Устройство управления процессом термической обработки сварного соединения термоциклированием
Изобретение относится к машиностроению, а именно к оборудованию для обработки сварного соединения термоциклированием в процессе электродуговой сварки. Цель изобретения - повышение качества и эксплуатационной надежности сварного соединения. Устройство содержит источник питания сварочной дуги и регулирующий блок, снабженный датчиком магнитного поля, каналом вычисления отношения временных интервалов, началом оптимизации длины единичного шага сварного шва и механизмом перемещения датчика магнитного поля. Регулирующий блок осуществляет предварительное усиление сигналов датчика магнитного поля, вычисление интервала прямого и обратного фазовых переходов материала, интервала расхолаживания, их отношения. Далее оптимизируется длина единичного шага сварного шва и изменяется положение датчика магнитного поля относительно сварочного электрода. Устройство позволяет автоматически формировать мелкозернистую структуру сварного шва путем управления термическим циклом в процессе сварки. 3 ил.
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 (ТРмм, 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 (tи 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 tтц= 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. tтц= 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 (Тc 723-910oC) появляется раньше, чем начинает плавиться металл (Тпл 1539oC). 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 Uo амплитудное значение модулирующего сигнала. Uмод 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 Gx (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.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3