устройство управления процессом термической обработки сварного соединения термоциклированием

Формула изобретения

Устройство управления процессом термической обработки сварного соединения термоциклированием, содержащее источник питания сварочной дуги, управляющим входом соединенный с выходом управляющего тиристорного органа, отличающееся тем, что, с целью повышения качества и эксплуатационной надежности сварного соединения, оно снабжено каналом предусиления, состоящим из последовательно соединенных датчика магнитного поля и операционного усилителя, каналом вычисления отношения интервалов фазовых переходов и расхолаживания, состоящим из интегратора и последовательно соединенных первого триггера, эмиттерного повторителя, первой дифференцирующей цепочки, первого заторможенного мультивибратора, второй дифференцирующей цепочки и второго триггера, каналом оптимизации длины единичного шага сварного шва, включающего последовательно соединенные третий триггер, третью дифференцирующую цепочку, четвертый триггер, четвертую дифференцирующую цепочку, второй заторможенный мультивибратор, механизм перемещения датчика магнитного поля, содержащий последовательно соединенные поляризованное реле, тяговое реле магнитной муфты, магнитную муфту и управляющий реверсивный двигатель с редуктором и концевым выключателем, кнопкой, первым и вторым диодами, причем первый выход операционного усилителя соединен со входом первого триггера, а второй выход - через кнопку и первый диод со входом третьего триггера, который через второй диод соединен со вторым выходом второй дифференцирующей цепочки и вторым входом второго триггера, выход которого соединен со входом управляющего тиристорного органа, второй выход эмиттерного повторителя через интегратор соединен со вторым входом первого заторможенного мультивибратора, а датчик магнитного поля механически связан через редуктор с управляющим реверсивным двигателем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для управления процессом термической обработки сварного соединения термоциклированием в процессе электродуговой сварки.

Целью изобретения является повышение качества и эксплуатационной надежности сварного соединения.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для управления процессом термической обработки сварного соединения; на фиг. 2 эпюры напряжений регулирующего блока; на фиг. 3 принцип действия механизма перемещения датчика магнитного поля.

В состав устройства входит: канал 1 предусиления, включающий последовательно соединенные датчик 2 магнитного поля (ДI) и операционный усилитель 3 (ОУ);

канал 4 вычисления отношения интервалов фазовых переходов и расхолаживания t₂/t₁, включающий первый триггер 5 (T₁), эмиттерный повторитель 6 (ЭП₁), первый дифференцирующую цепочку 7 (ДЦ₁), первый заторможенный мультивибратор 8 (ЗМ₁), интегратор 9 (И₁), вторую дифференцирующую цепочку 10 (ДЦ₂), и второй триггер 11 (Т₂);

канал 12 оптимизации длины единичного шага сварного шва, включающий последовательно соединенные третий триггер 13 (Т₃), третью дифференцирующую цепочку 14 (ДЦ₃), четвертый триггер 15 (Т₄); четвертую дифференцирующую цепочку 16 (ДЦ₄), второй заторможенный мультивибратор 17 ЗМ₂;

механизм 18 перемещения датчика магнитного поля, включающий последовательно соединенные поляризованное реле 19 (РП₁, тяговое реле 20 магнитной муфты (ТР_мм, магнитную муфту 21 (ММ) и управляющий реверсивный двигатель 22 типа РД-09 с редуктором и концевым выключателем. Выход второго триггера 11 соединен с управляющим тиристорным органом 23 (УТО), подключенным к инверторному источнику питания 24 (ИИП).

Второй выход операционного усилителя 3 через кнопку 25 (К1) и первый диод 26 соединен со входом третьего триггера 13, к которому также подключен выход второй дифференцирующей цепочки 10 через второй диод 27.

Устройство работает следующим образом. При нагреве материалов сварного соединения в момент перехода материала из перлитного состояния в аустенитное происходит изменение свойств материала в точке Кюри, например, за счет изменения атомной теплоемкости железа. При этом образуется острый пик напряженности магнитного поля, соответствующий магнитным превращениям при температуре точки Кюри.

Амплитуда сигнала магнитного поля, генерируемая материалом в точке фазового перехода из -фазы в g-фазу, составляет от 9,0 до 30 мВ, длительность которого зависит от объема свариваемого материала, скорости его разогрева при переходе через точку Кюри и составляет миллисекунды (t_и 13-18 мс).

В качестве датчика для измерения напряженности магнитного поля материала используют феррозондовый датчик с чувствительностью H₁ 1 A/м позволяющий уверенно регистрировать минимальные сигналы U₁ 0,3 мВ, который устанавливают на штанге сварочного автомата на расстоянии от 10 до 50 см до точки сварки с целью регулирования амплитуды отклика материалов, регистрируемого датчиком 2 магнитного поля и исключения помех.

Импульс с датчика 2 магнитного поля усиливается стандартным операционным усилителем 3, который позволяет изменять коэффициент усиления ступенями через 10 дБ от -20 до 60 дБ и плавно в пределах 10 дБ в диапазоне частот от 10^-3 до 100 кГц и переводит триггеры 5.11.13.15 в единичное состояние.

По мере удаления сварочного электрода от точки установки феррозондового датчика 2 магнитного поля температура начальной точки сварного шва (а) фиг. 3 уменьшается и достигает температуры обратного фазового перехода материала сварного шва из -фазы в a-фазу (точка "в"), в результате которого материал генерирует второй импульс, переводящий триггеры 5 и 11 в исходное нулевое состояние.

Длительность выходного импульса первого триггера 5 однозначно характеризует временной интервал между прямым и обратным фазовыми переходами Dt₁ (фиг. 2), а следовательно, и длину единичного участка сварного шва l₁ (фиг. 3).

При длине единичного сварного участка l₁ 20 10^-3 м и скорости подачи электрода (проволоки) U₁ 1,5 10^-3 м/c длительность временного интервала t₁ равна



Временной интервал t₁ фиксирует в виде электрического сигнала, амплитудой U₁ и длительностью t₁. изображенного на фиг. 2, формируют интервал t₂ по изменению значению интервала t₁ в соответствии c полученными ранее соотношениями t₂= 0,564 , t₁= 1,400 , откуда следует, что временные интервалы относятся между собой как 0,564:1,4 или 0,4:1,0, т.е. ₂= 0,4 t₁..

Максимально возможное значение maxt₂ 0,7 t₁, определенное по "способу термической обработки сварного соединения термоциклированием" составляет maxt₂= 0,638 t₁.

Интервал t₂, характеризующий время термоциклирования единичного сварного участка l₁, формируют следующим образом: дифференцируют сигнал первого триггера 5 с помощью первой дифференцирующей цепочки 7, отрицательным сигналом которой запускают первый заторможенный мультивибратор 8, выходной сигнал которого U₂ дифференцируют с помощью второй дифференцирующей цепочки 10 и положительным сигналом переводят второй триггер 11 в состояние "0", выходным сигналом которого U₃ с помощью тиристорного управляющего органа 23 обесточивают инверторный источник 24 питания сварочного автомата. Через время t₂ отрицательным импульсом , по другому входу переводят второй триггер 11 в состояние "1", выходным сигналом которого повторно осуществляют включение сварочного автомата.

В связи с тем, что длительность интервала t₁ изменяется в зависимости от вида материала и режима проведения сварки, должен изменяться синхронно с ним и интервал t₂, что достигают следующим образом. Устанавливают исходное соотношение интервалов t₂/t₁=0,4 для минимального значения t₂, т.е. t₂/t₁= const.

Интервал t₁,, выраженный в виде импульса, интегрируют на диодно-зарядном интеграторе 9 через эмиттерный повторитель 6, выполняющий роль согласующего устройства, и управляют длительностью выходного импульса первого заторможенного мультивибратора 8, при этом, чем больше среднее значение управляющего напряжения пропорционального длительности интервала -t₁, тем больше длительность интервала -t₂,, что обеспечивает выполнение необходимого условия синхронности их изменения.

Для обеспечения постоянной чувствительности датчика магнитного поля, после завершения первых двух единичных шагов с сварного шва, датчик 2 магнитного поля и сварочный электрод блокируются электрически и механически и перемещаются вместе. При этом, после завершения первого единичного шва сварного шва, при повторном включении инверторного источникам 24 питания сварочного автомата производят пуск регистратора интервалов термоциклирования t_тц= t₂+t₃ кнопкой 25, в результате чего третий триггер 13 переводят в состояние "1" импульсом положительной полярности с первой дифференцирующей цепочки 10, соответствующим второму фазовому переходу, а в состояние "0" импульсом непосредственно с выхода операционного усилителя 3. Длительность выходного импульса третьего триггера 13 равна (t₂+t₃) и соответствует единичному шагу сварного соединения l₁ от точки "а" до точки "b", т.е. t_тц= t₂+t₃= 0,564+0,375..

Интервал t₃ является изменяется величиной и его изменение учитывается положение заднего фронта импульса третьего триггера 13, который дифференцирующий третьей дифференцирующей цепочки 14 и отрицательным импульсом запускают четвертый триггер 15, переводя его в состояние 1, в котором он остается до окончания формирования второго импульса .

Длительность импульса соответствует второму интервалу термоциклирования первого единичного сварного участка.

При перемещении электрода в точку "с" (фиг. 3), относительно заднего фронта импульса , формируют второй импульс отрицательной полярности, который переводит четвертый триггер 15 в состояние "0". Выходной импульс четвертого триггера 15 дифференцируют с помощью четвертой дифференцирующей цепочки 16 и отрицательным импульсом запускают второй заторможенный мультивибратор 17, который формирует импульс, достаточный для срабатывания двухобмоточного поляризованного реле 20 типа РП-4У, которое своими контактами подает ток на обмотку тягового реле 20 магнитной муфты 21, которая при своем срабатывании включает цепь управления механизмом перемещения датчика магнитного поля. С этого момента сварочный электрод движется в пространстве синхронно с датчиком магнитного поля со сдвигом на два единичных шага сварного шва.

Так как датчик магнитного поля устанавливают на сварочном автомате, то при движении сварочного электрода со скоростью (фиг. 3) датчик 2 магнитного поля должен двигаться со скоростью V₁ в обратную сторону до тех пор, пока не наступит блокировка датчика 2 магнитного поля и электрода. При срабатывании поляризованного реле 20 магнитная муфта 21 встает на самоблокировку, а при обесточивании муфты после сварки под действием пружины возвращается в исходное состояние. После завершения сварки с помощью реверсивного двигателя 22 и концевого выключателя 2 магнитного поля возвращается в исходное положение на штанге сварного автомата.

Одной из главных особенностей работы такого устройства является защита датчика 2 магнитного поля от помех сварочного автомата.

Во-первых, запуск следящей части устройства от датчика магнитного поля не вызывает затруднений, так как сигнал запуска в точке Кюри (Т_c 723-910^oC) появляется раньше, чем начинает плавиться металл (Т_пл 1539^oC).

Во-вторых, к моменту образования второго сигнала фазового перехода электрод удаляется от датчика 2 магнитного поля на расстояние одного единичного участка сварного шва.

Температура фазового перехода и температура плавления материала разнесены между собой в пространстве по длине сварного шва, при этом затухание поля пропорционально третьей степени расстояния от источника магнитного поля до точки измерения, и, следовательно, помеха затухает быстрее, чем полезный сигнал.

В третьих, феррозондовый датчик питается модулированным напряжением треугольной формы, разложение которого в ряд Фурье дает только нечетные гармоники разложения, а именно:



где U_o амплитудное значение модулирующего сигнала.

U_мод текущее значение модулирующего напряжения, изменяющегося во времени, а измерение полезного сигнала осуществляют по второй, т.е. четной гармонике

(2)

Отсюда следует, что четные гармоники помехи благодаря разнесению источников магнитного поля в пространстве, ослабляясь пропорционально третьей степени расстояния (³) до точки измерения, затухают значительно быстрее, чем полезный сигнал.

В четвертых, экспериментально исследованные с помощью анализатора спектра СК 4-26 спектры напряженности магнитного поля, генерируемые различными материалами, показывают, что спектральные плотности мощности G_x (G()) ограничены диапазоном нижних частот и, как следствие этого, мощность полезного сигнала фазового перехода P также ограничена (от 10 до 200 Гц):

(3)

Откуда следует, что:

(4)

где =_в-_н разность _в верхней и _н нижней частот спектра полезного сигнала.

P мощность полезного сигнала в полосе частот Dw..

Из приведенных данных следует, что возможная высокочастотная помеха может быть отфильтрована, в случае необходимости, путем установки низкочастотного фильтра между датчиком магнитного поля и операционным усилителем.

Преимущества изобретения характеризуются повышением качества сварного соединения путем увеличения точности определения интервала термоциклирования в канале вычисления отношения интервалов фазовых переходов и расхолаживания, что обеспечивает формирование мелкозернистой структуры сварного шва; а также повышением эксплуатационной надежности сварного шва путем оптимизации длины его единичного шага с термоциклированием в зависимости от вариаций геометрических размеров, сорта материала и технологических режимов обработки сварного соединения с помощью канала оптимизации длины единичного шага сварного шва и механизма перемещения датчика магнитного поля.