Оптимизация условий сварки с учётом электрических и энергетических показателей контактных машин
|
ВВЕДЕНИЕ 3
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
КАЧЕСТВА КОНТАКТНОЙ СВАРКИ В УСЛОВИЯХ ВОЗМУЩЕНИЙ
1.1 Возмущения при контактной сварке 6
1.2 Стабильность формирования ядра сварной точки
в условиях действия возмущений 10
1.3 Выводы по первому разделу 17
2 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОНТАКТНЫХ МАШИН
2.1 Измерение составляющих сопротивления контактных машин 18
2.2 Моделирование фазового управления на контактных машинах 21
2.3 Измерения на конкретной сварочной машине 24
3 ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКОЙ
3.1 Моделирование электрических процессов при контактной
сварке в условиях действия возмущений 40
3.2 Управление процессами контактной точечной и шовной сварки 53
3.3 Исследование теплового баланса при контактной сварке 57
3.4 Выводы по третьему разделу 65
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 66
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 67
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
КАЧЕСТВА КОНТАКТНОЙ СВАРКИ В УСЛОВИЯХ ВОЗМУЩЕНИЙ
1.1 Возмущения при контактной сварке 6
1.2 Стабильность формирования ядра сварной точки
в условиях действия возмущений 10
1.3 Выводы по первому разделу 17
2 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОНТАКТНЫХ МАШИН
2.1 Измерение составляющих сопротивления контактных машин 18
2.2 Моделирование фазового управления на контактных машинах 21
2.3 Измерения на конкретной сварочной машине 24
3 ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКОЙ
3.1 Моделирование электрических процессов при контактной
сварке в условиях действия возмущений 40
3.2 Управление процессами контактной точечной и шовной сварки 53
3.3 Исследование теплового баланса при контактной сварке 57
3.4 Выводы по третьему разделу 65
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 66
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 67
Контактная сварка обладает технико-экономическими показателями, значения которых выигрышно отличаются от других способов получения неразъёмных соединений. Это и объясняет столь широкое применение контактной сварки в массовом производстве [1, 2]. В автомобилестроении использование контактной сварки достигает 90 %, при этом каждый год выполняется несколько миллиардов сварных точек, из которых приблизительно 30 % выполняют «про запас», перестраховываясь от низкого качества сварки [3].
Получению стабильного качества при контактной сварке затруднено вследствие многочисленных возмущений: шунтирования тока, износа сварочных электродов, нагрева вторичного контура, внесения в него ферромагнитных масс и т.д. [4, 5, 6]. Повышению стабильности качества контактной сварки посвящены работы российских и зарубежных учёных: А.А. Чакалева, Ф.А. Аксельрода, Н.Н. Рыкалина, Б.Д. Орлова, П.Л. Чулошникова, А.С. Гельмана, Д.С. Балковца, К.А. Кочергина, Thomas.W. Eagar, H.S. Cho, K.I. Johnson, S.A. Gedeon, D.W. Dickinson и др.
Компенсацию возмущений при контактной сварке можно произвести методами активного контроля. За контролируемый параметр принимают выделяющуюся между сварочными электродами энергию, сварочный ток, тепловое расширение металла и другие параметры, которые в той или иной мере могут характеризовать качество сварки. Значительная часть научных разработок посвящена контролю тепловых процессов при контактной сварке с применением прямого или косвенного измерения температуры деталей [7-10].
Существенное повышение стабильности качества контактной сварки может быть получено при коррекции параметров процесса сварки в системах автоматического регулирования, которые реализуются современными вычислительными средствами. В качестве примеров можно привести разработки ЗАО «Электрик-МИКС» (Россия), «Селма» (Россия), «Bocsh Rexroth» (Германия), «ENTRON Controls» (США), «Welding Technology Corporation» (США), Spotron (Япония), «Dengensha America» (США) [11.14].
Зачастую правильность протекания процесса контактной сварки и качество получаемых соединений могут быть оценены путём анализа результатов мониторинга параметров режима (тока сварки, напряжения между электродами, перемещения электродов и т.д.). В этом случае необходимо учитывать, что измерение нескольких параметров в условиях действия электромагнитных помех может внести существенную погрешность в полученные данные и значительно усложнить аппаратную часть систем управления. Контроль энергетических и обобщённых параметров контактной сварки не позволяет в полной мере учитывать особенности формирования соединений, особенно в условиях действия различных технологических возмущений. Качество контактной сварки существенно страдает от действия таких опасных возмущений, как износ сварочных электродов и шунтирование тока сварки, которые достаточно сложно оценить и компенсировать [4, 15.18].
Из-за недостаточной эффективности управления процессами контактной сварки при возмущениях приходится прибегать к контролю качества соединений. В массовом производстве основным методом контроля контактной сварки является визуальный и разрушающий. При проведении визуального контроля оценивают внешний вид сварных точек, пропуски и видимые дефекты. При проведении разрушающего контроля проверяют усилие на отрыв, выдерживаемое сварной точкой. Далее производят ремонт подвергнутых проверке деталей и их запуск в производство [19].
После внедрения ГОСТ Р ИСО 9001 недопустимым стало использовать в производстве товарной продукции детали, которые били использованы при проведении разрушающего контроля. Все детали кузова после проведения разрушающего контроля должны быть списаны и утилизированы, это приводит к значительному увеличению материальных затрат на проведение контроля качества. Сейчас мировые производители деталей кузовов автомобилей полностью отказываются от применения разрушающего качества из-за его экономической и технологической бесперспективности [20]. Уменьшение доли разрушающего контроля может быть достигнуто путём применения достоверных методов неразрушающего контроля и повышения стабильности процесса сварки за счёт применения современной аппаратуры управления.
Проблема качества контактной сварки может быть решена при изучении тепловых процессов, протекающих в зоне сварного соединения, электрических процессов в сварочной оборудовании. Ранее проведённые исследования [21, 22, 23] показали возможность управления сварочным током и энергией сварки с использованием длительности включенного состояния тиристоров в качестве обратной связи. Это позволяет существенно упростить сварочные регуляторы и повысить их помехоустойчивость.
На основании вышеизложенного следует сформулировать цель диссертационного исследования как повышение качества контактной сварки за счёт внедрения систем автоматического управления и способов контроля качества, использующих новые параметры обратной связи.
Получению стабильного качества при контактной сварке затруднено вследствие многочисленных возмущений: шунтирования тока, износа сварочных электродов, нагрева вторичного контура, внесения в него ферромагнитных масс и т.д. [4, 5, 6]. Повышению стабильности качества контактной сварки посвящены работы российских и зарубежных учёных: А.А. Чакалева, Ф.А. Аксельрода, Н.Н. Рыкалина, Б.Д. Орлова, П.Л. Чулошникова, А.С. Гельмана, Д.С. Балковца, К.А. Кочергина, Thomas.W. Eagar, H.S. Cho, K.I. Johnson, S.A. Gedeon, D.W. Dickinson и др.
Компенсацию возмущений при контактной сварке можно произвести методами активного контроля. За контролируемый параметр принимают выделяющуюся между сварочными электродами энергию, сварочный ток, тепловое расширение металла и другие параметры, которые в той или иной мере могут характеризовать качество сварки. Значительная часть научных разработок посвящена контролю тепловых процессов при контактной сварке с применением прямого или косвенного измерения температуры деталей [7-10].
Существенное повышение стабильности качества контактной сварки может быть получено при коррекции параметров процесса сварки в системах автоматического регулирования, которые реализуются современными вычислительными средствами. В качестве примеров можно привести разработки ЗАО «Электрик-МИКС» (Россия), «Селма» (Россия), «Bocsh Rexroth» (Германия), «ENTRON Controls» (США), «Welding Technology Corporation» (США), Spotron (Япония), «Dengensha America» (США) [11.14].
Зачастую правильность протекания процесса контактной сварки и качество получаемых соединений могут быть оценены путём анализа результатов мониторинга параметров режима (тока сварки, напряжения между электродами, перемещения электродов и т.д.). В этом случае необходимо учитывать, что измерение нескольких параметров в условиях действия электромагнитных помех может внести существенную погрешность в полученные данные и значительно усложнить аппаратную часть систем управления. Контроль энергетических и обобщённых параметров контактной сварки не позволяет в полной мере учитывать особенности формирования соединений, особенно в условиях действия различных технологических возмущений. Качество контактной сварки существенно страдает от действия таких опасных возмущений, как износ сварочных электродов и шунтирование тока сварки, которые достаточно сложно оценить и компенсировать [4, 15.18].
Из-за недостаточной эффективности управления процессами контактной сварки при возмущениях приходится прибегать к контролю качества соединений. В массовом производстве основным методом контроля контактной сварки является визуальный и разрушающий. При проведении визуального контроля оценивают внешний вид сварных точек, пропуски и видимые дефекты. При проведении разрушающего контроля проверяют усилие на отрыв, выдерживаемое сварной точкой. Далее производят ремонт подвергнутых проверке деталей и их запуск в производство [19].
После внедрения ГОСТ Р ИСО 9001 недопустимым стало использовать в производстве товарной продукции детали, которые били использованы при проведении разрушающего контроля. Все детали кузова после проведения разрушающего контроля должны быть списаны и утилизированы, это приводит к значительному увеличению материальных затрат на проведение контроля качества. Сейчас мировые производители деталей кузовов автомобилей полностью отказываются от применения разрушающего качества из-за его экономической и технологической бесперспективности [20]. Уменьшение доли разрушающего контроля может быть достигнуто путём применения достоверных методов неразрушающего контроля и повышения стабильности процесса сварки за счёт применения современной аппаратуры управления.
Проблема качества контактной сварки может быть решена при изучении тепловых процессов, протекающих в зоне сварного соединения, электрических процессов в сварочной оборудовании. Ранее проведённые исследования [21, 22, 23] показали возможность управления сварочным током и энергией сварки с использованием длительности включенного состояния тиристоров в качестве обратной связи. Это позволяет существенно упростить сварочные регуляторы и повысить их помехоустойчивость.
На основании вышеизложенного следует сформулировать цель диссертационного исследования как повышение качества контактной сварки за счёт внедрения систем автоматического управления и способов контроля качества, использующих новые параметры обратной связи.
Частичная компенсация возмущений при контактной сварке возможна при автоматическом регулировании процесса сварки, при этом в качестве измеряемых параметров целесообразно использовать электрические параметры (ток сварки, сопротивление участка «электрод-электрод» и тепловыделение на нём). Измерение и регулирование электрических параметров требует математического описания электрических процессов при контактной в контактной машине и разработки методики экспериментального определения параметров контактной машины и процесса сварки.
В диссертации предложена методика измерения активной и индуктивной составляющих полного сопротивления машин контактной сварки, предусматривающая включение машины в режиме короткого замыкания и анализ измеренных значений тока.
На основании моделирования электрических процессов при контактной сварке предложена методика расчётного определения электрических параметров (ток сварки, сопротивление участка «электрод-электрод» и тепловыделение на нём). Предложенная методика прошла апробацию в условиях производства.
Использование предлагаемого способа стабилизации тепловыделения при контактной сварке позволяет обеспечить управление сварочным током, избежать влияния изменения полного сопротивления сварочной цепи, вызванного внесением ферромагнитных масс в него, изменением температуры во время сварочного процесса, наличием отклонений, колебаний питающего напряжения. Экспериментальная и расчётная проверка показала эффективность предложенного способа стабилизации тепловыделения в сварочном контакте.
В диссертации предложена методика измерения активной и индуктивной составляющих полного сопротивления машин контактной сварки, предусматривающая включение машины в режиме короткого замыкания и анализ измеренных значений тока.
На основании моделирования электрических процессов при контактной сварке предложена методика расчётного определения электрических параметров (ток сварки, сопротивление участка «электрод-электрод» и тепловыделение на нём). Предложенная методика прошла апробацию в условиях производства.
Использование предлагаемого способа стабилизации тепловыделения при контактной сварке позволяет обеспечить управление сварочным током, избежать влияния изменения полного сопротивления сварочной цепи, вызванного внесением ферромагнитных масс в него, изменением температуры во время сварочного процесса, наличием отклонений, колебаний питающего напряжения. Экспериментальная и расчётная проверка показала эффективность предложенного способа стабилизации тепловыделения в сварочном контакте.