При анализе работы системы генератор — механическая си­стема возникает необходимость измерения силы тока, напряжения, соответствующих фазовых соотношений, мощности, частоты коле­баний электрического тока, питающего преобразователь, а также амплитуды, частоты смещения сварочного наконечника и энергии, поглощаемой в зоне сварки.

Для измерения параметров генераторов, амплитудно-фазо­вых и частотных характеристик, круговых диаграмм, колебатель­ных величин акустических систем в современных лабораториях используются измерительные комплексы, которые содержат блоки
автоматической обработки некоторых данных. Расчеты произво­дятся, как правило, с использованием вычислительной техники. Графическая обработка полученных данных производится графо­построителями.

В лабораторно-заводской практике, когда нет соответствую­щих отечественных и импортных средств измерения, напряжение на выходе генератора определяется посредством широко рас­пространенных электростатических и электронных вольтметров и осциллографов обычными приемами. Перечень приборов для измерения различных электрических и механических величин дан в табл. 4.5.

Для измерения силы тока высокой частоты используются ам­перметры с термопреобразователями, например, типов Т-14 и Т-18. Для измерения электрической мощности в ряде лабораторий разработаны схемы ваттметров, работа которых основана на ис­пользовании нелинейных характеристик некоторых преобразо­вателей. В качестве преобразователей используются диоды, ва­куумные термопреобразователи и т. п. Такие преобразователи использованы в ваттметрах типов ЭВ-1, ВУЧ-2, Т-141 и др. (Ват­тметр типа Т-141 имеет значительную инерционность и не позво­ляет выявить потребление энергии преобразователем в процессе сварки.) Схема измерения мощности типовым ваттметром пока­зана на рис. 4.27.

При синусоидальной форме напряжения и тока на преобразо­вателе и незначительной мощности колебательной системы (до 50—100 Вт) допускается измерение потребляемой мощности ме­тодом трех вольтметров. Активное сопротивление R, включенное последовательно с нагрузкой, должно быть того же порядка, что и величина модуля полного сопротивления преобразователя. Мощность вычисляется по формуле

P=(U2r-U%- Ul)/(2R),

цифровом индикаторе. Приближенную оценку частоты тока, питающего преобразователь, можно произвести прибором типа ИЧ-6. Схема измерения резонансной частоты приведена на рис. 4.27, б. Точное значение частоты можно получить и по шка­ле измерительного генератора при условии, что он использован в качестве задающего генератора источника питания.

Резонансная частота колебательной системы определяется по ее амплитудно-частотной характеристике. Резонансные характери­стики целесообразно определять при номинальной мощности преобразователя.

Определение активного, реактивного и полного сопротивле­ний преобразователя на резонансной частоте осуществляется по формуле

Z = UJIUf

где Z — полное электрическое сопротивление; /п и Uu — сила тока и напряжение на преобразователе.

Коэффициент мощности

COS ф = Рэл/(^п^п)>

где Рэл — активная электрическая мощность, потребляемая пре­образователем.

Активное сопротивление

R = | Z | cos ф;

реактивное сопротивление

х = | Z | sin ф;

z = /FT*2;

tgф = */Я; coscp = i?/|Z|.

Допускается определение полного сопротивления преобразо­вателя методом трех вольтметров. Тогда величина | Z | вычисля­ется по формуле

Z = UnR/UR,

а коэффициент

cos ф = (£7? — Ul — U)l{2UJJR),

Угол сдвига фаз между током и напряжением можно опреде­лить непосредственно, используя электронные фазометры.

Измерение механических параметров, характеризующих ра­боту механической колебательной системы, предназначенной для сварки, в ряде случаев затруднено. Например, практически трудно «напрямую» измерить амплитуду смещений сварочного наконечника при сварке пластмасс, поскольку его колебания на­правлены нормально к плоскости свариваемых деталей.

Основным и наиболее надежным методом определения ампли­туды колебаний сварочного наконечника является оптический метод, где измерения производятся посредством микроскопа. Этот метод позволяет достаточно просто определить амплитуду колебаний в любой точке системы, в которой распространяются продольные волны. Микроскоп должен иметь комплект сменной оптики с увеличением в пределах 100—500, осветители, окуляр с сеткой, эталон, по которому определяется цена деления сетки.

Измерение амплитуд колебаний производится следующим об­разом. При отсутствии колебаний в поле микроскопа замечается произвольная, наиболее характерная риска. После включения ультразвука эта риска вытягивается в линию. Длина этой линии равна удвоенной амплитуде колебательного смещения рассматри­ваемой точки. Измерения целесообразно производить в непосред­ственной близости от торца концентратора. Этот метод является единственным, который позволяет произвести градуирование лю­бых других известных средств измерения. Но он имеет свои не­достатки. Так, практически в режиме сварки очень трудно из­мерить амплитуды смещений на уровне 1—2 мкм. Доступ к зоне сварочного наконечника ограничен и т. п.

Измерение амплитуды механических колебаний возможно при условии использования электромеханического преобразователя с помощью специальных схем, позволяющих выделять составляю­щую тока, питающего преобразователь, величина которой про­порциональна величине механических колебаний электромеха­нической системы. Например, с этой целью применяется мо­стовая схема с дифференциальным трансформатором тока (см. рис. 4.18, б).

Наиболее приемлемым прибором для измерения колебаний яв­ляется бесконтактный виброметр типа УБВ-2 с пределами изме­рений от 0,5 до 100 мкм (диапазон частот 8—40 кГц). Виброметр обеспечивает измерения с точностью ±5 %. Некоторым ограниче­нием применения этих приборов является требование относительно большого диаметра вибрирующей площади (0 6 мм). Для изме­рения колебательных смещений могут быть использованы индук­тивные и емкостные датчики, о чем было сказано выше.

Известны различные устройства для измерения амплитуды сме­щения сварочного наконечника. Например, в одном из устройств в качестве датчика использован магнитоэлектрический измери­тельный преобразователь (ИП). Принципиальная электрическая схема его содержит усилитель тока, усилитель напряжения и де­тектор [20].

При испытаниях прибора было установлено, что расхождение между его показаниями и измеренными оптическим методом (с помощью микроскопа МИР-2) не превышает 2 %. Полярный выходной сигнал может быть использован для индикации, а также для управления процессом сварки.

В ГДР разработан оптико-электронный метод измерения ам­плитуды смещения сварочного наконечника [20].

Как показали результаты экспериментальных работ, погреш­ность измерений не превышает ±5 %. С использованием точных методов комбинирования точность измерений может быть повы­шена до ±1,5 %.

Можно отметить преимущества такого метода измерений: спо­соб измерения бесконтактный; практически независим от процесса УЗС; конструкция измерительного преобразователя имеет очень небольшие габаритные размеры и массу; широкий диапазон изме­рений; место измерений находится в непосредственной близости от зоны сварки; сигнал дает текущее значение амплитуды в процессе сварки; принцип образования сигнала позволяет автоматизировать обработку сигнала и использовать его для управления процессом сварки.

Безусловным недостатком является чрезмерная чувствитель­ность к постороннему свету и необходимость тщательной юсти­ровки при наладке.

В ПНР проведен комплекс работ по созданию измерителя энер­гии, выделяющейся в зоне сварки и т. п. [20].

Конечной целью всего технологического цикла сварки явля­ется получение соединения, отвечающего, в конечном счете, тре­бованиям технических условий на изделие. В зависимости от назначения изделия эти условия могут быть существенно различ­ными. В одном случае требуется получение сварного соединения, обеспечивающего, например, прочность на уровне 0,1 ±0,2 от прочности основного материала, в другом — не менее прочности основного. Вне зависимости от этого одним из основных техниче­ских требований к оборудованию для УЗС является обеспечение заданных технологических параметров режима сварки. Кроме того, учитывая особенности процесса формирования сварного соедине­ния, весьма сложный механизм преобразования энергии, элементы физико-механической неоднородности поверхностных слоев сва­риваемых материалов, получаем необходимость разработки средств управления процессом УЗС и контроля качества сварных соеди­нений, тем более что эти средства упрощают организацию свароч­ных работ в целом.

В настоящее время известно достаточно много работ, в кото­рых анализируется возможность управления процессом УЗС, разработаны методы аппаратуры, даны рекомендации для их ис-^ пользования в промышленности. Судить о результативности их использования практически нельзя, так как нет статистических данных, которые позволили бы сделать однозначный вывод. Ограничимся краткой систематизацией опубликованного матери­ала.

Для управления процессом УЗС использовались, в основном, амплитуда колебаний сварочного наконечника, программирован­ное сварочное усилие, деформирование свариваемых материалов, коэффициент бегущей волны в системе, кинематические харак­теристики процесса сварки, энергетика системы в целом, время сварки и др.

Управление процессом УЗС посредством изменения амплитуды колебаний сварочного наконечника проводилось следующими методами, например:

1) в процессе сварки снижалась амплитуда до 0,25 от исход­ной;

2) сравнивалось изменение £св в процессе сварки с выбранной экспериментально; по величине изменения Д|св оценивалась энергетика процесса;

3) использовался характер изменения |св под нагрузкой как критерий качества сварки К = 2-*-2,5 = бтах/Smin»’

4) ступенчато снижалась амплитуда сварочного наконечника;

5) проводилось программированное изменение амплитуды сме­щения сварочного наконечника в процессе УЗС и т. д.

В частности, при сварке алюминия с керамикой установлено, что изменение формы импульса ультразвука практически не улуч­шает характеристик сварочного соединения, но позволяет при оптимальных изменениях скорости нарастания и спада импульса ультразвука уменьшить время сварки, деформации проводника и повысить механическую прочность сварных соединений. Надо полагать, что при УЗС других материалов, особенно для удаления поверхностных пленок из зоны сварки в процессе образования сварного соединения, программирование £св может дать более существенные результаты.

Известны работы [1, 2] по исследованию возможности управ­ления процессом УЗС посредством программирования сварочного усилия. При этом основная цель работ состояла в выделении явлений пластического течения металла в поверхностных слоях, элементов внешнего трения, регулирования его уровня, кинетики изменений в процессе сварки. Исследования проведены с помо­щью специально разработанных устройств, позволяющих изме­нять сварочное усилие в процессе формирования соединения, про­изводить импульсное нагружение с различной частотой. Установ­лено, что программирование уменьшения сварочного усилия спо­собствует интенсификации образования зон схватывания (алю­миний + керамика). Это обусловлено увеличением скорости де­формации и коэффициента деформационного упрочнения на актив­ной стадии нагружения, более полным протеканием релаксаци­онных процессов и т. п. В любом случае сварочное усилие при заданной скорости сварочного наконечника формирует в зоне сварки колебательные напряжения и сопротивление нагрузки. Разработка устройств управления колебательными силами и ско­ростью наконечника предопределит решение проблемы управле­ния процессом УЗС.

Большое внимание было уделено исследованиям возможности управления процессом УЗС металлов и пластмасс посредством регулирования величины деформирования свариваемых матери­алов — величины осадки [6].

Основные методы управления процессом сварки следующие:

1) по заданному времени сварки;

2) при достижении заранее заданной деформации, т. е. с так называемым фиксированным зазором;

3) при условии записи величины деформации в память, срав­нения ее с текущей величиной и достижения заданного значения деформации;

4) при контроле величины осадки сварочного наконечника по кинетической характеристике процесса УЗС;

5) по фиксированной деформации, заданной соответствующим профилем контактирующих материалов, например V-образной разделкой кромок;

6) по изменению знака ускорения деформирования, зоны сварки и т. п.

Все методы управления дают технологический результат, но необходимо сделать три замечания (по п. 2).

1. Надежность этих методов в значительной мере определя­ется точностью измерения осадки сварочного наконечника. В част­ности, есть рекомендации о необходимости измерения ее величины на уровне ±0,01 мм.

2. Осадка будет различной в зависимости от свойств сваривае­мых материалов (алюминий—сталь, полистирол—полиэтилен).

3. Величина осадки не гарантирует необходимой прочности сварных соединений. Ситуации, когда деформация материала есть, а сварки нет, на практике является весьма частым явлением. Это касается сварки пластмасс и металлов.

В любом случае разработка методов управления процессом УЗС посредством выявления закономерностей деформирования сва­риваемых материалов и создания необходимых комплектов конт­рольно-измерительной аппаратуры представляется весьма пер­спективной. Тем более, что деформирование непосредственно отра­жает процесс энерговыделения в зоне сварки.

Для управления процессом УЗС целесообразно использовать способы, основанные на изменении коэффициента бегущей волны — &б в колебательной системе. Он рационален прежде всего потому, что несет наиболее объективную информацию о передаче энергии в зону сварки в зависимости от формирующегося сопротивления нагрузки. Известны методы определения энергии, переносимой в зону сварки при условии измерения £б в нулевой плоскости продольного волновода с соответствующими уравнениями для расчета Рсв; при наличии специального измерительного звена как составной части продольного волновода [191 и при измерении k6 в изгибно-колеблющемся стержне в непосредственной близости от сварочного наконечника [20].

При условии использования колебательных систем, стабильная работа которых обеспечена недостаточно известными средствами: выбором рациональных ky, средств АСА, АПЧ и т. п., для управ­ления процессом УЗС предложено использование широкополос­ных генераторов и колебательных систем [11]. Автором опреде-‘ лены соотношения между мощностью генератора, шириной полосы пропускания частоты колебательной системы, увеличением £св на высших гармониках в зависимости от механической доброт­ности исходной узкополосной колебательной системы. Показана возможность увеличения полосы пропускания до 8—10 %, или до 8—9 кГц, но при этом потребляемая мощность на границах частотного диапазона возрастает в несколько раз. Электрические методы обеспечивают расширение полосы только в области первой (одной) гармоники механического резонанса.

Для расширения полосы пропускания частот колебательной системы разработан ряд конструктивных решений. Расширение полосы пропускания до 15—20 % от резонансной производилось за счет изменения геометрического размера излучающей стороны пьезопластин по линейному или синусоидальному законам, раз­несения резонансных частот и пьезоизлучателей, использования нелинейных электромеханических явлений твердых тел и т. п.

Известны также методы контроля качества сварки и управле­ния процессом сварки по электрическим характеристикам контакта свариваемых материалов. Показано, что величина контактного переходного электросопротивления свариваемых изделий корре­лирует с прочностью сварного соединения. Сопротивление при этом измеряют посредством двойного места [11].

Одним из методов, позволяющих следить за процессом обра­зования сварного соединения, является контроль качества по отраженным эхо-сигналам и плотности шумового спектра. Сущ­ность метода заключается в том, что в зону сварки вводят допол­нительные колебания с длиной волны, равйой или меньше раз­мера ожидаемого дефекта в сварном соединении, а затем улавли­вают отражение колебаний от этих дефектов.

Можно осуществлять контроль качества и управления про­цессом сварки по импедансу зоны сварки посредством бесконтакт­ных электромагнитно-акустических датчиков; системы автомати­ческого поддержания резонанса и амплитуды колебаний САПРА [4] и т. п.

В заключение отметим, что в основе решения проблем стабили­зации процесса УЗС пластмасс и металлов лежит правильная оцен­ка дестабилизирующих факторов и энергетики процесса. Исполь­зование акустических систем при условии, что изменение колеба­тельных величин носит случайный характер, нерационально. Это приводит к необходимости разработки весьма дорогостоящих средств управления, которые с большим трудом исправляют эту ошибку (использование микропроцессоров, мини-ЭВМ и т. п.).

Минимальным требованием к акустическим системам является стабилизация колебательной скорости в процессе сварки. Сред­ства АПЧ, АСА — это сравнительно простой прием в сочетании,

например, с контролем величины деформации свариваемого ма­териала; в подавляющем большинстве встречающихся в практике случаев дают достаточно хорошие результаты. Более кардиналь­ное решение — программирование изменения £св и, тем более,

р

Г СВ*

Оснащение сварочных машин элементами вычислительной тех­ники и средствами управления в целом ряде случаев является из­быточным и приводит к снижению экономической эффективности УЗС из-за чрезмерно высокой стоимости оборудования.