Содержание к диссертации
Введение
Глава I. СВАРОЧНАЯ ВАННА КАК ОБЪЕКТ АВТОМАТИЗАЦИИ
1.1 Инженерные проблемы автоматической сварки 9
1.2 Структурные схемы управления 23
1.3 Методы определения размеров сварочной ванны 32
Глава II. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗМЕРОВ СВАРОЧНОЙ ВАННЫ 45
2.1 Математическая модель и ее программное обеспечение
2.2 Методика определения параметров математической модели
2.3 Апробация методики моделирования 67
Глава III. ПОСТОЯННЫЕ ВРЕМЕНИ И КОЭФФИЦИЕНТЫ 84' ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ СВАРОЧНОЙ ВАННЫ
3.1 Методы определения параметров передаточной функции сварочной ванны
3.2 Общие закономерности переходных процессов в сварочной ванне при действии возмущений
3.3 Режимы прогрева и неполного провара металла 98
3.4 Режим полного провара 103
Глава- IV. ВЛИЯНИЕ НЕРЕГУЛИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ НА РАЗМЕРЫ 111 СВАРОЧНОЙ ВАННЫ
4.1 Отклонения по толщине листа 111
4.2 Отклонения по начальной температуре металла 118
4.3 Отклонения по физическим характеристикам металла 119
4.4 Изменения геометрии вольфрамового электрода 121
4.5 Методика учета нерегулируемых параметров 123
Глава V. РАСЧЕТ РЕЖИМОВ И АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ К ОБОРУДОВАНИЮ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКИ 136
5.1 Технологическая эффективность сварки 127
5.2 Проектирование процессов автоматической дуговой сварки 142
5.3 Анализ требований к точности поддержания режима сварочным оборудованием
5.4 Апробация работы 145
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 150
ЛИТЕРАТУРА 152
ПРИЛОЖЕНИЕ 165
- Инженерные проблемы автоматической сварки
- Математическая модель и ее программное обеспечение
- Методы определения параметров передаточной функции сварочной ванны
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Автоматическая сварка плавлением элементов из тонколистовых металлов широко применяется при производстве различных сварных конструкций. Качество таких соединений во многом определяется стабильностью геометрических размеров шва. Поэтому первым и важным видом контроля качества сварного соединения является визуально-измерительный контроль, оценивающий геометрические размеры шва и их отклонения. Следует отметить, что научно обоснованных требований к размерам, и особенно допускам сварных швов, до сих пор не выдвигалось. Они являются результатом длительной практической и экспериментальной деятельности, что было обоснованно в период их создания, но требует переосмысления в период интенсивного развития и расширения возможностей методов математического моделирования.
Основной причиной нестабильности геометрических размеров сварных швов является наличие различных возмущений, которые наиболее значимо проявляются при сварке тонколистового металла . Особенно остро вопрос обеспечения требуемого качества формирования шва возникает при повышении производительности сварки. Учет действующих возмущений выполняют путем расчета структурных схем управления, в которых наименее исследованным звеном является сварочная ванна. Экспериментальное определение параметров передаточной функции сварочной ванны зачастую оказывается трудоемким и неэффективным.
В этой ситуации целесообразно применение математического моделирования действия возмущений, что позволит изучить реакцию сварочной ванны, и, следовательно, определить размерную точность шва и требования к стабилизации параметров процесса. ^ ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Повышение качества сварных соединений путем стабилизации размеров проллавления с учетом действия технологических возмущений при автоматической сварке.
Инженерные проблемы автоматической сварки
Процесс автоматической аргоподуговой сварки металла без разделки кромок и подачи присадочной проволоки (рис.1.1) достаточно- широко используется- в различных отраслях, когда, требуется получить соединения высокого качества и при сварке сравнительно дорогостоящих материалов.
Анализ работ Гладкова Э.А. [20], Дилигенского Н.В.[32], Львова Н.С.[50], Немченко В.И. [56] и др. показывает, что одной из главных проблем при автоматической аргонодуговой сварке тонколистового металла, свариваемого без разделки кромок (толщиной до 4мм), является обеспечение стабильности геометрических размеров шва в условиях действующих технологических возмущений.
В производственных условиях они нарушают нормальное протекание технологического процесса, вызывая отклонения от номинала основных параметров режима (тока и напряжения дуги, скорости сварки) и изменяя условия ввода теплоты в зоне стыка. Это приводит к отклонениям показателей качества сварного соединения от требуемых значений, а в ряде случаев, к появлению недопустимых дефектов (прожоги, непровары). Особенно ярко, это явление выражено при снижении толщины тонколистовых конструкций [7 7, 84, 101].
Аналогичная проблема существует и при сварке корневого слоя шва с разделкой кромок. Разделка задается требованиями ГОСТов и имеет широкие пределы допуска по ширине зазора и величине притупления. Согласно требований [25], при односторонней аргонодуговой сварке без разделки кромок, ширина притупления по отношению к толщине пластины составляет 7.5%-20%, при двухсторонней 12.5-22.2%. Приведенные данные не имеют существенного значения для ручной и сильно влияют на размеры шва при автоматической сварке.
Работы Гладкова Э.А., Малолеткова А.В., Перковского Р.А., Трегубова Г.П. свидетельствуют о наличии нерегулируемых параметрах процесса сварки, к которым можно отнести нестабильность работы технологического оборудования, химическую и теплофизическую неоднородность свариваемого материала, нарушение геометрии сборки свариваемого стыка в результате деформаций и коробления изделия, нарушение защиты места сварки и др. [22]. К ним .можно отнести и отклонение толщины листового проката, температуры деталей, теплофизических параметров металла, влияние технологических подкладок и др.
Сведения по оценке величин нерегулируемых параметров, а также методы и алгоритмы определения их влияния на режимы сварки практически отсутствуют. Большинство рекомендаций носит краткий описательный характер. Так в работе [57] установлено, что при увеличении притупления от 0 до 1.5мм высота обратного валика уменьшается вдвое, ширина проплавлення увеличивается на 30-50%, вероятность появления непровара из-за несоосности электрода и линии стыка снижается.
Сведения по величине отклонений таких нерегулируемых параметров как толщина листового проката, теплофизические характеристики можно получить из ГОСТов. Для стальных полос, предельные отклонения по толщине не должно превышать при нормальной точности 4_0 дмм (+7.5%, -12.5%), при повышенной точно сти 4_03мм [26]. Допуск на прокат толщиной 2мм при нормальной точности изготовления составляет +0.2ІММ (±10.5%)[26].
Суммарный эффект действия возмущений и наличия неучтенных факторов зачастую приводит к недопустимым дефектам (прожогам, непроварам) и усложняет отработку режимов сварки Различные по физической природе возмущения приложены в разных точках динамической системы: сварочный источник питания (И) - сварочный автомат (А) - сварочная дуга (Д) - сварной шов (Ш) (система И-А-Д-Ш} (рис.1.2). Поэтому влияние одних возмущений на процесс сварки может быть ослаблено или относительно легко устранено путем их измерения и компенсации, устранение других связано с определенными трудностями.
Математическая модель и ее программное обеспечение
Для аргонодуговой сварки тонколистового металла неплавя-щимся электродом целесообразно ведение расчета процесса распространения тепла по схеме нормально-кругового источника (НКИ) тепла на поверхности плоского слоя, испытывающего ограничивающее влияние нижней плоскости листа (рис.2.1).
Эта расчетная схема отражает все основные особенности процесса сварки без разделки кромок, когда тепло сварочной дуги вводится в изделие с его поверхности, давление дуги сравнительно невелико и не приводит к значительному погружению активного пятна дуги в жидкий металл. В то же время схема позволяет учесть распределенность теплового потока источника, что важно при определении размеров сварочной ванны.
К недостаткам расчетной схемы следует отнести отсутствие учета выделения скрытой теплоты плавления и кристаллизации, гидродинамических процессов в сварочной ванне, линейность постановки задачи в отношении теплофизических коэффициентов. Однако для решения поставленных задач эти недостатки не являются существенными, т.к. на данном этапе определяющим является установление основных зависимостей для переходных процессов и коэффициентов передачи. Кроме того, их предполагается устранить за счет экспериментальной верификации модели (2.3) и введения понятий приведенных коэффициентов модели.
При расчете размеров швов основных соединяемых металлов, таких как алюминий, титан, сталь использовали следующие теп-лофизические характеристики [38, 49, 52].
До сих пор Б сварочной технике использовались или более простые или более сложные модели, чем модель (2.3). Использование более простых моделей было обусловлено в основном трудностями вычислительного характера. Использование более сложных моделей обуславливалось стремлением максимально точно описать сложные физические процессы, происходящие в сварочной ванне. Трудность последнего подхода заключается в неопределенности многих характеристик процесса, используемых в расчетах. Например, практически не изучено распределение температур на поверхности сварочной ванны при действии дуги. Кроме того, какой бы совершенной не была модель, описывающая физические процессы в самом свариваемом теле, трудно представить, чтобы она могла учесть специфику конкретных условий сварочного процесса. В отношении сварки тонколистовых материалов это особенно относится к условиям теплоотвода - прижимам, накладкам, подкладкам и др. Поэтому любая математическая модель распространения тепла при сварке тонколистового материала должна максимально адаптироваться к реальным условиям сварки.
Процесс адаптации математической модели к условиям сварки будем называть методом приведения. Сущность метода приведения заключается в том, что исходя из реальных условий сварки, параметры модели подбираются такими, чтобы наилучшим образом описывать в заданной области экспериментальные данные. Иначе говоря, реальному процессу подбирается некая идеальная схема.
Широкое внедрение вычислительной техники в производственную деятельность позволяет использовать на практике модель распределения температуры в плоском слое (2.3), сравнительно легко с помощью несложных экспериментов преодолевая затруднения, вызванные недостаточной изученностью физической картины явления. Основным препятствием в использовании выражения (2.3) является слабая изученность распределенности теплового потока сварочных источников тепла. Имеющихся экспериментальных данных явно недостаточно. Одним из выходов в данной ситуации является определение распределенности теплового потока непосредственно по характерным точкам термического цикла в процессе проектирования и отработки сварочных технологий.
Методы определения параметров передаточной функции сварочной ванны
Для исследования процессов в реальных системах пользуются идеализированными схемами, которые точно описываются математически и приближенно характеризуют реальные звенья систем в заданном диапазоне частот сигналов.
Ранее определено, что передаточные функции сварочной ванны зачастую представляют собой инерционное звено (рис.3.1).
где к - коэффициент передачи звена; т - постоянная времени.
Согласно теории автоматического управления, коэффициент передачи апериодического звена представляет собой отношение выходной и входной величины.
При построении структурных схем систем управления используют два основных типа параметров в приращениях и абсолютных величинах.
Первый способ удобен при анализе действия возмущений статического состояния, второй — при назначении режимов сварки и определении характеристик переходных процессов при его достижении полный провар с образованием сварочной ванны по нижней границе.
Из перечисленного выше следует, что расчет коэффициентов передачи в абсолютных величинах следует вести для режимов прогрева и частичного провара металла, что необходимо для расчета режима полного провара. Анализ возмущений при сварке тонколистового металла наиболее важен для режима полного провара, а, следовательно, расчет коэффициентов передачи следует выполнить в приращениях.
Второй характеристикой передаточной функции инерционного звена является постоянная времени сварочной ванны - одна из основных динамических характеристик переходных процессов. Она характеризует скорость реагирования ванны на возмущение в сварочном процессе [21, 50].
Для определения постоянной времени инерционного звена, целесообразно применение переходной функции, поскольку моделирование позволяет описать переходный процесс, а не рассчитать значение функции по формулам. Переходная функция описывает значение выходной величины структурного звена при подаче на него ступенчатого воздействия единичной величины. При этом ее экспоненциальную зависимость можно описать выражением Так как процесс проплавления металла носит экспоненциальный характер, то постоянная времени проплавления определяется при достижении 0.634 величины провара в установившемся со-стоянии [51, 65, 89, 90], рис.3.2.
