СУДОСТРОЕНИЕ 1'2002
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПУТЕМ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ СВАРКИ
В. Д. Горбач, докт. техн. наук, И. В. Суздалев, докт. техн. наук (ФГУП ЦНИИТС, Россия), Ф. Н. Кисилевский, докт. техн. наук (ИЭС им. Е. А. Патона, Украина) удк 681.513.6:621.791.75
^Д
Качество сварных конструкций ответственного назначения зависит от многих факторов. Главные среди них — конструктивно-технологическое оформление сварных узлов, свойства основного и сварочных материалов и технология сварки. В данной статье рассматривается управление технологическим процессом как один из наиболее эффективных способов обеспечения высокого качества и надежности сварных конструкций. При этом имеется в виду, что и конструктивно-технологическое оформление сварных узлов и свойства основного и сварочных материалов оптимизированы.
Традиционные методы управления сварочным оборудованием и технологическим процессом сварки в настоящее время практически себя исчерпали. В связи с тем, что сварка является исключительно сложным многофакторным объектом управления, подверженным разнообразным и часто не зависящим друг от друга возмущениям, наиболее перспективным представляется адаптивное управление. При этом процесс сварки рассматривается как взаимодействие составляющих в системе «изделие—дуга—источник питания».
За последние 10—15 лет в области создания адаптивных систем управления процессами сварки достигнут определенный прогресс [1, 2]. Многие зарубежные фирмы ведут работы по созданию автоматизированных сварочных установок с адаптивным управлением процессом сварки. Система ABW фирмы ESAB применяется для сварки плавящимся электродом под флюсом секций котлов [3], сварочный контроллер с сенсором Meta Torch MS900 — для сварки не-плавящимся электродом в инертном газе при изготовлении изделий в ракетостроении [4]. Однако такие системы пока достаточно редки. Основными причинами, сдерживающими их широкое применение, являются: во-первых, значительные трудности, с которыми сталкиваются разработчики математических моделей и алгоритмов управления процессом формирования сварного шва, и, во-вторых, отсутствие надежных средств контроля геометрических размеров разделки кромок и положения свариваемого стыка.
В связи с появлением в последние годы малогабаритной мощной лазерной техники и резким повышением производительности компьютерной техники можно говорить о создании высококачественных адаптивных систем управления технологическим процессом сварки как системой «изделие—дуга—источник питания».
В реальности собранные под сварку узлы конструкции всегда имеют отклонения от требований нормативных документов. На рис. 1, а показаны типичные дефекты сборки одностороннего стыкового соединения, сварка которого выполнялась на флюсомед-ной подкладке. При сварке такого соединения обычным сварочным оборудованием без системы технологической адаптации, при постоянстве параметров режима сварки, был получен сварной шов (см. рис. 1, б), геометрические размеры усиления которого существенно изменялись по длине. Такие сварные швы, как правило, требуют большого объема работ по удалению излишнего или наплавке недостающего усиления. Если процесс сварки ведется с использованием адаптивных систем управления сварочным оборудованием и технологическим процессом, изменение размеров усиления может быть сведено к минимуму даже при сварке соединений, подготовленных под сварку с отклонениями от требований нормативных документов (см. рис. 1, в).
Идея алгоритма процесса адаптивного управления сваркой заключается в следующем:
• непосредственно перед зоной сварки с помощью специальной видеосенсорной системы с инфракрасным прожектором (ИК-прожектором) развертывающего типа (рис. 2) осуществляется считывание информации о текущих геометрических параметрах сварного соединения: величине зазора, ширине, глубине и углу разделки кромок и т. п. Полученные данные обрабатываются (фильтруются от помех, сглаживаются) и передаются в расчетный модуль;
• в расчетном модуле выполняется сравнение реальных размеров конструктивных элементов разделки кромок с заданными нормативной документацией. Затем рассчи-
:УДОСТРОЕНИЕ 1'2002
ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ И МАШИНОСТРОЕНИЯ
бт
9=&<±1=соп&1
Рис. 1. Типичные дефекты сборки (а) и формирование сварного шва с адаптивным управлением процессом сварки (б) и без адаптивного управления (в)
тывается поперечное сечение разделки кромок, по которому определяется количество наплавленного металла, необходимое для получения требуемых параметров сварного шва (глубины проплавления, ширины и высоты усиления), и вырабатываются необходимые управляющие воздействия для исполнительных механизмов;
• исполнительные механизмы осуществляют корректировку параметров режима сварки, обеспечивая получение требуемых размеров усиления сварного шва.
Весь цикл от считывания элементов разделки кромок до корректировки параметров режима сварки занимает 0,03—0,05 с. Сварочные автоматы, оснащенные такими системами адаптивного управления, выполняют сварные швы с отклонением от номинальных размеров, не превышающим ± 0,5 мм.
В ЦНИИТС совместно с ИЭС им. Е. О. Патона разработаны математические, программные и аппаратные средства, позволяющие производить управление процессами сварки с указанными выше параметрами. Аппаратура для реализации такой системы адаптивного контроля выполнена (кроме оптической системы) на ос-
нове стандартных аппаратных и программных средств. Наиболее сложным элементом системы адаптивного контроля является видеосенсор, который должен работать в условиях очень сильных оптических и электромагнитных помех. На рис. 3 показаны результаты определения видеосенсором различных геометрических фигур при сканировании в процессе его испытания. Система позволяет с высокой точностью определять размеры разделки кромок любой геометрической формы. Выходные сигналы системы используются также и для точного ведения сварочной горелки по стыку.
Применение видеосенсорной системы с ИК-прожектором развертывающего типа обеспечивает следующие технические характеристики при определении размеров элементов разделки кромок и положения свариваемого стыка:
точность определения конструктивных элементов разделки: зазор в корне разделки ± 0,1 мм, превышение кромок ± 0,15 мм, ширина раз-
а)
б)
Рис. 2. Схема работы видеосенсорной системы с ИК-прожектором развертывающего типа:
1 — блок видеосенсора; 2 — ПЗС камера; 3 — интерференционный фильтр; 4 — ИК-прожектор; 5 — узкая световая полоса; 6 — направление сварки; 7 — зона сварки; 8 — изделие
делки ± 0,2 мм, глубина разделки ±0,15 мм;
точность определения положения центра стыка в поперечном направлении ± 0,1 мм, в осевом ± 01 мм.
Что же дает применение адаптивного управления для практики? Зачем оно? Ответ на эти вопросы
Рис. 3. Выходные сигналы (а) с датчика,
полученные при сканировании
образцов (б)
дает анализ гостов на конструктивно-технологическое оформление сварных швов, выполненных сваркой плавящимся электродом под флюсом и в среде защитных газов. Эти документы создавались в 60— 70-е годы, когда об адаптивном управлении процессом сварки было ничего не известно. Поэтому в них закладывались большие допустимые отклонения размеров усиления сварных швов, выполнение которых не вызывало трудностей при использовании сварочного оборудования того времени. И несмотря на то, что с тех пор эти стандарты неоднократно переиздавались, предельные отклонения от номинальных размеров усиления сварных швов практически не изменились. В настоящее время в этих основных стандартах, по которым работает большинство предприятий России и стран СНГ, зафиксирована разница от 8 до 10 раз между минимальным и максималь-
в)
TSXHQËQfÈfl СУДОСТРОЕНИЯ И МАШИНОСТРОЕНИЯ
СУДОСТРОЕНИЕ 1'2002
I ) значения колебаний площади попереч-
Рис. 4. Минимальные ( ) и максимальные ( ного сечения шварного шва (мм2):
С — условное обозначение сварного соединения; 5 — толщина; е, g — усиление и размеры сварного шва
ным допустимым значением площади поперечного сечения усиления для всех наиболее распространенных сварных соединений.
Некоторые наиболее распространенные стыковые сварные соединения, их конструктивно-технологическое оформление, а также минимальные и максимальные допустимые значения площади поперечного сечения усиления сварных швов представлены на рис. 4.
Таким образом, отвечая на поставленный выше вопрос, можно констатировать, что применение адаптивного управления оборудованием и технологическим процессом сварки позволяет гарантированно получать заданные размеры усиления сварных швов с гораздо меньшими допусками, чем это допускает ГОСТ, несмотря на возможные отклонения параметров разделки кромок от заданных, колебания параметров электрической сети и другие внешние воздействия. А это, в свою очередь, имеет два важных для практики следствия:
• существенно сокращается металлоемкость сварных швов, расход электроэнергии, трудоемкость, уровень остаточных сварочных напряже-
ний и деформации сварных конструкций; снижаются также дополнительные затраты на правку сварных конструкций и т. д.
Рис. 5. Сварочный автомат «Радиан-4» с адаптивным управлением
• гарантированное получение требуемых размеров усиления свар-
ных швов с минимизированными допускаемыми отклонениями обеспечивает существенное снижение уровня остаточных сварочных напряжений в сварных узлах и конструкциях, а также уменьшение колебаний геометрических коэффициентов концентрации напряжений.
Примером успешного решения этих проблем в нашей стране является разработка ЦНИИТС совместно с ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины и успешное внедрение на предприятиях судостроительной промышленности сварочных автоматов «Мир-ЗП» и «Радиан», оснащенных первыми отечественными системами адаптивного управления процессом (рис. 5).
В настоящее время по договору с ЦНИИТС специалистами ИЭС им. Е. О. Патона созданы более совершенные и надежные датчики и системы адаптивного управления процессом сварки, которые не уступают по своим техническим характеристикам лучшим мировым аналогам. Такие датчики и системы могут
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.