Введение к работе
Актуальность темы.
Сварные соединения конструкций ядерных реакторов работают, как правило, в агрессивных средах (вода под давлением, паровидная смесь, пар) при высоких температурах. Высокие требования к надежности работы сварных конструкций из сплавов циркония вызывают необходимость высокого качества сварных соединений из этих сплавов. При электронно-лучевой сварке (ЭЛС) конструкций из сплавов циркония даже на оптимальных режимах не удается достичь требуемых механических свойств и необходимой коррозионной стойкости сварного соединения. Поэтому для обеспечения комплекса необходимых свойств сварного соединения из сплавов циркония после ЭЛС проводят длительный отжиг или ступенчатую термообработку, а также применяется и более сложная, термомеханическая обработка, включающая циклы холодной пластической деформации металла в зоне сварного соединения (обкатка роликами) и последующего отжига его в печи. Для проведения таких видов термической и термомеханической обработки сварного соединения в печах требуется специальное дорогостоящее и громоздкое оборудование, а технологический процесс изготовления сварных каналов реакторов является трудоемким и продолжительным. Поэтому при производстве технологических каналов ядерных реакторов задача разработки и исследования более простых и экономически выгодных методов и режимов обработки сварных изделий из сплавов циркония, снижающих трудоемкость и продолжительность технологического процесса изготовления технологических каналов ядерного реактора, существует по настоящее время.
При ЭЛС, как и при других способах сварки, формирование сварного шва происходит в условиях постоянно действующих возмущений, что приводит к динамической нестабильности процесса, а, следовательно, и к интенсивному дефектообразованию. Снизить влияние возмущающих воздействий на качество шва удается стабилизацией основных энергетических параметров, используя замкнутые системы автоматического регулирования с обратной связью непосредственно по управляемому параметру. Так для точного управления распределением температурного поля в зоне обработки необходимо контролировать температуру в этой зоне и управлять тепловым процессом с целью повышения качества
обрабатываемого материала. Одной из особенностей обработки материалов концентрированными источниками при изготовлении технологических каналов является локальность воздействия источника и вращение обрабатываемого изделия. Поэтому температура должна регистрироваться на участке поверхности обрабатываемой детали, размеры которого не превышают размера зоны обработки или меньше её, при этом пятно регистрации температуры должно быть фиксировано и не зависеть от вращения изделия. Данными свойствами обладают бесконтактные датчики температуры - пирометры, которые позволяют повысить точность режима обработки и эффективность управления технологическим процессом в автоматических системах регулирования.
При обработке материалов (ОМ) концентрированными источниками энергии (КИЭ) одной из основных задач является задача определения режима обработки (сварки, наплавки, резки, локальной термической и термоциклической обработки), при этом должны обеспечиваться необходимые или наиболее близкие к требуемым механические и эксплуатационные свойства обрабатываемого материала. Задача определения режима обработки довольно часто решается эмпирическими методами, зависящими от опыта и эрудиции технолога, с последующей экспериментальной проверкой выбранных режимов. Режимы в этом случае выбирают из справочника данных, рекомендаций или задают, исходя из накопленного технологического опыта, а затем проводится отладка режима на натурных образцах. При этом на отладку расходуется значительное количество образцов и большой объем рабочего времени. Процедура подготовки режима ОМ КИЭ, основанная на эмпирических подходах, становится малоэффективной при разработке новых технологий и в условиях мелкосерийного и единичного производства. Для повышения точности и достоверности определения режимов применение математического и численного моделирования тепловых процессов ЭЛС и электронно-лучевой локальной термоциклической обработки (ЭЛТЦО) затруднено из-за сложности математической модели, громоздкости алгоритмов расчета и большого объема машинного времени, что так же не позволяет применять их в системах управления для расчета в реальном времени режимов обработки.
Поэтому задачи разработки не сложной, доступной в применении технологу модели расчета режимов и автоматизации процессов ЭЛС и ЭЛТЦО с реализацией алгоритмов оптимального
распределения и регулирования мощности источника по температуре является актуальной.
Целью данной работы является снижение трудоемкости и продолжительности изготовления сварных технологических каналов ядерного реактора, автоматизация процесса сварки и термической обработки кольцевых швов с обеспечением требуемых эксплуатационных свойств сварных соединений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать методику эффективного численного моделирования режима электронно-лучевой сварки и последующей локальной термоциклической обработки швов кольцевых соединений на основе метода обратной задачи;
численными методами на основе разработанной методики исследовать тепловой процесс в кольцевом сварном шве;
разработать систему автоматического управления с контуром обратной связи по температуре и программное обеспечение для реализации в системе алгоритма изменения мощности пучка электронов и формы его локальной развертки;
провести экспериментальные исследования достоверности и эффективности оптимального режима обработки пучком электронов при изменении мощности источника по рассчитанному закону управления и заданных параметрах локальной развертки;
провести механические, коррозионные и металлографические исследования для подтверждения возможности сокращения времени печной и исключения сложной механической обработки сварных соединений.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы: методы теории теплопроводности, методы математического и численного моделирования, моделирование тепловых процессов на ПЭВМ, методы теории оптимального управления.
Научная новизна и практическая ценность.
1. Разработана математическая модель теплового процесса и на основе этой модели получены режимы управления мощностью источника для поддержания заданного термического цикла сварки и локальной термоциклической обработки кольцевого соединения.
-
Предложен принцип системы управления на основе локальной вычислительной сети применительно к технологии электронно-лучевой обработки материалов.
-
Разработано программное обеспечение для системы управления с реализацией закона управления мощностью электронного пучка.
-
Разработаны алгоритмы функционирования блоков системы управления.
-
Экспериментальные исследования показали возможность сокращения штатного технологического процесса изготовления технологических каналов АЭС при использовании термоциклической обработки на оптимальных режимах сварных соединений каналов.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы
обсуждались на Региональной научно-технической конференции
"Наука-производство-технология-экология", г. Киров, 1998,
Всероссийской научно-технической конференции "Компьютерные
технологии в соединении материалов", г. Тула, научно-технической
конференции "Наука-производство-технология-экология", г. Киров,
1999, научно-технической конференции "Сварка Урала в XXI век",
г. Екатеринбург, 1999, научно-технической конференции "Сварка-
контроль. Итоги XX века", г. Челябинск, 2000 г, Региональной
научно-технической конференции "Наука-производство-
технология-экология", г. Киров, 2000.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы.