Управление технологическими параметрами сварочного оборудования для дуговой сварки

 

Московский государственный технический университет 
 имени Н.Э. Баумана 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Э.А. Гладков, А.В. Малолетков 
 
 
 
Управление технологическими  
параметрами сварочного оборудования  
для дуговой сварки 
 
 
Допущено УМО вузов по университетскому политехническому  
образованию в качестве учебного пособия для студентов высших  
учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки  
дипломированных специалистов 150200 «Машиностроительные  
технологии и оборудование» по специальности 10202 «Оборудование  
и технология сварочного производства» 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана  
2007 

 

УДК 621.791.052(075.8) 
ББК 34.441 
        Г52 
Рецензенты: Ю.Н. Зорин, В.Н. Ластовиря  
Гладков Э.А., Малолетков А.В. 
Управление технологическими параметрами сварочного оборудования 
для дуговой сварки: Учеб. пособие. – М.: Изд-во МГТУ 
им. Н.Э. Баумана, 2007. – 148 с.: ил. 
ISBN 5-7038-2946-1 
Учебное пособие посвящено вопросам оперативного управления качеством 
сварного соединения при дуговой сварке за счет регулирования технологических 
параметров сварочного оборудования. В нем рассмотрены физические 
особенности различных процессов дуговой сварки, определяющие подходы 
к оперативному управлению качеством сварного соединения, приведены 
основные математические модели. Рассмотрены особенности управления 
технологическими параметрами при ручной дуговой сварке покрытыми 
штучными электродами, при сварке неплавящимся электродом в среде защитных 
газов, при сварке плавящимся электродом под флюсом и в среде 
активных газов. Для данных способов сварки приведены примеры построения 
систем управления.  
Для студентов 5-го и 6-го курсов, обучающихся по специальности 
«Оборудование и технология сварочного производства». Может быть использовано 
при выполнении научно-исследовательских работ, домашних 
заданий, курсовых и дипломных проектов.  
Ил. 59. Табл. 3. Библиогр. 5 назв.  
УДК 621.791.052(075.8) 
                                                  ББК 34.441 
Учебное издание 
 
Эдуард Александрович Гладков 
Алексей Владимирович Малолетков  
 
Управление технологическими параметрами  
сварочного оборудования для дуговой сварки 

Редактор С.А. Серебрякова 
Корректор Л.И. Малютина 
Компьютерная верстка  Е.В. Зимакова 

Подписано в печать 25.10.2006. Формат  60х84/16. Бумага офсетная. 
Печ. л. 9,25. Усл. печ. л. 8,60.  Уч.-изд. л. 8,25. Тираж 100 экз.  
Изд № 151. Заказ  

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
105005, Москва, 2-я Бауманская, 5. 

ISBN 5-7038-2946-1                                                 © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007 

Г52 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение ......................................................................................... 5 
1. Сварочный контур «источник питания – дуга» как объект  
управления ...................................................................................... 8 

1.1. Структура сварочного контура и возмущающие  
воздействия .............................................................................. 8 
1.2. Электрические характеристики сварочного контура ........ 18 

2. Физические модели процессов в сварочном контуре ................ 31 
2.1. Особенности горения дуги на различных стадиях сварки .. 31 
2.2. Электрические условия устойчивого горения дуги............ 34 
2.3. Особенности сварки неплавящимся электродом ............... 36 
2.4. Пространственная устойчивость дуги ................................ 43 
2.5. Особенности сварки плавящимся электродом ................... 44 
3. Математические модели сварочного контура «источник  
питания – дуга» ............................................................................ 53 

3.1. Математическая модель системы «источник питания –  
дуга» при сварке неплавящимся электродом ..................... 53 
3.2. Математическая модель системы «источник питания –  
дуга» при сварке плавящимся электродом ......................... 58 

4. Требования к качеству процессов дуговой сварки .................... 69 
4.1. Стабильность электрических параметров дуговой  
сварки .................................................................................... 69 
4.2. Технологические критерии качества дуговой сварки ....... 72 

5. Управление технологическими параметрами сварочного  
оборудования при дуговой сварке неплавящимся  
электродом .................................................................................... 80 

5.1. Управление сварочными источниками питания ................ 80 
5.2. Особенности управления сваркой неплавящимся  
электродом ............................................................................ 86 
5.3. Управление параметрами режима при импульсно-дуговой 
сварке ..................................................................................... 93 
5.4. Управление технологическими параметрами сварочного 
оборудования при многослойной сварке ............................ 95 

5.5. Микропроцессорное управление параметрами  
многомоторного сварочного оборудования ..................... 100 

6. Управление технологическими параметрами сварочного  
оборудования при дуговой сварке плавящимся электродом ... 106 

6.1. Управление процессами при ручной дуговой сварке ...... 106 
6.2. Особенности управления процессом переноса  
электродного металла и формирования шва при  
механизированной сварке в защитных газах ................... 108 
6.3. Импульсно-дуговая сварка на длинной дуге..................... 111 
6.4. Сварка на короткой дуге с короткими замыканиями  
в углекислом газе ................................................................ 116 
6.5. Микропроцессорное управление параметрами сварочного  
оборудования для сварки плавящимся электродом ........ 121 
6.6. Сварочное оборудование для сварки под флюсом  
с постоянной скоростью подачи проволоки (система  
АРДС) .................................................................................. 124 
6.7. Сварочное оборудование для сварки под флюсом  
с регулируемой скоростью подачи проволоки (система 
АРНД) .................................................................................. 126 
6.8. Система автоматического регулирования тока  
и напряжения дуги с воздействием на питающую  
систему ................................................................................ 129 

7. Программное управление циклом дуговой сварки................... 131 
7.1. Программное управление циклом сварки неплавящимся 
электродом .......................................................................... 131 
7.2. Программное управление циклом механизированной  
сварки плавящимся электродом в среде защитных  
газов ..................................................................................... 134 

8. Управление технологическими параметрами сварочного  
оборудования на основе оперативного мониторинга качества 
сварного соединения .................................................................. 136 

Заключение....................................................................................... 146 

Список рекомендуемой литературы .............................................. 148 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Управление качеством сварных соединений на стадии создания 
сварных конструкций имеет очень важное значение в современном 
сварочном производстве. Качество сварных конструкций характеризуется 
механическими, эксплуатационными и потребительскими 
свойствами сварных соединений. Удовлетворение требований, 
предъявляемых к этим трем свойствам, обеспечивает отсутствие в 
сварном соединении недопустимых дефектов различной природы, 
формы, размеров и расположения и, как следствие, надежную эксплуатацию 
сварных соединений в заданных условиях.  
Дефекты можно разделить на две группы – дефекты формы и 
размеров шва и дефекты структуры металла сварного соединения. 
К первой группе относятся такие дефекты, как отклонения положения 
шва в сварной конструкции от заданного в технической 
документации положения, несплавления, несимметричность шва, 
непроплавы, прожоги, подрезы, формирование горбатого шва, 
отклонения размеров шва от заданных в технической документации 
и т. п. Ко второй группе относятся различного рода включения 
в металл сварного соединения – газовые поры, раковины, 
шлаковые и неметаллические включения, а также трещины различного 
расположения и размеров, изменения структуры и химического 
состава сварного соединения по сравнению с основным 
металлом и т. п.  
Подавляющее большинство данных дефектов формируется на 
стадии производства сварных соединений. Некачественное выполнение 
отдельных технологических операций (сборки соединения, 
наведения сварочного инструмента на место сварки и его ориентации 
относительно сварного соединения), несоблюдение заданного 
технологического режима сварки могут привести к формированию 
дефектов различных групп. В связи с этим задачи подготовки соединения 
под сварку и автоматического наведения сварочного ин-

струмента решают в первую очередь. В настоящее время разработано 
большое число устройств для измерения качества сборки 
стыка на базе оптических профилометров и ряд систем наведения 
источников нагрева на линию стыка с использованием разнообразных 
датчиков.   
В то же время технология сварки не столь очевидно влияет на 
качество сварных соединений. Это связано с рядом объективных 
причин. Во-первых, современные средства контроля из-за физических 
особенностей сварки не позволяют измерить большинство параметров 
сварного соединения и тем более обнаружить и идентифицировать 
дефекты этого соединения в темпе с процессом сварки. 
Это ведет к невозможности управления технологическими 
параметрами режима сварки по отклонению размеров и формы 
сварного соединения или по формированию различных структурных 
дефектов в нем. Для решения этой проблемы необходимо использовать 
косвенные параметры процесса сварки, доступные для 
контроля. К таким параметрам относятся собственно сами параметры 
режима сварки, связанные между собой, и некоторые физические 
параметры зоны сварки – температура поверхности свариваемого 
изделия, деформация изделия, интенсивность излучения 
сварочной дуги и т. п.    
Во-вторых, на стадии формирования сварного шва эти косвенные 
параметры зависят: 
– от качества основного металла, его теплофизических и химических 
свойств, распределения этих свойств по длине сварного 
соединения, подготовки кромок под сварку, стабильности геометрических 
размеров свариваемых деталей и т. п.; 
– от геометрических особенностей свариваемой конструкции, 
доступа к различным частям сварного соединения, положения при 
сварке, от особенностей деформирования этой конструкции в процессе 
сварки и т. п.; 
– от возможностей сварочного оборудования, стабильности его 
работы, его динамических характеристик и управляемости; 
– от условий проведения сварки, влияния различных факторов 
производства на процесс сварки, наличия и степени субъективного 
влияния со стороны человека и т. п.     
В-третьих, одни и те же технологические приемы могут привести 
как к снижению вероятности появления одних дефектов, так 

и к обеспечению условия роста других дефектов в сварном соединении. 

Из-за этих причин задача управления технологическими параметрами 
режима сварки имеет особое самостоятельное значение 
для всех способов сварки, в том числе и для сварки плавлением. 
Бóльшая часть процессов сварки плавлением, нашедших широкое 
применение в промышленности при создании разнообразных 
сварных конструкций, относится к дуговым процессам. В связи с 
этим управление технологическими параметрами различных дуговых 
способов сварки имеет большое практическое значение и требует 
особого внимания. Данный вопрос еще не нашел должного 
освещения в технической учебной и специальной литературе. 
Имеющиеся литературные источники [1–4] не отражают современных 
достижений в области микропроцессорного управления 
сваркой с использованием новых технологических и конструкторских 
подходов.  
Настоящее пособие ликвидирует этот пробел и направлено на 
обеспечение студентов старших курсов сварочных специальностей 
необходимым материалом при изучении дисциплин «Управление в 
технических системах», «Управление процессами и оборудованием 
при сварке». Оно отражает современные и перспективные подходы 
к управлению параметрами сварочного оборудования и процессами 
дуговой сварки и может быть использовано студентами 
для курсового и дипломного проектирования, проведения научно-
исследовательских работ.  
Пособие также может быть использовано специалистами, занятыми 
проектированием и изготовлением сварочного оборудования 
и не имеющими специальной подготовки в области сварки или области 
управления сварочными процессами.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

1. СВАРОЧНЫЙ КОНТУР «ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ – ДУГА» 
КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ 

1.1. Структура сварочного контура и возмущающие  
воздействия 

В современной сварочной технологии применяют различные 
источники нагрева с различными энергетическими характеристиками 
и способами теплового воздействия на изделие. При рассмотрении 
процессов сварки как объектов автоматического управления 
целесообразно исходить из общей для всех способов сварки 
последовательности преобразования энергии. 
Электрическая энергия, поступающая из промышленной сети, 
преобразуется в источнике питания в форму, наиболее полно соответствующую 
каждому конкретному источнику нагрева, который 
затем преобразует электрическую энергию в термическое воздействие 
на изделие и присадочный материал. 
Таким образом, формирование сварного соединения можно 
рассматривать как результат функционирования системы «источник 
питания – источник нагрева – свариваемое изделие» (рис. 1.1). 
Отдельные компоненты этой системы объединены обратными связями 
в сложную многосвязную систему. Действие этих связей 
проявляется в том, что изменения процесса формирования сварочного 
соединения оказывают обратное воздействие на источники 
нагрева и питания. Так, при дуговой сварке изменения глубины 
проплавления сопровождаются изменением длины дуги, в результате 
чего изменяются напряжение дуги и режим работы источника 
питания. При электрошлаковой сварке изменение температуры 
шлаковой ванны приводит к изменению скорости плавления электрода 
и тока сварочного трансформатора. 
В современных установках для питания сварочных цепей используют 
источники переменного тока (трансформаторы специ-

альных конструкций), источники постоянного тока (сварочные 
выпрямители и генераторы разнообразных конструкций), источники 
питания аккумулированной энергией. 

 
Рис. 1.1. Схема сварочного контура (FИП, FИН, Fсв – возмущения в источнике  
питания для сварки, источнике нагрева и сварочной ванне соответственно) 

Из сварочных источников нагрева наибольшее распространение 
получила электрическая дуга (дуговая и плазменная сварка).  
Каждый сварочный процесс можно охарактеризовать некоторым 
числом обобщенных координат (параметров сварочного процесса), 
между которыми существуют определенные связи. Например, 
между током и напряжением на дуге существует связь, 
определяемая свойствами источника питания. Частота коротких 
замыканий дугового промежутка каплями расплавленного металла 
зависит от тока и напряжения на дуге, но эта зависимость неоднозначна, 
она имеет вероятностный характер и может быть представлена 
в виде соответствующей корреляционной функции. 
Все многообразие параметров процесса сварки можно условно 
разделить на три группы (рис. 1.2): 
– энергетические, характеризующие вклад энергии в процесс 
образования сварного соединения; 
– кинематические, характеризующие пространственное перемещение 
или положение источника нагрева относительно изделия; 
– технологические, характеризующие условия формирования и 
кристаллизации сварных швов, переноса электродного металла. 
В производственных условиях технологический процесс сварки 
подвержен воздействиям – возмущениям, нарушающим его нор-

мальное протекание и приводящим к отклонениям показателей качества 
сварного соединения от требуемых значений. Возмущения 
могут быть приложены к любому из трех компонентов сварочного 
процесса (см. рис. 1.1), однако классифицировать их удобнее не по 
месту приложения, а по аналогии с параметрами сварочного процесса (
рис. 1.3). 

 

Рис. 1.2. Параметры процесса сварки 

 

Рис. 1.3. Классификация возмущений при сварке 

Источниками энергетических и кинематических возмущений 
являются промышленная сеть и в основном собственно сварочное 
оборудование: источники питания, аппаратура управления, приводы 
подачи электрода, перемещений и т. д. Источник технологических 
возмущений – несовершенство технологии подготовки заготовок 
и их сборки. 
Совершенствование конструкций сварочного оборудования, 
применение тиристорных приводов, использование современной 
техники управления сварочным циклом позволяют устранить 
многие энергетические и кинематические возмущения. В то же 
время трудно устранить все технологические возмущения, поскольку 
связанное с этим усложнение технологической оснастки 
и технологии заготовки, сборки и сварки изделий не всегда технически 
возможно и экономически оправдано. Чтобы оценить 
влияние возмущений на технологические характеристики сварного 
соединения, необходимо учесть закон изменения возмущений, 
который может быть заранее известен или неизвестен, и инерционность 
процесса формирования сварного соединения. Например, 
возмущения по длине дуги и углу наклона электрода, возникающие 
при наплавке кромок штамповых матриц по рабочему контуру, 
можно определить заранее с достаточной точностью. Однако 
обычно возмущения имеют случайный характер (например, колебания 
напряжения сети в течение рабочего дня, возникающие при 
включении и отключении соседних мощных потребителей электроэнергии). 

Инерционность формирования сварного соединения обусловлена 
особенностями распространения теплоты в изделии. Числовой 
характеристикой инерционности процесса нагрева и плавления 
металла изделия является тепловая постоянная τT, которая измеряется 
в единицах времени и определяется теплофизическими свойствами 
материала, объемом сварочной ванны и энергетическими 
характеристиками источника нагрева. 
Если время воздействия возмущения tв<<τT, то такое возмущение, 
не приводящее к нарушению процесса (например, к обрыву 
дуги), практически не отражается на геометрии сварного соединения. 
Ступенчатые и апериодические возмущения могут привести к 
изменению формы сварных соединений, поэтому на возмущения 
такого рода нужно вводить ограничения. 

Периодические возмущения с амплитудой, ограниченной условиями 
устойчивости процесса, обычно не влияют на размеры соединений, 
если частота колебаний f >>1/τT. 
В результате анализа современных сварочных процессов как 
объектов управления выявлены их характерные особенности, указывающие 
на актуальность задачи их полной автоматизации [2, 4]: 
– скоротечность некоторых этапов энергетических преобразований 
и процесса сварного соединения; 
– недоступность зоны сварки для непосредственного измерения 
и контроля; 
– повышенный уровень вредных воздействий на здоровье человека; 
– 
необходимость оптимизации сварочных процессов в соответствии 
с выбранным критерием (например, минимизация сварочных 
деформаций и т. п.) 
Непосредственное решение общей задачи автоматизации сварочных 
процессов затруднено многомерностью объектов автоматизации, 
поэтому эту задачу обычно разбивают на отдельные  
частные, в которых систему «источник питания – источник  
нагрева – изделие» рассматривают в виде упрощенной совокупности 
одномерных объектов. При этом в качестве переменных 
принимают только параметры, в той или иной степени характеризующие 
процесс образования сварных соединений и подлежащие 
в связи с этим стабилизации или изменению по заранее выбранному 
закону.  
Качественный анализ сварочных процессов как объектов автоматического 
управления и четкое понимание происходящих в них 
явлений позволяют перейти к определению количественных характеристик 
этих объектов. Решение этой задачи в общем случае 
называют идентификацией объекта. При этом реальный объект 
отождествляют с некоторой принятой априори формализованной 
моделью. 
Для одномерных объектов управления связь между входной и 
выходной величинами в установившемся состоянии задается статической 
характеристикой. При исследовании объектов из множества 
их статических характеристик в каждом конкретном случае используется 
только та, которая связывает параметры процесса, подлежащие 
управлению. Наиболее широкое применение статические