшая школа, 1988. - 559 с. С. 186.Formula (3) is given in the textbook "Theory of welding processes" / V.N. Volchenko M. et al. Ed. V.V. Frolov. - M: Higher school, 1988 .-- 559 p. P. 186.
Конкретное количество чисел n задает число членов ряда (количество интегралов), которое нужно вычислить. Оно зависит от требуемой точности вычислений последнего члена ряда в формуле (3). Чем больше число n по абсолютной величине, тем меньше последний интеграл ряда. То есть ряд в (3) сходящийся. Точность вычисления температуры в точке быстро повышается с увеличением n по абсолютной величине. При вычислении температур ограничение числа n производится заданием отношения последнего члена ряда к сумме всех предыдущих членов ряда. При расчетах температур в сталях и алюминиевых сплавах число n=N не превышает 10 по абсолютной величине. Первый член ряда вычисляется при n=0 и число n перестают увеличивать по абсолютной величине, когда достигается требуемая точность вычислений температуры. Поэтому можно рекомендовать при вычислениях по формуле (3) ограничить число n=±10. Это обеспечит необходимую точность вычислений температуры, как для сварки сталей, так и алюминиевых сплавов. Все остальные сплавы имеют промежуточные теплофизические свойства и эта рекомендация является универсальной.The specific number of numbers n specifies the number of terms in the series (the number of integrals) to be calculated. It depends on the required accuracy of calculations of the last term of the series in formula (3). The larger the number n in absolute value, the smaller the last integral of the series. That is, the series in (3) is convergent. The accuracy of calculating the temperature at a point rapidly increases with increasing n in absolute value. When calculating temperatures, the number n is limited by specifying the ratio of the last term of the series to the sum of all previous members of the series. When calculating temperatures in steels and aluminum alloys, the number n = N does not exceed 10 in absolute value. The first term of the series is calculated at n = 0 and the number n ceases to increase in absolute value when the required accuracy of temperature calculations is achieved. Therefore, we can recommend limiting the number n = ± 10 when calculating by formula (3). This will provide the necessary accuracy in temperature calculations, both for welding steels and aluminum alloys. All other alloys have intermediate thermophysical properties and this recommendation is universal.
Верхний предел интегрирования времени t выбирается таким, чтобы температурное поле в пластине было установившемся (квазистационарным). Это такое состояние температурного поля, когда температура всех точек тела в зоне сварки изменяется на пренебрежимо малую величину. При таком состоянии глубина проплавления и ширина шва достигают номинальных значений с высокой точностью. Значение t, как и значение n, выбирается исходя из требуемой точности вычислений. Эксперименты и расчеты показывают, что в условиях двухсторонней сварки стыковых соединений (толщина пластин 6-8 мм) такое состояние достигается примерно за 10 секунд для сталей и 15 секунд для алюминиевых сталей с очень высокой относительной точностью расчета температуры не ниже 0,1%. Поэтому можно рекомендовать при вычислениях по формуле (3) ограничить верхний предел интегрирования в интегралах 15 секунд. Это обеспечит необходимую точность вычислений температуры, как для сварки сталей, так и алюминиевых сплавов и других сплавов.The upper limit of integration of time t is chosen such that the temperature field in the plate is steady-state (quasi-stationary). This is a state of the temperature field when the temperature of all points of the body in the welding zone changes by a negligible amount. In this condition, the penetration depth and weld width reach the nominal values with high accuracy. The t value, like the n value, is selected based on the required computational accuracy. Experiments and calculations show that in conditions of double-sided welding of butt joints (plate thickness 6-8 mm), this state is achieved in about 10 seconds for steels and 15 seconds for aluminum steels with a very high relative accuracy of temperature calculation of at least 0.1%. Therefore, it can be recommended to limit the upper limit of integration in integrals to 15 seconds when calculating by formula (3). This will provide the necessary accuracy in temperature calculations, both for welding steels and aluminum alloys and other alloys.
Величину эффективной мощности qИ в формуле (3) для сварочной дуги следует определять по формулеThe value of the effective power q And in the formula (3) for the welding arc should be determined by the formula
где I - ток сварки (дуги), А;where I is the welding current (arc), A;
qУ - удельная эффективная мощность дуги, равная частному от деления экспериментального значения эффективной мощности на ток сварки, Вт/А.q Y - specific effective arc power, equal to the quotient of dividing the experimental value of the effective power by the welding current, W / A.
Поэтому в формуле (2) вместо эффективной мощности дуги qИ используется выражение (4). Такая форма позволяет выделить и представить более наглядно непосредственное влияние тока сварки как параметра режима на температуру изделия и, следовательно, на глубину проплавления и получить формулу (2) для расчета регулирующего тока сварки.Therefore, in formula (2), instead of the effective power of the arc q AND , expression (4) is used. This form makes it possible to isolate and present more clearly the direct effect of the welding current as a mode parameter on the temperature of the product and, consequently, on the penetration depth, and to obtain formula (2) for calculating the regulating welding current.
Из формулы (3) видно, что температура точек тела пропорциональна эффективной мощности источника тепла и обратно пропорциональна объемной теплоемкости пластины. Поэтому температура будет пропорциональна отношению этих величин. Это позволяет определять экспериментально и использовать в дальнейшем в формуле (3) не каждую из этих величин по отдельности, а их отношение, и в дальнейшем при регулировании глубины проплавления оперировать этим отношением. Обозначим этот отношение Q, не включая в него ток сварки, который может изменяться в процессе сварки вследствие действия возмущенийFrom formula (3) it can be seen that the temperature of the points of the body is proportional to the effective power of the heat source and inversely proportional to the volumetric heat capacity of the plate. Therefore, the temperature will be proportional to the ratio of these values. This makes it possible to determine experimentally and further use in formula (3) not each of these values separately, but their ratio, and in the future, when adjusting the penetration depth, operate with this ratio. Let us denote this ratio Q, excluding the welding current, which can change during welding due to the action of disturbances
Размерность коэффициента Q - (см3⋅°С)/(А⋅с). При умножении Q на ток сварки I получим размерность (см3⋅°С)/(с).The dimension of the coefficient Q is (cm 3 ⋅ ° С) / (А⋅с). When multiplying Q by the welding current I, we get the dimension (cm 3 ⋅ ° C) / (s).
В этом случае получается, что в формуле (3) остаются только два неизвестных: коэффициент пропорциональности Q и коэффициент температуропроводностся . Для их однозначного определения на номинальном (эталонном) режиме нужно знать две независимые температуры в двух точках тела при известных координатах этих точек х, у, z. Тогда из формулы (3) можно составить систему уравнений относительно неизвестных коэффициентов. Так как известно, что на границе шва с основным металлом при сварке температура всегда равна температуре плавления, можно использовать ширину шва и глубину проплавления для отыскания постоянных коэффициентов Q и в формуле (3), а затем применять эти коэффициенты при расчете регулирующего параметра - тока сварки. При этом обеспечивается высокая точность определения регулирующего воздействия, так как полученные коэффициенты изменяются очень незначительно при имеющих место возмущениях параметров сварки, в том числе вследствие их стабилизации.In this case, it turns out that only two unknowns remain in formula (3): the proportionality coefficient Q and the thermal diffusivity ... For their unambiguous determination in the nominal (reference) mode, you need to know two independent temperatures at two points of the body with the known coordinates of these points x, y, z. Then from formula (3) it is possible to compose a system of equations for unknown coefficients. Since it is known that at the interface of the weld with the base metal during welding, the temperature is always equal to the melting temperature, you can use the width of the weld and the depth of penetration to find constant coefficients Q and in the formula (3), and then apply these coefficients when calculating the control parameter - welding current. At the same time, a high accuracy of determining the control action is ensured, since the obtained coefficients change very insignificantly when there are disturbances in welding parameters, including due to their stabilization.
Вместо координаты z в формуле (3) при составлении формулы (2) использована номинальная (эталонная) глубина проплавления Н0, так как на ее основе производится расчет регулирующего параметра сварки - тока сварки, то есть при регулировании она является известной заданной величиной, а неизвестным является значение регулирующего параметра - тока сварки. Значение координаты у принято равным нулю (у=0), так как максимальная глубина проплавления имеет место при таком значении у из-за симметрии распределения температур относительно оси X. Значение координаты х0 определяется численным методом в процессе расчета коэффициентов Q и .Instead of the z coordinate in formula (3), when compiling formula (2), the nominal (reference) penetration depth H 0 was used , since it is used to calculate the welding control parameter - the welding current, that is, when regulated, it is a known set value, and unknown is the value of the control parameter - welding current. The value of the y coordinate is taken to be zero (y = 0), since the maximum penetration depth occurs at such a value of y due to the symmetry of the temperature distribution about the X axis. The value of the x 0 coordinate is determined numerically during the calculation of the Q and ...
Величина qУ в литературе получила название вольтова эквивалента эффективной мощности или удельного теплового потока. Последнее название не совсем точно отражает сущность данного параметра, так как понятие плотность теплового потока включает площадь, на которую действует мощность. Более точно называть эту величину удельной эффективной мощностью. Величина qУ слабо, но все же зависит от тока и длины дуги, а, следовательно, и от напряжения дуги. Это обусловлено тем, что эффективная мощность при сварке неплавящимся электродом преимущественно передается изделию от приэлектродной области дуги у изделия. В связи с этим стабилизация напряжения дуги в предлагаемом способе положительно сказывается на точности регулирования глубины проплавления.The value of q Y in the literature is called the volt equivalent of effective power or specific heat flux. The last name does not quite accurately reflect the essence of this parameter, since the concept of heat flux density includes the area over which the power acts. It is more accurate to call this value the specific effective power. The value of q Y is weak, but still depends on the current and arc length, and, consequently, on the arc voltage. This is due to the fact that the effective power when welding with a non-consumable electrode is mainly transferred to the product from the near-electrode region of the arc at the product. In this regard, the stabilization of the arc voltage in the proposed method has a positive effect on the accuracy of control of the penetration depth.
Известно, что эффективная мощность сварочной дуги часто определяют по формулеIt is known that the effective power of the welding arc is often determined by the formula
где U - напряжение сварочной дуги, В,where U is the voltage of the welding arc, V,
ηИ - эффективный КПД сварочной дуги.η И - effective efficiency of the welding arc.
Сопоставляя формулы (4) и (6) можно отметить, что фактическиComparing formulas (4) and (6), it can be noted that in fact
Из формулы (7) вытекает, что совместное изменение напряжения дуги и эффективного КПД сварки может быть таким, что при увеличении одного из них (напряжение, длина дуги), второе будет уменьшаться, а в целом произведение указанных величин будет стабильным. Это в действительности имеет место на практике при изменении длины дуги.From formula (7) it follows that the joint change in the arc voltage and the effective welding efficiency can be such that with an increase in one of them (voltage, arc length), the second will decrease, and in general, the product of these values will be stable. This is actually the case in practice when changing the arc length.
Эффективный КПД сварочной дуги прямой полярности в аргоне с неплавящимся вольфрамовым электродом в литературе рекомендуют принимать в диапазоне 0,65-0,75 (см., например, Ерохин А.А. Основы сварки плавлением. М.: Машиностроение, 1973, 448 с. С. 13, таблица 1.2). Отклонение от среднего значения составляет здесь ±8%. Во многих случаях оно значительно больше. Такой разброс значений КПД обусловлен изменением таких условий, как длина дуги, скорость сварки, угол заточки электрода, толщина металла, качество его поверхности и др. С увеличением длины дуги эффективный КПД обычно уменьшается. Это вызвано ростом напряжения в столбе дуги и постоянством полезной (эффективной) мощности, передаваемой дугой изделию ее приэлектродной областью. При удлинении дуги прирост мощности дуги происходит в основном за счет увеличения выделения энергии в столбе дуги и практически весь теряется в окружающую среду. В отличие от КПД удельная эффективная мощность qУ практически не зависит от тока. Это позволяет, рассчитав коэффициент Q по размерам шва при номинальных параметрах сварки, принять его постоянным и в дальнейшем использовать для расчета регулирующего параметра сварки при возмущениях по току дуги. Одновременно учитывается влияние объемной теплоемкости сρ.The effective efficiency of a welding arc of straight polarity in argon with a nonconsumable tungsten electrode in the literature is recommended to be taken in the range of 0.65-0.75 (see, for example, A.A. Erokhin, Fundamentals of fusion welding. M .: Mashinostroenie, 1973, 448 p. P. 13, table 1.2). The deviation from the mean here is ± 8%. In many cases, it is much larger. Such a scatter of efficiency values is due to changes in conditions such as arc length, welding speed, electrode sharpening angle, metal thickness, quality of its surface, etc. With an increase in the arc length, the effective efficiency usually decreases. This is caused by an increase in the voltage in the arc column and the constancy of the useful (effective) power transmitted by the arc to the product by its near-electrode region. With the lengthening of the arc, the increase in arc power occurs mainly due to an increase in the release of energy in the arc column, and almost all of it is lost to the environment. In contrast to the efficiency, the specific effective power q Y is practically independent of the current. This makes it possible, by calculating the coefficient Q by the dimensions of the weld at nominal welding parameters, to take it constant and then use it to calculate the regulating welding parameter with disturbances in the arc current. At the same time, the influence of the volumetric heat capacity cρ is taken into account.
На основе эксперимента по определению размеров сварного шва в предлагаемом способе регулирования определяется не само значение qУ, а коэффициент пропорциональности Q, в который qУ входит сомножителем. Тогда возмущающее воздействие по току сварки будет приводить к пропорциональному изменению множителя Q⋅I в формуле (3) и можно вести расчет регулирующего параметра сварки - тока сварки. Зная ток при сварке эталонного шва несложно рассчитать по коэффициенту Q и значение qУ.Based on the experiment to determine the dimensions of the weld in the proposed control method, not the value of q Y itself is determined, but the proportionality coefficient Q, in which q Y is a factor. Then the disturbing effect on the welding current will lead to a proportional change in the Q⋅I multiplier in formula (3) and it is possible to calculate the welding control parameter - the welding current. Knowing the current when welding a reference seam, it is easy to calculate by the coefficient Q and the value of q Y.
Приравняв в формуле (3) температуру Т равной температуре плавления TL, отсчитываемой от нуля градусов Цельсия и учитывая начальную температуру пластин Т0, получаем уравнение для отыскания глубины проплавления Н при у=0 по оси X. В том числе может быть найдена численным методом максимальная глубина проплавления Н0 и ее координата x0.Equating in formula (3) the temperature T equal to the melting temperature T L , measured from zero degrees Celsius and taking into account the initial temperature of the plates T 0 , we obtain an equation for finding the depth of penetration H at y = 0 along the X axis. Including can be found by the numerical method maximum penetration depth Н 0 and its coordinate x 0 .
С помощью уравнения (8) можно рассчитать любой размер сварочной ванны, в том числе глубину сварочной ванны Н в любой плоскости по толщине пластины, в том числе максимальную при координате у=0, то есть найти координаты х, z, при которых приращение температуры ΔТ=ΔTL. Если взять другое значение у, то получим глубину проплавления в плоскости, параллельной оси Y. Значение координаты z принимается в таком расчете равным глубине проплавления Н и является искомой величиной при построении профиля границы сварочной ванны на фиг. 2.Using equation (8), it is possible to calculate any size of the weld pool, including the depth of the weld pool H in any plane along the plate thickness, including the maximum one at the coordinate y = 0, that is, find the coordinates x, z at which the temperature increment ΔТ = ΔT L. If we take a different value for y, we obtain the depth of penetration in a plane parallel to the Y axis. The value of the z coordinate is taken in this calculation to be equal to the penetration depth H and is the desired value when constructing the profile of the weld pool boundary in Fig. 2.
Для отыскания координаты z с температурой, равной температуре плавления, может, например, для каждой выбранной координаты х использоваться метод деления отрезка между плоскостями пластин пополам (метод дихотомии). При этом методе первой рассчитывается температура точки в срединной плоскости пластины. Отыскание максимальной глубины проплавления и координаты х0 ее положения может производиться численным методом последовательной подстановкой координат х с определенным шагом Δх. При вычислении профиля на фиг. 2 шаг Δх выбирался 0,1 см=1 мм. Таким образом, профиль, представленный на фиг. 2 является эталонным расчетным продольным профилем сварочной ванны по оси шва X.To find the z coordinate with a temperature equal to the melting temperature, for example, for each selected x coordinate, the method of dividing the segment between the planes of the plates in half (dichotomy method) can be used. This method calculates the temperature of a point in the middle plane of the plate first. The search for the maximum penetration depth and the x 0 coordinates of its position can be carried out numerically by successive substitution of the x coordinates with a certain step Δx. When calculating the profile in FIG. 2 step Δx was chosen 0.1 cm = 1 mm. Thus, the profile shown in FIG. 2 is the reference design longitudinal profile of the weld pool along the weld axis X.
Значения теплофизических коэффициентов при расчете профиля на фиг. 2 принимались рекомендуемыми для высоколегированной стали 304L (США): объемная теплоемкость сρ=3,476 Дж/(см3°С), коэффициент температуропроводности =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).The values of thermophysical coefficients when calculating the profile in Fig. 2 were taken as recommended for high-alloy steel 304L (USA): volumetric heat capacity cρ = 3.476 J / (cm 3 ° C), thermal diffusivity = 0.0432 cm 2 / s (see Sidorov V.P. Double-arc double-sided welding with non-consumable electrodes in argon / V.P. Sidorov, S.A. Khurin. Togliatti: TSU Publishing House, 2015. - 191 p. - S. 67-68).
Толщина пластин при расчете принималась δ=0,6 см, эффективная мощность источника тепла qИ=1350 Вт, скорость сварки VC=0,43 см/с. При удельной эффективной мощности qУ=6,0 Вт/А этой мощности соответствует ток сварки I=225 А.The plate thickness was assumed when calculating δ = 0,6 cm, the effective power of the heat source and q = 1350 W, the welding speed V C = 0,43 cm / s. With a specific effective power q Y = 6.0 W / A, this power corresponds to a welding current I = 225 A.
Значение коэффициента Q при данных параметрах расчетаThe value of the Q coefficient for the given calculation parameters
Q=qУ/cρ=6/3,476=1,726 (см3°С)/(А⋅с).Q = q Y / cρ = 6 / 3.476 = 1.726 (cm 3 ° C) / (A⋅s).
Температура плавления высоколегированной стали, отсчитываемая от 0°С принималась TL=1440°С. Номинальная температура деталей перед сваркой принималась Т0=20°С. Таким образом, номинальная (эталонная) расчетная температура плавления ΔTL=(TL-T0) при расчете размеров сварочной ванны составляла 1420°С. Верхний предел интегрирования времени t в уравнении, составленном по формуле (3), принимался t=15 секунд, в результате дальнейшего увеличения времени глубина проплавления изменялась менее чем на 0,01%. Разбиение одной секунды при вычислении одного интеграла из ряда в уравнении на отрезки составляло М=50. При этом время расчета одной точки профиля на обычном персональном компьютере составляет менее одной секунды. При оптимизации компьютерной программы и использовании более быстродействующего компьютера время вычисления регулирующего параметра по формуле (2), составленной из (3) может составлять порядка 0,01 с и менее. Максимальная глубина проплавления для профиля на фиг. 2 Н0=0,36 см, что составляет 60% от толщины пластины. Выбор такого же значения Н0 для второго шва обеспечивает перекрытие швов по высоте при двухсторонней сварке на 0,12 см=1,2 мм - 20% от толщины пластины. Так как при сварке двух симметричных швов с двух сторон во избежание непровара их необходимо проваривать не менее, чем на 50% толщины, то допускаемое отклонение (-ΔН0=0,36)=-0,6 мм. Положительное отклонение можно принять равным +0,6 мм и тогда максимальная допускаемая глубина проплавления будет Н=4,2 мм.The melting temperature of high-alloy steel, measured from 0 ° C, was taken as T L = 1440 ° C. The nominal temperature of the parts before welding was taken T 0 = 20 ° C. Thus, the nominal (reference) calculated melting temperature ΔT L = (T L -T 0 ) when calculating the dimensions of the weld pool was 1420 ° C. The upper limit of integration of the time t in the equation compiled according to the formula (3) was taken t = 15 seconds, as a result of a further increase in time, the penetration depth changed by less than 0.01%. The division of one second when calculating one integral from the series in the equation into segments was M = 50. In this case, the computation time for one point of the profile on an ordinary personal computer is less than one second. When optimizing a computer program and using a faster computer, the time for calculating the regulating parameter according to formula (2), composed from (3), can be of the order of 0.01 s or less. The maximum penetration depth for the profile in FIG. 2 Н 0 = 0.36 cm, which is 60% of the plate thickness. The choice of the same value of H 0 for the second weld provides overlapping of the seams in height during double-sided welding by 0.12 cm = 1.2 mm - 20% of the plate thickness. Since when welding two symmetrical seams on both sides, in order to avoid lack of penetration, they must be welded by at least 50% of the thickness, the permissible deviation (-ΔH 0 = 0.36) = - 0.6 mm. A positive deviation can be taken equal to +0.6 mm and then the maximum allowable penetration depth will be H = 4.2 mm.
Расчеты по уравнению (8) производились программированием вычислений путем задания необходимой точности вычисления глубины проплавления, которая составляла 0,01 мм. При этом число положительных и отрицательных членов ряда в уравнении (8) не превышало n=N=±10. Программа автоматически прекращает вычисления при достижении заданной точности вычислений последнего члена ряда в (8).Calculations according to equation (8) were performed by programming the calculations by setting the required accuracy of calculating the penetration depth, which was 0.01 mm. In this case, the number of positive and negative terms of the series in equation (8) did not exceed n = N = ± 10. The program automatically stops calculating when the specified calculation accuracy of the last term of the series in (8) is reached.
Определение точек профиля на фиг. 2 производилось следующим образом. Координата по оси Y задается у=0, так при этом обеспечивается максимальная глубина проплавления. Затем задается начальная точка с координатой х=0 и методом дихотомии вычисляется значение координаты z, представляющей граничную точку с температурой плавления. После этого координата х изменяется с определенным шагом и расчет повторяется. При расчетах положительное направление оси х для удобства выбирали противоположно направлению сварки, что достигается изменением знака при х в уравнении (8). Из полученных значений глубины проплавления выбирается точка с максимальным значением Н0 и определяется ее координата х0.The definition of the profile points in FIG. 2 was produced as follows. The Y-axis coordinate is set to y = 0, so that the maximum penetration depth is ensured. Then the starting point is set with the x = 0 coordinate and the dichotomy method is used to calculate the value of the z coordinate, which represents the endpoint with the melting point. After that, the x coordinate changes with a certain step and the calculation is repeated. In the calculations, for convenience, the positive direction of the x axis was chosen opposite to the direction of welding, which is achieved by changing the sign at x in equation (8). From the obtained values of the penetration depth, a point with a maximum value of H 0 is selected and its coordinate x 0 is determined.
В области координат X с максимальной глубиной проплавления последняя изменяется с низкой интенсивностью, то есть производная dH/dx близка к нулю. Можно принять, что максимальная глубина проплавления имеет место на данном режиме при х0=0,45 см. Такая зависимость Н(х) позволяет не учитывать изменение положения х0 при малых возмущениях параметров и принимать его найденное значение для номинальных параметров процесса.In the X coordinate region with the maximum penetration depth, the latter changes with a low intensity, that is, the dH / dx derivative is close to zero. It can be assumed that the maximum penetration depth takes place in this mode at x 0 = 0.45 cm. Such a dependence of H (x) makes it possible not to take into account the change in the position of x 0 at small perturbations of the parameters and to take its found value for the nominal process parameters.
Методы решения нелинейных уравнений типа (8) подробно изложены в специальной литературе, например см. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке Бейсик для персональных ЭВМ. - М.: Наука, 1987 - 240 с., С. 86-91, программы 4.11…4.19. В определенное место таких программ программируется вычисления по исходной функции, по которой составляется уравнение. В нашем случае для профиля на фиг. 2 это функция (3). Метод дихотомии изложен в программе 4.15 на стр. 89 этого справочника.Methods for solving nonlinear equations of type (8) are described in detail in special literature, for example, see V.P. Dyakonov. Reference book on algorithms and programs in the BASIC language for personal computers. - M .: Nauka, 1987 - 240 p., Pp. 86-91, programs 4.11 ... 4.19. In a certain place of such programs, calculations are programmed according to the original function, according to which the equation is formed. In our case, for the profile in FIG. 2 is function (3). The dichotomy method is described in Program 4.15 on page 89 of this handbook.
Обычно проблемой при использовании формул типа формулы (3) для расчета температур при сварке при линейной постановке задачи (теплофизические коэффициенты принимаются не зависящими от температуры) является именно назначение величин этих коэффициентов, так как в действительности они в определенной степени зависят от температуры. Обычно добиваются наилучшей сходимости расчетных и опытных термических циклов точек пластины, выбирая значения коэффициентов для некоей усредненной температуры сварки. Рекомендации по выбору такой усредненной температуры сварки не подходят для достижения необходимой точности расчетов при автоматическом регулировании. Однако, если использовать два параметра температурного поля (в предлагаемом способе регулирования это глубина проплавления и ширина шва), то можно получить два точных значения коэффициентов Q и . При этом отпадает необходимость прямого измерения эффективной мощности дуги калориметрированием, которое заменяется более простым определением эталонной ширины шва В0 и глубины шва Н0. Одновременно устраняется неопределенность с назначением объемной теплоемкости сρ. Такой методикой устраняются неточности математической модели, вызванные принятием допущения о постоянстве теплофизических коэффициентов, отсутствии учета их зависимости от температуры, а также допущение о действии точечного источника тепла. При составлении системы уравнений для расчета коэффициентов Q и второе уравнение будет иметь видUsually, the problem when using formulas like formula (3) for calculating temperatures during welding in a linear formulation of the problem (thermophysical coefficients are taken to be independent of temperature) is precisely the assignment of the values of these coefficients, since in reality they depend to a certain extent on temperature. Usually, the best convergence of the calculated and experimental thermal cycles of plate points is achieved by choosing the values of the coefficients for a certain average welding temperature. Recommendations for the selection of such an average welding temperature are not suitable for achieving the required accuracy of calculations with automatic control. However, if we use two parameters of the temperature field (in the proposed control method these are the penetration depth and the seam width), then we can obtain two exact values of the coefficients Q and ... This eliminates the need for direct measurement of the effective arc power by calorimetry, which is replaced by a simpler determination of the reference weld width B 0 and the seam depth H 0 . At the same time, the uncertainty with the assignment of the volumetric heat capacity cρ is eliminated. This technique eliminates the inaccuracies of the mathematical model caused by the assumption of the constancy of thermophysical coefficients, the lack of taking into account their dependence on temperature, as well as the assumption of the action of a point heat source. When compiling a system of equations for calculating the coefficients Q and the second equation will be
В уравнении (9) вместо координаты у используется половина номинальной (эталонной) ширины шва В0, а вместо координаты z подставляется z=0, так максимальная ширина шва будет иметь место на поверхности пластины со стороны действия источника тепла. Координата х является переменной величиной и фиксируется для максимальной ширины сварочной ванны. Таким образом, решение системы уравнений (8) и (9) заключается в отыскании единственных значений коэффициентов Q и , для заданных максимальной глубины проплавления и ширины шва.In equation (9), instead of the y coordinate, half of the nominal (reference) weld width B 0 is used , and z = 0 is substituted for the z coordinate, so the maximum seam width will take place on the plate surface from the side of the heat source. The x coordinate is variable and is fixed to the maximum width of the weld pool. Thus, the solution to the system of equations (8) and (9) consists in finding the unique values of the coefficients Q and , for the given maximum penetration depth and weld width.
На фиг. 3 представлена расчетная полуизотерма сварочной ванны на поверхности пластин со стороны действия источника тепла, полученная с помощью уравнения (9), составленного по формуле (3). Параметры источника тепла и теплофизические коэффициенты аналогичны кривой на фиг. 2. Координата z в уравнении (3) была принята z=0. Приведена одна половина изотермы, так как такая изотерма симметрична относительно продольной оси X. Порядок построения изотермы аналогичен построению профиля провара для фиг. 2. Отличие заключается в том, что при использовании для расчета метода дихотомии (деления отрезка пополам) необходимо производить поиск границы сварочной ванны внутри отрезка Δу, размер которого должен выбираться заведомо больше максимальной ширины сварочной ванны. Это делается таким образом, что удаленная граница зоны расчета берется пропорционально толщине свариваемых пластин, например 3δ, что заведомо больше половины эталонной ширины шва.FIG. 3 shows the calculated half-isotherm of the weld pool on the surface of the plates from the side of the heat source, obtained using equation (9), compiled by formula (3). Heat source parameters and thermophysical coefficients are similar to the curve in Fig. 2. The z coordinate in equation (3) was taken z = 0. One half of the isotherm is shown, since such an isotherm is symmetric about the longitudinal axis X. The order of constructing the isotherm is similar to constructing the penetration profile for Fig. 2. The difference lies in the fact that when using the dichotomy method for calculating (dividing a segment in half), it is necessary to search for the weld pool boundary inside the Δу segment, the size of which must be chosen deliberately greater than the maximum width of the weld pool. This is done in such a way that the remote boundary of the calculation zone is taken in proportion to the thickness of the plates being welded, for example, 3δ, which is obviously more than half the reference seam width.
Другим вариантом является приближенная оценка ширины шва по известной более простой формуле для точечного быстродвижущегося источника тепла, дающей несколько завышенное значение ширины шва, по сравнению с источником тепла, движущимся с ограниченной скоростью.Another option is an approximate estimate of the seam width according to the known simpler formula for a point fast-moving heat source, which gives a slightly overestimated value of the seam width, in comparison with a heat source moving at a limited speed.
Затем задается точка с координатой х и методом дихотомии вычисляется значение координаты у, представляющей граничную точку с температурой плавления. После этого координата х изменяется с определенным шагом и расчет повторяется. При построении изотермы положительное направление оси х для удобства выбирали противоположно направлению сварки, что достигается изменением знака при х в уравнении (9). Из полученных значений ширины сварочной ванны выбирается точка с максимальным значением ширины шва В0. Эта точка всегда находится в направлении, противоположном направлению сварки, поэтому первое значение х можно принимать х=0, а затем изменять его с определенным шагом. При построении изотермы на фиг. 3 шаг по X Δх=0,1 см=1 мм.Then the point with the x coordinate is set and the value of the y coordinate, representing the boundary point with the melting point, is calculated using the dichotomy method. After that, the x coordinate changes with a certain step and the calculation is repeated. When constructing the isotherm, for convenience, the positive direction of the x axis was chosen opposite to the direction of welding, which is achieved by changing the sign at x in Eq. (9). From the obtained values of the width of the weld pool, the point with the maximum value of the seam width B 0 is selected. This point is always in the direction opposite to the direction of welding, so the first value of x can be taken x = 0, and then change it with a certain step. When plotting the isotherm in FIG. 3 step along X Δх = 0.1 cm = 1 mm.
В области координат X с максимальной шириной сварочной ванны (ширина шва) она изменяется с низкой интенсивностью, то есть производная dB/dx близка к нулю. Можно принять, что максимальная ширина сварочной ванны имеет место при х0=0,40 см. Такая зависимость В(х) позволяет не учитывать изменение положения х0 при малых возмущениях параметров и принимать его найденное значение для номинальных параметров процесса. Это необходимо при определении коэффициентов Q и формулы (3) и уравнений (8), (9).In the X coordinate area with the maximum width of the weld pool (weld width), it changes with a low intensity, that is, the derivative dB / dx is close to zero. It can be assumed that the maximum width of the weld pool takes place at x 0 = 0.40 cm. Such a dependence B (x) makes it possible not to take into account the change in the position of x 0 at small perturbations of the parameters and to take its found value for the nominal process parameters. This is necessary when determining the coefficients Q and formulas (3) and equations (8), (9).
Из графика на фиг. 3 следует, что общая длина сварочной ванны по оси при у=0 составляет L=≈1,4 см. Длина ванны впереди источника тепла ≈0,2 см, а длина ванны позади источника тепла ≈1,2 см. Эти данные необходимы, чтобы размещать точку замера температура на оси шва за пределами сварочной ванны.From the graph in FIG. 3 it follows that the total length of the weld pool along the axis at y = 0 is L = ≈1.4 cm.The length of the pool in front of the heat source is ≈0.2 cm, and the length of the pool behind the heat source is ≈1.2 cm. These data are necessary, to locate the temperature measuring point on the weld axis outside the weld pool.
На фиг. 4 представлены зависимости удельной эффективной мощности qУ от тока дуги прямой полярности в аргоне в медный анод по литературным данным. В данном случае формула для qУ имеет видFIG. 4 shows the dependences of the specific effective power q Y on the arc current of straight polarity in argon to the copper anode according to the literature data. In this case, the formula for q Y has the form
где Wa - эффективная мощность в анод сварочной дуги, Вт;where Wa is the effective power to the anode of the welding arc, W;
- ток дуги (сварки), А. - arc current (welding), A.
Кривая 1 показывает зависимость при использовании в качестве вольфрамового электрода чистого вольфрама диаметрами 3,2 мм и 1,6 мм, кривая 2 - зависимость при использовании торированного вольфрамового электрода диаметром 3,2 мм. Наибольшее изменение удельной эффективной мощности имеет место для кривой 2 и составляет в диапазоне токов дуги 50-70 А 0,2 Вт/А, что при отклонении тока дуги на 10 А приведет к погрешности определения эффективной мощности дуги всего на 2 Вт, что составляет примерно 0,3%.Curve 1 shows the dependence when using pure tungsten with diameters of 3.2 mm and 1.6 mm as a tungsten electrode, curve 2 - dependence when using a thoriated tungsten electrode with a diameter of 3.2 mm. The largest change in the specific effective power takes place for
Зависимости на фиг. 4 и обозначения величин приведены в монографии A.В. Савинова и др. «Дуговая сварка неплавящимся электродом». М.: Машиностроение. 2011. - 477 с. С. 82, рис. 1.57.The dependencies in FIG. 4 and the designations of the quantities are given in the monograph by A.V. Savinova et al. "Non-consumable electrode arc welding." M .: Mechanical engineering. 2011 .-- 477 p. P. 82, fig. 1.57.
На фиг. 5 показана расчетные зависимости максимальной глубины проплавления Н и ширины шва В от коэффициента Q, полученные с помощью уравнений (8) и (9). Теплофизические параметры расчета оставались такими же, как для зависимости на фиг. 2. Кривая 3 представляет зависимость для глубины проплавления Н, а кривая 4 для ширины шва В. В интервале коэффициентов Q с центром в точке номинального режима Q=1,73 (см3°С)/(А⋅с) средний коэффициент передачи для глубины проплавления kПН=ΔH/ΔQ=0,65/1,72=0,378 мм/[(см3°С)/(А⋅с)]. Зависимость 3 показывает влияние коэффициента Q на глубину проплавления. Поэтому точное определение коэффициента Q, для данных условий сварки, учитывающего эффективную мощность и теплоемкость металла, необходимо для точного регулирования глубины проплавления.FIG. 5 shows the calculated dependences of the maximum penetration depth H and the weld width B on the coefficient Q, obtained using equations (8) and (9). The thermophysical parameters of the calculation remained the same as for the dependence in Fig. 2.
На фиг. 6 представлены расчетные по уравнениям (8) и (9) зависимости глубины проплавления и ширины шва от коэффициента тепературопроводности . Остальные параметры расчета и коэффициенты были как для профиля на фиг. 2. Значение коэффициента Q=1,73 (см3°С)/(А⋅с), qИ=1350 Вт, чему соответствует ток сварки I≈225 А.FIG. 6 shows the dependences of the penetration depth and weld width on the thermal diffusivity coefficient calculated according to equations (8) and (9) ... The rest of the calculation parameters and coefficients were the same as for the profile in Fig. 2. The value of the coefficient Q = 1.73 (cm 3 ° C) / (A⋅s), q И = 1350 W, which corresponds to the welding current I≈225 A.
Кривая 5 относится к глубине проплавления Н, а кривая 6 к ширине шва B. Из зависимостей 5 и 6 видно, что увеличение коэффициента температуропроводности приводит к уменьшению глубины проплавления и ширины шва. Зависимость 5 показывает влияние коэффициента температуропроводности на глубину проплавления. Поэтому точное определение для данных условий сварки, необходимо для точного регулирования глубины проплавления.
На фиг. 7 показаны расчетные по уравнениям (8) и (9) зависимости максимальной глубины проплавления Н и ширины шва В от скорости сварки. Параметры расчета остались такими же, как для профиля сварочной ванны на фиг. 2. Кривая 7 представляет зависимость для глубины проплавления, а кривая 8 - для ширины шва В. Значение коэффициента Q=1,73 (см3°С)/(А⋅с).FIG. 7 shows the dependences of the maximum penetration depth H and the weld width B on the welding speed, calculated according to equations (8) and (9). The calculation parameters remained the same as for the weld pool profile in Fig. 2.
В интервале скоростей сварки VC=0,38-0,48 см/с средний коэффициент передачи для глубины проплавления kПН=ΔН/ΔVC=(0,56)/0,1=5,6 мм/(см/с).In the range of welding speeds V C = 0.38-0.48 cm / s, the average transmission coefficient for the depth of penetration k PN = ΔН / ΔV C = (0.56) / 0.1 = 5.6 mm / (cm / s ).
На фиг. 8 представлены расчетные зависимости максимальной глубины проплавления и ширины шва от разности ΔTL между температурой плавления TL и начальной температурой деталей Т0, полученные по уравнениям (8) и (9). Эта разность характеризует температуру подогрева пластины, начальную температуру пластины. Из формулы (3) следует, что подогрев пластины эквивалентен уменьшению температуры плавления металла. Кривая 9 относится к глубине проплавления, кривая 10 - к ширине шва. Другие параметры расчета соответствуют данным для фиг. 2.FIG. 8 shows the calculated dependences of the maximum penetration depth and weld width on the difference ΔT L between the melting temperature T L and the initial temperature of the parts T 0 , obtained according to equations (8) and (9). This difference characterizes the plate heating temperature, the initial plate temperature. From formula (3) it follows that heating the plate is equivalent to a decrease in the melting temperature of the metal.
Значение коэффициента Q=1,73 (см3°С)/(А⋅с). Кривые на фиг. 8 показывают, что отклонения температуры пластины, если их не учитывать при регулировании, будут приводить к погрешностям регулирования глубины проплавления. Коэффициент передачи для кривой 9 kП=ΔН/ΔТ=0,49/200=2,45⋅10-3 мм/°С. Отклонения температуры в точке замера от номинальной температуры будут характеризовать общий подогрев сварочного изделия. Поскольку напряжение дуги и скорость сварки в предлагаемом способе стабилизируются, то изменение температуры точки замера будет характеризовать преимущественно действие только неконтролируемых возмущений, например коэффициента температуропроводности или объемной теплоемкости сρ. Уменьшение объемной теплоемкости будет эквивалентно увеличению удельной эффективной мощности и приведет к повышению реальной температуры изделия. Это отразится на измеренной температуре точки, которая также повысится. В связи с этим регулирующая система произведет уменьшение тока сварки. Для учета влияния возмущения по коэффициенту температуропроводности или объемной теплоемкости необходимо при расчете регулирующего воздействия с помощью формулы (2) изменить разность между температурой плавления TL и номинальной начальной температурой пластины Т0 на величину разности температур в точке замера измеренной ТИ и расчетной ТР. Эту разность (ТИ-ТР) нужно вычесть из (TL-T0). При положительной разности (ТИ-ТР) начальная температура в формуле (2) снизится, что означает снижение глубины проплавления приведет к повышению расчетного тока сварки I по формуле (2). При отрицательной разности (ТИ-ТР) начальная температура в формуле (2) повысится, что означает повышение глубины проплавления и приведет к уменьшению расчетного тока сварки I по формуле (2).The value of the coefficient Q = 1.73 (cm 3 ° C) / (А⋅s). The curves in FIG. 8 show that deviations in the plate temperature, if not taken into account in the regulation, will lead to errors in the control of the penetration depth. Transfer coefficient for curve 9 k P = ΔН / ΔТ = 0.49 / 200 = 2.45⋅10 -3 mm / ° С. Deviations of the temperature at the measuring point from the nominal temperature will characterize the overall heating of the weldment. Since the arc voltage and welding speed in the proposed method are stabilized, the change in the temperature of the measuring point will characterize mainly the effect of only uncontrolled disturbances, for example, the thermal diffusivity or volumetric heat capacity сρ. A decrease in the volumetric heat capacity will be equivalent to an increase in the specific effective power and will lead to an increase in the actual temperature of the product. This will affect the measured point temperature, which will also rise. In this regard, the control system will reduce the welding current. To account is necessary when calculating the regulatory impact of the perturbation effect on the coefficient of thermal or volume heat capacity using formula (2) to change the difference between the melting temperature T L and nominal initial temperature of the plate T 0 to the temperature difference value at the measuring point measured by T D and the calculated T R. This difference (T AND -T P ) must be subtracted from (T L -T 0 ). With a positive difference (T AND -T R ), the initial temperature in formula (2) will decrease, which means a decrease in the penetration depth will lead to an increase in the calculated welding current I according to formula (2). With a negative difference (T AND -T R ), the initial temperature in formula (2) will increase, which means an increase in the penetration depth and will lead to a decrease in the calculated welding current I according to formula (2).
На фиг. 9 даны расчетные зависимости глубины проплавления и ширины шва от толщины пластины, полученные с помощью уравнений (8) и (9). Кривая 11 показывает зависимость для глубины проплавления, а кривая 12 - для ширины шва. Параметры расчета использовались как при построении профиля на фиг. 2. Значение коэффициента Q=1,73 (см3°С)/(А⋅с).FIG. 9 shows the calculated dependences of the penetration depth and weld width on the plate thickness, obtained using equations (8) and (9).
Толщина пластины следует отнести к неконтролируемым параметрам процесса, так как ее измерение в процессе сварки затруднено и неясно, в какой точке свариваемых пластин нужно производить измерение. С увеличением толщины пластины глубина проплавления и ширина шва уменьшается, что будет приводить к постоянной ошибке регулирования, если не откорректировать ток сварки и не учитывать при расчетах при регулировании изменение толщины пластин. Этому служит измерение температуры в точке замера. Изменение толщины всегда влияет на глубину проплавления и температуру любой точки замера с одинаковым знаком. Поэтому для возмущений по толщине положение точки замера температуры безразлично.The thickness of the plate should be attributed to uncontrolled process parameters, since its measurement during the welding process is difficult and it is unclear at what point of the plates being welded to be measured. With an increase in the thickness of the plate, the penetration depth and the width of the seam decrease, which will lead to a constant control error, if the welding current is not corrected and the change in plate thickness is not taken into account in the calculations when adjusting. This is done by measuring the temperature at the measuring point. A change in thickness always affects the penetration depth and temperature of any measuring point with the same sign. Therefore, for perturbations in thickness, the position of the temperature measurement point is indifferent.
На фиг. 10 представлена схема построения изолиний для получения коэффициента температуропроводности и коэффициента Q. Кривая 13 представляет зависимость номинальной глубины проплавления Н0 от коэффициента Q при коэффициенте температуропроводности см2/с, кривая 14 при см2/с, а кривая 15 при см2/с. Через эти кривые проводится линия, параллельная оси коэффициента Q при значении Н=Н0. Точки пересечения этой прямой с кривыми 13, 14, 15 дают координаты значений Q1, Q2, Q3 при разных коэффициентах температуропроводности и дают возможность построить изолинию «коэффициент Q - коэффициент температуропроводности » на фиг. 11, относящуюся к максимальной глубине проплавления.FIG. 10 shows a diagram of the construction of isolines to obtain the thermal diffusivity and
Аналогично строится график второй изолинии для ширины шва В0.Similarly, the graph of the second isoline is plotted for the seam width B 0 .
На фиг. 11 представлены две изолинии «коэффициент Q - коэффициент температуропроводности » для заданных значений номинальной глубины проплавления Н0 и номинальной ширины шва В0. Кривая 16 представляет изолинию для глубины проплавления Н0, а кривая 17 - изолинию для ширины шва В0. Изолиния - это такая кривая, на которой любая точка с различными коэффициентами Q и дает одинаковое значение исследуемого параметра. В данном случае любая точка на кривой 16 дает одинаковую номинальную глубину проплавления Н0, а любая точка на кривой 17 дает одинаковую номинальную ширину шва В0. Поскольку сочетание номинальной глубины проплавления и номинальной ширины шва для номинального режима единственное, то изолинии 16 и 17 имеют одну точку пересечения, которая дает единственные значения искомых коэффициентов Q и . Эти значения необходимо использовать для расчета величины регулируемого тока сварки при его расчете по формуле (2), что обеспечивает высокую точность регулирования глубины проплавления. Кривые строились на основе эксперимента по сварке стали марки 0Х18Н9Т толщиной 6 мм. Ток сварки I=200 А, скорость сварки VC=0,4 см/с. Ширина шва В0=6,8 мм Максимальная глубина проплавления Н0=3,6 мм. Согласно фиг. 11 можно принять =0,05 см2/с, Q=1,87 (см3°С)/(А⋅с). Полученным значениям соответствует эффективная мощность дуги qИ=1650 Вт и удельная эффективная мощность qУ=8,25 Вт/А.FIG. 11 shows two isolines "coefficient Q - coefficient of thermal diffusivity »For the given values of the nominal penetration depth H 0 and the nominal weld width B 0 .
Построение изолиний фактически представляет графический способ решения системы двух нелинейных уравнений (8) и (9), составленных по формуле (3). В этом случае в одном из уравнений координата у=0, a z=H0, а в другом z=0, а у=В0/2. Величина продольной координаты x01 с максимальной глубиной проплавления при отыскании коэффициента Q принимается постоянной, найденной для номинального режима. Аналогично х02 для ширины сварочной ванны (шва) при отыскании коэффициента температуропроводности принимается постоянной, найденной для номинального режима. В обоих уравнениях, решаемых численным методом с помощью изолиний, координата по оси X изменяется с небольшим шагом Δх.The construction of isolines actually represents a graphical method for solving a system of two nonlinear equations (8) and (9), compiled according to formula (3). In this case, in one of the equations, the coordinate is y = 0, az = H 0 , and in the other z = 0, and y = B 0/2 . The value of the longitudinal coordinate x 01 with the maximum penetration depth when finding the Q coefficient is assumed constant, found for the nominal mode. Similarly x 02 for the width of the weld pool (seam) when finding the thermal diffusivity is assumed to be the constant found for the nominal mode. In both equations, solved numerically using isolines, the coordinate along the X axis changes with a small step Δх.
На фиг. 12 представлены зависимости температуры трех точек поверхности пластины от коэффициента температуропроводности . Параметры расчета аналогичны зависимости глубины проплавления от коэффициента температуропроводности на фиг 6. (кривая 5). Параметры расчета такие же, как для фиг. 2 и фиг. 6. Кривая 18 представляет зависимость для точки замера с координатами у=0, z=0 х=1,4 см. Это точка на оси шва со стороны действия источника тепла на расстоянии 0,2 см от конца сварочной ванны. Кривая 19 для точки у=0, z=0,6 х=0,5 см. Это точка на противоположной плоскости пластины. Координата х близка к координате х0=0,45 см с максимальной глубиной сварочной ванны. Кривая 20 для точки у=0, z=0,6 х=1,2 см. Это точка также на противоположной плоскости пластины, более удалена от источника тепла. Координаты точек указаны в подвижной системе координат, центр которой в точке действия точечного источника тепла.FIG. 12 shows the dependences of the temperature of three points of the plate surface on the thermal diffusivity ... The calculation parameters are similar to the dependence of the penetration depth on the thermal diffusivity in Fig. 6. (curve 5). The calculation parameters are the same as for FIG. 2 and FIG. 6.
Из сопоставления графиков 18, 19 и 20 на фиг. 12 и графика 5 на фиг 6 видно, что при уменьшении или увеличении коэффициента температуропроводности глубина проплавления и температура точки замера могут изменяться с одинаковым знаком или с противоположным знаком. При регулировании, в случае влияния отклонения коэффициента на температуру с противоположным знаком, по отношению к глубине проплавления это приведет к нарушению устойчивости регулирования. Точки замера температуры для кривой 18 и 20 подходят для регулирования глубины проплавления, а точка для кривой 19 - не подходит. Для нее с увеличением коэффициента температуропроводности происходит увеличение температуры точки, в то время как максимальная глубина проплавления уменьшается (кривая 5 на фиг. 6).By comparing
На фиг. 13 показана схема автоматического регулирования по предлагаемому способу. Свариваемое изделие 21 перемещается относительно сварочной дуги 22 сварки со скоростью VC, горящей с электрода сварочной горелки 23, которая неподвижна. Источник питания 24 подключается положительным полюсом к изделию 21, а отрицательным полюсом к неплавящемуся электроду сварочной горелки 23. Сварочная дуга 22, горящая с неплавящегося электрода горелки 23 на изделие 21, расплавляет кромки свариваемого изделия 21. Образуется сварочная ванна 25 и после затвердевания расплавленного металла возникает сварной шов 26 с номинальной максимальной глубиной проплавления Н0 и номинальной шириной В0. Измерение их величин производится после сварки при номинальных параметрах сварки эталонного образца. Сварочный ток измеряется датчиком тока 27, включенным в сварочную цепь. В сварочную ванну 25 в промежуток между неплавящимся электродом сварочной горелки 23 и сварочной ванной 25 подается присадочная проволока 28 со скоростью VП, равной скорости ее расплавления теплом дуги 22. Скорость сварки VC, напряжение дуги 22 U и скорость VП подачи присадочной проволоки 28 стабилизируются отдельными устройствами с заданной точностью. Эти устройства на фиг. 13 не показаны.FIG. 13 shows a diagram of automatic control according to the proposed method. The
На кронштейне 29, закрепленном на сварочной горелке 23, крепится датчик температуры 30 поверхности изделия 21 в точке А на оси шва 26 за пределами сварочной ванны 25.On the
В процессе сварки сварочный ток измеряется с помощью датчика тока 27. Значения тока с датчика 27 передаются в вычислительный блок 31, в котором на основании заданных констант, постоянного стабилизированного значения скорости сварки и измеренного значения тока сварки IИ вычисляется расчетное значение температуры ТР точки замера А по формуле (3).During welding, the welding current is measured using the
Перед сваркой по описанной выше методике после сварки эталонного шва и определения коэффициентов и Q определяется координата подходящей точки замера температур А на поверхности изделия 21(z, у, х)А. В вычислительном блоке 31 используются следующие необходимые для расчета коэффициенты: температуропроводность , коэффициент Q, начальная номинальная температура изделия Т0, толщины пластин изделия δ, значения координат точки замера температуры, скорость сварки VC.Before welding according to the above procedure after welding the reference seam and determining the coefficients and Q, the coordinate of a suitable temperature measurement point A on the surface of the product 21 (z, y, x) A is determined. The
Расчетная температура ТР передается в блок сравнения температур 32. В блок сравнения 32 также передается измеренная температура точки А с датчика температуры 30. В блоке сравнения 32 производится вычисление разности измеренной ТИ и вычисленной температур ТР. Полученная разность температур (ТР-ТИ) с блока сравнения 32 передается на второй вычислительный блок 33, в котором сначала производится изменение начальной температуры свариваемого изделия с Т0 на величину полученной разности, а затем вычисление необходимого тока сварки IP по формуле (2). Необходимые для расчета константы также хранятся непосредственно в блоке 33. Вычисленное значение тока сварки IP передается с вычислительного блока 33 в сварочный источник питания 24, в котором устанавливается необходимый для стабилизации глубины проплавления ток сварки IP. В связи с достаточно высокой инерционностью проплавления при сварке по отношению к действию возмущений, измерение тока сварки и температуры поверхности изделия и вычисление необходимого тока производится дискретно, например, с периодичностью 0,05 секунды.The calculated temperature T P is transmitted to the
В вычислительном блоке 33 дополнительно к константам, хранящимся в вычислительном блоке 32 хранится значение температуры плавления металла изделия TL и номинальной максимальной глубины проплавления Н0, координаты точки х0 с максимальной глубиной проплавления. В то же время в вычислительном блоке 32 не хранятся координаты точки А.In the
В качестве свариваемого изделия 21 могут использоваться пластины при наплавке слоев со специальными свойствами или соединяемые детали стыкового соединения без разделки кромок при сварке, например соединения трубных заготовок.As a welded
Пример 1.Example 1.
Проводили определение регулирующего тока сварки по предлагаемому способу. Источник питания имел систему управления, обеспечивающую установку необходимого тока сварки.The determination of the regulating welding current was carried out according to the proposed method. The power source had a control system for setting the required welding current.
Для сварки были использованы пластины из стали 20 толщиной δ=6 мм. Рассматривалось регулирование для случая сварки первого слоя двухстороннего сварного шва. Номинальная глубина провара составила 60% от толщины пластин Н0=3,6 мм. Допускаемые отклонения от этой величины были выбраны ΔН0±0,6 мм, то есть ±10% от толщины. Для получения номинальной глубины проплавления был подобран режим аргонодуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электродом без присадочной проволоки на прямой полярности дуги: напряжение сварки (дуги) U=14,0 В, ток сварки (дуги) I=275 А, скорость сварки VC=0,25 см/с (номинальные режимы). Скорость сварки и напряжение на дуге стабилизировались с точностью ±0,5% от номинальных значений.For welding, plates of
Номинальная ширина шва при этом составила В0=0,653 см=6,53 мм.The nominal joint width at this amounted B 0 = 0.653 cm = 6.53 mm.
Начальная температура пластин составляла Т0=20°С. По опытным значениям номинальной глубины проплавления Н0=0,36 см и номинальной ширины шва В0=0,653 см и температуре плавления низкоуглеродистой стали, отсчитываемой от 0°С TL=1520°С при номинальных параметрах сварочного процесса по уравнениям (8) и (9) с помощью компьютерной программы, составленной на языке программирования Бейсик были построены изолинии «коэффициент Q - коэффициент температуропроводности и на точке пересечения изолиний получены расчетные значения Q=1,2 (см3°С)/(А⋅с) и температуропроводности =0,08 см2/с. Координата точки в направлении движения источника тепла, в которой глубина проплавления максимальна при у=0 составила x0=0,2 см. Эта координата используется при расчете регулирующего тока сварки. Длина сварочной ванны на поверхности пластины составила L=0,9 см, а координата точки конца сварочной ванны позади дуги xL=0,6 см. Последняя координата необходима для поиска точки замера температуры, так как точка замера должна располагаться за пределами сварочной ванны.The initial temperature of the plates was T 0 = 20 ° C. According to the experimental values of the nominal penetration depth H 0 = 0.36 cm and the nominal weld width B 0 = 0.653 cm and the melting temperature of low-carbon steel, measured from 0 ° C T L = 1520 ° C at the nominal parameters of the welding process according to equations (8) and (9) with the help of a computer program written in the BASIC programming language, isolines were constructed “coefficient Q - coefficient of thermal diffusivity and at the point of intersection of isolines, the calculated values of Q = 1.2 (cm 3 ° С) / (А⋅с) and thermal diffusivity were obtained = 0.08 cm 2 / s. The coordinate of the point in the direction of movement of the heat source, in which the penetration depth is maximum at y = 0 was x 0 = 0.2 cm. This coordinate is used to calculate the control welding current. The length of the weld pool on the surface of the plate was L = 0.9 cm, and the coordinate of the point of the end of the weld pool behind the arc x L = 0.6 cm.The last coordinate is necessary to find the temperature measuring point, since the measuring point must be located outside the weld pool.
После этого определили положение точки замера температуры, в которой обеспечивается одинаковый знак изменения глубины проплавления и температуры точки с координатами на поверхности со стороны источника тепла z=0, у=0, х=0,8 см. Номинальная расчетная температура этой точки TAP=1196°С. В процессе еще одного эксперимента определили реальную температуру точки на номинальном режиме ТАИ. Расчетная температура оказалась больше реальной температуры на +5°С. Относительная погрешность расчетного значения температуры относительно опытного 0,04%, что вполне отвечает требованиям к точности регулирования глубины проплавления. Для учета данной погрешности в программу расчета тока сварки была внесена поправка. Расчетное значение температуры уменьшали на полученную погрешность 5°С.After that, the position of the temperature measurement point was determined, at which the same sign of the change in the penetration depth and temperature of the point with coordinates on the surface from the side of the heat source z = 0, y = 0, x = 0.8 cm is ensured.The nominal design temperature of this point T AP = 1196 ° C. In the course of another experiment, the real temperature of the point was determined at the nominal mode T AI . The calculated temperature turned out to be + 5 ° C higher than the actual temperature. The relative error of the calculated temperature value relative to the experimental one is 0.04%, which fully meets the requirements for the accuracy of controlling the penetration depth. To take into account this error, an amendment was made to the welding current calculation program. The calculated temperature value was reduced by the obtained error of 5 ° C.
После выполнения первого шва сразу же провели сварку второго шва с другой стороны. Параметры процесса оставались прежними. В результате сварки первого шва пластины нагрелись в среднем на 50°С, причем температура была распределена по пластине не вполне равномерно.After completing the first seam, the second seam was immediately welded on the other side. The process parameters remained the same. As a result of welding the first seam, the plates were heated on average by 50 ° C, and the temperature was not quite uniformly distributed over the plate.
При выполнении контрольной сварки ток сварки после формирования сварочной ванны пластины автоматически с помощью регулирующего устройства, описанного для фиг. 13 уменьшился на 8 А и составил I=267 А. Впоследствии ток постепенно повышался, что связано с уменьшением температуры пластин из-за теплоотвода в подкладку. При этом глубина проплавления по длине шва изменялась в пределах ±0,05 мм.When performing test welding, the welding current after the formation of the weld pool of the plate is automatically carried out using the control device described for FIG. 13 decreased by 8 A and amounted to I = 267 A. Subsequently, the current gradually increased, which is associated with a decrease in the temperature of the plates due to heat removal into the lining. The depth of penetration along the length of the seam varied within ± 0.05 mm.
Пример 2.Example 2.
При параметрах примера 1 проводили сварку со скачкообразным увеличением тока сварки и регулирование глубины проплавления. Ток сварки уменьшали с помощью балластного реостата, включенного последовательно со сварочным источником питания. Ток сварки уменьшили на ΔI=20 А, что привело сначала к некоторому снижению температуры в точке замера с номинальных 1196°С на 10°С. Температура в точке замера при сварке при отключенной системе регулирования снизилась до 1110°С. После этого вследствие действия системы регулирования ток на источнике питания начал увеличиваться за счет собственного регулятора тока и через 0,5 секунды вернулся в исходное положение I=275 А. На продольном макрошлифе наблюдалось с момента уменьшения тока небольшое уменьшение глубины проплавления на 0,3 мм. Затем глубина проплавления вернулась в исходное состояние Н0=3,6 мм.With the parameters of example 1, welding was carried out with an abrupt increase in the welding current and control of the penetration depth. The welding current was reduced using a ballast rheostat connected in series with the welding power source. The welding current was reduced by ΔI = 20 A, which first led to a slight decrease in temperature at the measuring point from the nominal 1196 ° C to 10 ° C. The temperature at the measuring point during welding with the control system turned off dropped to 1110 ° C. After that, due to the action of the control system, the current at the power source began to increase due to its own current regulator and after 0.5 seconds it returned to its original position I = 275 A. On the longitudinal macrosection, a slight decrease in the penetration depth by 0.3 mm was observed from the moment the current decreased. Then the penetration depth returned to its original state H 0 = 3.6 mm.
Пример 3.Example 3.
Проводили определение регулирующего тока сварки по предлагаемому способу.The determination of the regulating welding current was carried out according to the proposed method.
Для сварки были использованы пластины из алюминиевого сплава АД0 толщиной 8 мм и 7,5 мм. Рассматривалось регулирование для случая сварки первого слоя двухстороннего сварного шва. Номинальная глубина провара составила 60% от толщины пластин 8 мм Н0=4,8 мм. Допускаемые отклонения от этой величины были выбраны ±0,8 мм, то есть ±10% от толщины. Это обеспечивает при сохранении номинальных параметров перекрытие двух швов по высоте на 1,6 мм. Для получения номинальной глубины проплавления был подобран режим автоматической аргонодуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электродом с присадочной проволокой Св-АД0 диаметром 2 мм дугой переменного тока (эталонный режим): напряжение сварки (дуги) U=14,0 В, ток сварки (дуги) I=380 А, скорость сварки VC=0,5 см/с. Расход аргона 12 л/мин, диаметр вольфрамового электрода 6 мм. Скорость подачи присадочной проволоки VП=30 м/ч=0,83 см/с. На данном режиме получили ширину шва с лицевой стороны В0=0,884 см=8,84 мм, глубину проплавления Н0=0,48 см, выпуклость шва g=0,5 мм.For welding, plates of aluminum alloy AD0 with a thickness of 8 mm and 7.5 mm were used. The regulation was considered for the case of welding the first layer of a double-sided weld. The nominal penetration depth was 60% of the plate thickness of 8 mm H 0 = 4.8 mm. The permissible deviations from this value were chosen ± 0.8 mm, that is, ± 10% of the thickness. This ensures, while maintaining the nominal parameters, the overlap of the two joints in height by 1.6 mm. To obtain the nominal penetration depth, the mode of automatic argon-arc welding with a non-consumable tungsten electrode with a filler wire Sv-AD0 with a diameter of 2 mm was selected by an alternating current arc (reference mode): welding (arc) voltage U = 14.0 V, welding (arc) current I = 380 A, welding speed V C = 0.5 cm / s. Argon consumption 12 l / min,
Начальная температура пластин составляла Т0=20°С. Температуру плавления сплава АД0 принимали по справочным данным TL=660°С. Тогда расчетная разность между температурой плавления и начальной температурой деталей Т0 ΔTL=TL-Т0=660-20=640°С.The initial temperature of the plates was T 0 = 20 ° C. The melting point of the AD0 alloy was taken according to the reference data T L = 660 ° C. Then the calculated difference between the melting temperature and the initial temperature of the parts T 0 ΔT L = T L -T 0 = 660-20 = 640 ° C.
После этого рассчитали путем построения изолиний «коэффициент Q - коэффициент температуропроводности » значения этих коэффициентов. Q=2,6 (см3°С)/(А⋅с), а=0,75 см2/с.After that, it was calculated by plotting isolines "coefficient Q - coefficient of thermal diffusivity »The values of these coefficients. Q = 2.6 (cm 3 ° C) / (A⋅s), a = 0.75 cm 2 / s.
Координата точки в направлении противоположном движению дуги, в которой глубина проплавления максимальна при у=0 составила х0=0,1 см. Эта координата используется при расчете регулирующего тока сварки. Общая длина сварочной ванны на поверхности изделия составила 1,0 см, а координата точки конца сварочной ванны xL=0,6 см. Эта координата необходима для поиска точки замера температуры, так как точка замера должна располагаться за пределами сварочной ванны.The coordinate of the point in the direction opposite to the arc movement, in which the penetration depth is maximum at y = 0 was x 0 = 0.1 cm. This coordinate is used to calculate the welding control current. The total length of the weld pool on the surface of the product was 1.0 cm, and the coordinate of the end point of the weld pool x L = 0.6 cm. This coordinate is necessary to find the temperature measuring point, since the measuring point must be located outside the weld pool.
После этого определили положение точки замера температуры, в которой обеспечивается одинаковый знак изменения глубины проплавления и температуры точки с координатами на поверхности со стороны источника тепла z=0, у=0, х=1,0 см на удалении 0,4 см от конца сварочной ванны. Номинальная расчетная температура этой точки Т0И=491°С. В процессе еще одного эксперимента определили реальную температуру точки на номинальном режиме. Расчетная температура оказалась больше реальной температуры на +3°С. Относительная погрешность расчетного значения температуры относительно опытного 0,06%, что вполне отвечает требованиям к точности регулирования глубины проплавления. Для учета данной погрешности в программу расчета тока сварки была внесена поправка. Расчетное значение температуры уменьшали на полученную погрешность 3°С.After that, the position of the temperature measurement point was determined, at which the same sign of change in the penetration depth and temperature of the point with coordinates on the surface from the side of the heat source z = 0, y = 0, x = 1.0 cm at a distance of 0.4 cm from the end of the welding baths. The nominal design temperature of this point is T 0I = 491 ° C. In the course of another experiment, the real temperature of the point was determined at the nominal mode. The calculated temperature turned out to be + 3 ° C higher than the actual temperature. The relative error of the calculated temperature value relative to the experimental one is 0.06%, which fully meets the requirements for the accuracy of controlling the penetration depth. To take into account this error, an amendment was made to the welding current calculation program. The calculated temperature value was decreased by the obtained error of 3 ° C.
На фиг. 14 представлена схема образца для сварки с отклонением по толщине пластин. К пластине 34 с номинальной толщиной 8 мм была пристыкована с помощью ручной аргонодуговой сварки швом 35 пластина 36 с толщиной 7,5 мм, которые вместе составили одну из половин всего образца. Пластины 34 и 36 были состыкованы при выравнивании лицевых плоскостей на которые действовала сварочная дуга 22. Таким образом, в середине по длине пластин был сформирован уступ 37. Уступ обращен в сторону, противоположную стороне сварки контрольного шва. Уступ 37 обеих стыкуемых пластин 34 и 36 совмещается по всей их ширине. Сварочная дуга 22, генерируемая сварочной горелкой 23 сначала двигалась по поверхности образца 34 большей толщины, и при достижении середины длины стыка происходило скачкообразное уменьшение его толщины. При отключенной системе регулирования после перехода дуги с более толстой пластины на более тонкую, максимальная глубина проплавления на тонкой пластине достигла 5,4 мм. При включенной системе регулирования при переходе дуги 22 на половину образца уменьшенной толщины температура точки замера постепенно повысилась с 491°С, до 520°С, а сварочный ток начал снижаться и установился на значении 367 А, уменьшившись на 13 А. При этом при исследовании продольного макрошлифа по оси шва глубина проплавления пластин на половине, где их толщина составляла 7,5 мм сначала постепенно возросла на 0,3 мм, составив 5,1 мм, затем стала уменьшаться и достигла значения 4,9 мм, увеличившись по сравнению с номинальным значением для толщины 8 мм на 0,1 мм. Поэтому система уменьшила глубину проплавления на 0,5 мм для пластины толщиной 7,5 мм. При этом номинальная глубина проплавления для толщины 7,5 мм при 10% допуске максимальную глубину проплавления на таком режиме составляет 4,5 мм, максимальный провар 5,25 мм. Полученная максимальная глубина проплавления 4,9 мм попала в допускаемый интервал для 7,5 мм от 4,5 до 5,25 мм. Получается, что система не отрегулировала до идеального состояния 4,5 мм провар на толщине 7,5 мм на ΔН=4,9-4,5=0,4 мм, но отрегулировала на 0,5 мм по отношению к пластине 8 мм, то есть отрегулировала на 55%. Неполная регулировка для 7,5 мм связана с тем, что влияние толщины пластины на глубину проплавления и температуру точки замера имеют разные относительные коэффициенты передачи возмущений (ОКПВ). Толщина пластины в большей степени влияет на глубину проплавления, чем на температуру данной точки замера. Это приводит не к полной отработке возмущения при отклонениях толщины пластин.FIG. 14 shows a diagram of a sample for welding with a deviation in plate thickness. To plate 34 with a nominal thickness of 8 mm,
Пример 4.Example 4.
Для параметров примера 4 была проведена наплавка на специальный составной образец из алюминиевых сплавов АД0 и АМц толщиной 8 мм. Образцы были сварены между собой сварным швом по торцам с помощью аргонодуговой сварки для сохранения условий теплопроводности между пластинами при сварке. Номинальные режимы сварки были получены для сплава АД0. Они приведены в примере 3. При наплавке на том же режиме на пластину из сплава АМц был получен максимальный провар Н=5,65 мм, а номинальная температура в точке замера составила 527°С, что на 46°С больше номинального значения на сплаве АД0. Контрольную сварку состыкованных образцов начинали на сплаве АД0 при регулировании по предлагаемому способу.For the parameters of example 4, surfacing was carried out on a special composite specimen of aluminum alloys AD0 and AMts with a thickness of 8 mm. The samples were welded together with a welded seam at the ends using argon-arc welding to maintain the conditions of thermal conductivity between the plates during welding. Nominal welding conditions were obtained for AD0. They are given in example 3. When surfacing in the same mode on a plate made of AMts alloy, the maximum penetration H = 5.65 mm was obtained, and the nominal temperature at the measuring point was 527 ° C, which is 46 ° C higher than the nominal value on the AD0 alloy ... Control welding of docked samples was started on the AD0 alloy with regulation according to the proposed method.
При переходе дуги на половину образцов из сплава АМц при действии системы регулирования температура точки замера начала повышаться и ее максимум достиг 510°С, что на 19°С больше номинального значения для АД0, а ток сварки уменьшился до значения I=370 А. При этом при исследовании продольного макрошлифа по оси шва глубина проплавления пластин на половине, где располагался сплав АМц сначала увеличилось на 0,3 мм, а затем достигло значения Н0=4,9 мм.When the arc transitions to half of the AMts alloy samples under the control system, the temperature of the measurement point began to increase and its maximum reached 510 ° C, which is 19 ° C higher than the nominal value for AD0, and the welding current decreased to I = 370 A. In the study of the longitudinal macrosection along the weld axis, the depth of penetration of the plates in the half where the AMts alloy was located first increased by 0.3 mm, and then reached the value H 0 = 4.9 mm.
Таким образом, общее увеличение максимальной глубины проплавления произошло всего на 0,1 мм по отношению к номинальному значению. Было отрегулировано 5,65-4,9=0,75 мм возможного изменения глубины проплавления. Увеличение температуры точки замера по-видимому, было вызвано тем, что при близком значении объемной теплоемкости сплавов АД0 и АМц их теплопроводности и коэффициенты температуропроводности отличаются, так как коэффициент температуропроводности определяется по формулеThus, the overall increase in maximum penetration depth was only 0.1 mm in relation to the nominal value. Was adjusted 5.65-4.9 = 0.75 mm of a possible change in the penetration depth. The increase in the temperature of the measuring point was apparently caused by the fact that, with a close value of the volumetric heat capacity of the AD0 and AMts alloys, their thermal conductivity and thermal diffusivity coefficients differ, since the thermal diffusivity is determined by the formula
где λ - теплопроводность металла, Вт/(см⋅°С).where λ is the thermal conductivity of the metal, W / (cm⋅ ° С).
Это приводит к увеличению максимальной глубины проплавления и температуры точки замера при наплавке на сплаве АМц. При наплавке контрольного стыка снижение температуры точки среагировало на изменение температуропроводности второй половины образца и регулирующая система восстановила максимальную глубину проплавления почти до номинального значения. При этом ток даже немного снизился. Это обусловлено тем, что относительный коэффициент передачи возмущений (ОКПВ) для температуры точки и глубины проплавления по коэффициенту достаточно близки. Аналогичная ситуация будет иметь место при сварке производственных стыков вследствие неоднородности теплофизических свойств свариваемого металла.This leads to an increase in the maximum penetration depth and the temperature of the measuring point when surfacing on the AMts alloy. When surfacing the control joint, a decrease in the point temperature reacted to a change in the thermal diffusivity of the second half of the sample, and the control system restored the maximum penetration depth almost to the nominal value. In this case, the current even decreased slightly. This is due to the fact that the relative perturbation transfer coefficient (RTR) for the point temperature and penetration depth by the coefficient close enough. A similar situation will take place when welding production joints due to the inhomogeneity of the thermophysical properties of the metal being welded.
Предлагаемый способ регулирования позволяет избежать во время сварки дополнительного измерения ширины зоны нагрева до температуры выше заданной, уменьшить число предварительных опытов до одного и значительно снизить трудоемкость определения коэффициентов математической модели при повышении точности регулирования, что позволяет повысить качество и его стабильность в сварных соединениях. Экспериментально необходимо определить до регулирования только максимальную глубину провара и ширину шва на номинальном режиме сварки, а также найти расчетом положение точки замера, обеспечивающее устойчивость регулирования. За счет стабилизации всех параметров режима, кроме регулируемого тока сварки повышается точность регулирования максимальной глубины проплавления. В данном способе можно производить коррекцию тока сварки при изменении номинальной начальной температуры изделия и учитывать изменение толщины деталей без проведения новых экспериментов по определению коэффициентов используемого уравнения. Способ может с одинаковой эффективностью использоваться как при сварке и наплавке без присадочной проволоки, так и с присадочной проволокой. В случае стабилизации скорости плавления и подачи электрода способ может быть использован и при сварке плавящимся электродом.The proposed control method makes it possible to avoid additional measurement of the width of the heating zone during welding to a temperature higher than the specified one, to reduce the number of preliminary experiments to one and significantly reduce the complexity of determining the coefficients of the mathematical model while increasing the control accuracy, which improves the quality and its stability in welded joints. Experimentally, it is necessary to determine before regulation only the maximum penetration depth and the width of the seam in the nominal welding mode, and also to find by calculation the position of the measuring point that ensures the stability of regulation. Due to the stabilization of all parameters of the mode, except for the adjustable welding current, the accuracy of regulation of the maximum penetration depth is increased. In this method, it is possible to correct the welding current when the nominal initial temperature of the product changes and take into account the change in the thickness of the parts without conducting new experiments to determine the coefficients of the equation used. The method can be used with equal efficiency both in welding and surfacing without filler wire, and with filler wire. In the case of stabilization of the rate of melting and electrode feeding, the method can be used in consumable electrode welding.
Способ также может быть использован при плазменной сварке, как без подачи, так и с подачей присадочной проволоки. В этом случае дополнительно к длине открытого участка столба дуги (напряжения сжатой дуги) и скорости сварки необходимо стабилизировать расход плазмообразующего газа, который влияет на эффективную мощность дуги и коэффициент Q.The method can also be used in plasma welding, both without feed and with filler wire feed. In this case, in addition to the length of the open section of the arc column (compressed arc voltage) and the welding speed, it is necessary to stabilize the plasma-forming gas flow rate, which affects the effective arc power and the Q coefficient.
Способ может быть реализован с помощью известных устройств - цифровых амперметров и датчиков тока для измерения тока сварочной дуги, измерителей скорости сварки на основе измерения числа оборотов электродвигателя привода сварочного автомата для перемещения сварочной горелки, дистанционных датчиков измерения температуры поверхности. Практически все современные сварочные автоматы снабжены системой стабилизации длины и напряжения дуги. Многие современные сварочные источники питания позволяют производить микропроцессорное регулирование тока. Современные средства микропроцессорной техники и программного обеспечения позволяют осуществить с высокой скоростью расчет температур точки замера и расчет регулирующего значения тока сварки. Поэтому способ обладает промышленной применимостью.The method can be implemented using known devices - digital ammeters and current sensors for measuring the welding arc current, welding speed meters based on measuring the number of revolutions of the welding machine drive electric motor for moving the welding torch, remote sensors for measuring surface temperature. Almost all modern welding machines are equipped with a system for stabilizing the length and arc voltage. Many modern welding power sources allow microprocessor-based current control. Modern means of microprocessor technology and software allow high-speed calculation of the temperature of the measuring point and the calculation of the regulating value of the welding current. Therefore, the method has industrial applicability.
Claims (16)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019123222A RU2735847C1 (en) | 2019-07-18 | 2019-07-18 | Method for controlling penetration depth during arc automatic welding |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019123222A RU2735847C1 (en) | 2019-07-18 | 2019-07-18 | Method for controlling penetration depth during arc automatic welding |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2735847C1 true RU2735847C1 (en) | 2020-11-09 |
Family
ID=73398320
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019123222A RU2735847C1 (en) | 2019-07-18 | 2019-07-18 | Method for controlling penetration depth during arc automatic welding |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2735847C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115254666A (en) * | 2022-07-21 | 2022-11-01 | 安徽瑞联节能科技股份有限公司 | Online detection system is used in rock wool board production |
CN117381105A (en) * | 2023-12-11 | 2024-01-12 | 宾采尔(广州)焊接技术有限公司 | Robot welding current control method and device, electronic equipment and storage medium |
CN118023756A (en) * | 2024-04-12 | 2024-05-14 | 山东亚泰机械有限公司 | Welding method for vehicle cab |
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 |
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 |
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 |
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 |
-
2019
- 2019-07-18 RU RU2019123222A patent/RU2735847C1/en active
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 |
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 |
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 |
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 |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115254666A (en) * | 2022-07-21 | 2022-11-01 | 安徽瑞联节能科技股份有限公司 | Online detection system is used in rock wool board production |
CN117381105A (en) * | 2023-12-11 | 2024-01-12 | 宾采尔(广州)焊接技术有限公司 | Robot welding current control method and device, electronic equipment and storage medium |
CN117381105B (en) * | 2023-12-11 | 2024-03-08 | 宾采尔(广州)焊接技术有限公司 | Robot welding current control method and device, electronic equipment and storage medium |
CN118023756A (en) * | 2024-04-12 | 2024-05-14 | 山东亚泰机械有限公司 | Welding method for vehicle cab |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2735847C1 (en) | Method for controlling penetration depth during arc automatic welding | |
CN106457441B (en) | Welding condition guiding device | |
Haelsig et al. | Energy balance study of gas-shielded arc welding processes | |
RU2691824C1 (en) | Method for controlling penetration depth during arc automatic welding | |
Sharma et al. | Mathematical model of bead profile in high deposition welds | |
TWI735215B (en) | Welding control method of portable welding robot, welding control device, portable welding robot and welding system | |
Pablo Reis et al. | Arc interruptions in Tandem pulsed gas metal arc welding | |
CA1302515C (en) | Automatic arc-welding method | |
RU2613255C1 (en) | Automatic control method of penetration depth in automatic arc welding | |
Mohanty et al. | A semi-analytical nonlinear regression approach for weld profile prediction: a case of alternating current square waveform submerged arc welding of heat resistant steel | |
RU2709177C1 (en) | Method of determining shape of weld seam surface standard | |
Hackenhaar et al. | Welding parameters effect in GMAW fusion efficiency evaluation | |
RU2676935C1 (en) | Method of regulating depth of melting in automatic welding | |
NO762592L (en) | ||
RU2707287C2 (en) | Method of controlling penetration depth during automatic arc welding | |
Ngo | The selection of parameters for automatic welding of the nuclear reactors pipelines | |
RU2791542C2 (en) | Method for determining the area of penetration of base metal during arc welding | |
Irfan et al. | An experimental study on the effect of MIG welding parameters on the weldability of galvenize steel | |
RU2650461C1 (en) | Method of regulation the maximum width of the welding pool while automatic welding | |
US10154577B2 (en) | System and method for automated welding | |
Belous et al. | System for automatic regulation of position of tungsten electrode in narrow-gap magnetically controlled arc welding of titanium | |
Cairns et al. | Using artificial neural networks to identify and optimise the key parameters affecting geometry of a GMAW fillet weld | |
RU2623533C1 (en) | Method of arc welding with piece coated electrodes | |
Wang et al. | Power-arc model based adaptive arc length control of P-GMAW for Al–Mg alloy | |
RU2548541C2 (en) | Method of multipass automatic welding by non-fusible electrode with filler wire feed and device to this end |