Разработка методики адаптации технологии автоматической сварки корневого слоя шва кольцевых соединений магистральных трубопроводов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.10, кандидат наук Шварц, Михаил Валерьевич

• Шварц, Михаил Валерьевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Шварц, Михаил Валерьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКИ КОРНЕВОГО СЛОЯ ШВА КОЛЬЦЕВЫХ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

1.1. Обзор технологий и оборудования для автоматической сварки корневого слоя шва, применяемых при строительстве магистральных трубопроводов

1.2. Исследования и разработки процессов дуговой сварки с адаптивным управлением

1.2.1. Анализ процесса сварки корневого слоя шва как объекта управления

1.2.2. Обзор способов сбора данных о процессе дуговой сварки и применяемых следящих систем

1.2.3. Обзор подходов к формализации законов и алгоритмов адаптивного управления процессом дуговой сварки

1.2.4. Обзор сварочного оборудования с адаптивным управлением

Цель и задачи работы

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВОЗМУЩЕНИЙ ГЕОМЕТРИИ КРОМОК НА ФОРМИРОВАНИЕ КОРНЕВОГО СЛОЯ ШВА

2.1. Исследование разброса геометрических параметров сборки стыка

2.1.1. Методика проведения исследования

2.1.2. Обработка полученных результатов

2.2. Экспериментальное исследование стабильности формирования корневого слоя шва в условиях возмущения геометрии стыка

2.2.1. Методика проведения экспериментов

2.2.2. Обработка и анализ полученных результатов

2.3. Выводы по результатам исследований 2 главы

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СПОСОБА ФОРМАЛИЗАЦИИ ЗАКОНОВ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СВАРКИ КОРНЕВОГО СЛОЯ ШВА И СИНТЕЗ УПРАВЛЯЮЩИХ ВОЗДЕЙСВИЙ

3.1. Постановка задачи

3.2. Исследование процесса формирования корневого слоя шва и управляющих воздействий в системе «геометрия сборки - сварочное оборудование»

3.2.1. Методика проведения экспериментального исследования

3.2.2. Анализ полученных результатов

3.3. Разработка метода формализации законов управления процессом сварки корневого слоя шва

3.3.1. Общая схема метода

3.3.2. Применение предложенного подхода к формализации законов управления процессом сварки корневого слоя шва

3.4. Обеспечения непрерывности синтеза управляющих воздействий в системе управления сварочным оборудованием

3.4.1. Структура методов на основе нечёткой логики для решения задач управления процессами

3.4.2. Применение методов нечеткой логики в задаче управления процессом сварки корневого слоя шва

3.4.3. Тестирование полученной системы

3.5. Апробация разработанных подходов в процессе сварки корневого слоя шва стыковых соединений магистральных трубопроводов

3.5.1. Методика проведения тестирования

3.5.2. Результаты экспериментов

3.6. Выводы по результатам исследований 3 главы

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ СВАРОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ С АДАПТИВНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

4.1. Прикладные аспекты интеграции следящих систем и автоматического сварочного оборудования

4.1.1. Описание работы системы слежения за стыком

4.1.2. Сбор параметров геометрии кромок с датчика

4.1.3. Оптимизация параметров датчика

4.1.4. Реализация контура слежения за стыком

4.2. Прикладные аспекты реализации адаптивного управления автоматическим сварочным оборудованием

4.2.1. Основные структурные элементы автоматического сварочного оборудования

4.2.2. Пример реализации контроллера управления сварочным оборудованием

4.3. Выводы по результатам исследований 4 главы

ГЛАВА 5. ОБОБЩЕННАЯ МЕТОДИКА АДАПТАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКИ КОРНЕВОГО СЛОЯ ШВА К ГЕОМЕТРИЧЕСКИМ ВОЗМУЩЕНИЯМ СБОРКИ СТЫКА

5.1. Этап 1. Анализ объекта адаптации

5.2. Этап 2. Анализ возмущений геометрии сборки процесса автоматической сварки

5.3. Этап 3. Установление критических возмущений геометрии сборки

5.4. Этап 4. Интеграция систем слежения за стыком и модернизация существующего оборудования

5.5. Этап 5. Сбор экспертных данных о формировании корневого слоя шва в условиях возмущений геометрии сборки

5.6. Этап 6. Формализация законов управления

5.7. Этап 7. Синтез непрерывных управляющих воздействий

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

КСС - контрольное сварное соединение

УКП - управляемый каплеперенос

УСО - устройство согласования обмена данными

ПЗС - прибор с зарядовой связью

VOF - (англ. Volume of Fluid Method, метод объёма жидкости) ПО - программное обеспечение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики адаптации технологии автоматической сварки корневого слоя шва кольцевых соединений магистральных трубопроводов»

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ. В настоящее время вопросы строительства и эксплуатации конструкций трубопроводного транспорта нефти и газа являются одними из ключевых в отечественной экономике. Основным, наиболее сложным и в тоже время, определяющим технологическим процессом при строительстве трубопроводных систем является сварка элементов трубопровода, и в частности, сварка кольцевых стыков линейной части. Научные и инженерные решения в области технологий и соответствующего сварочного оборудования являются основополагающими в широком комплексе работ при строительстве. Возрастающие темпы производства работ, стремление к обеспечению стабильности качества приводят к неизбежному увеличению доли автоматических сварочных процессов по отношению к доле ручного сварке.

Наиболее ответственным и трудоёмким этапом проведения комплекса сварочно-монтажных работ при строительстве магистральных трубопроводов является выполнение сварки корневого слоя шва кольцевых сварных соединений. Именно этот элемент производства работ является наиболее подверженным влиянию возмущений различной природы, что существенно осложняет его автоматизацию, которая, традиционно требует алгоритмов управления, отображающих внутренние взаимосвязи процесса. Многомерность и многосвязность процесса сварки корневого слоя шва существенно усложняет поиск и формализацию данных зависимостей, поэтому, на настоящий момент, сварка корневого слоя шва если и проводится с помощью автоматического оборудования, то оператор оборудования постоянно корректирует процесс сварки в соответствии со своими навыками, опытом и интуицией, - которые позволяют ему управлять процессом в условиях неполной, нечеткой информации, в условиях неопределённости. Эта отличительная способность оператора оборудования привела к возникновению нового направления в

области автоматических сварочных процессов - интеллектуальных методов управления, которые позволяют расширить процессы автоматизации за пределы традиционной теории. Данный тезис красноречиво иллюстрируют слова американского математика, профессора университета Беркли, Лофри Заде: «Я считаю, что излишнее стремление к точности стало оказывать действие, сводящее на нет теорию управления и теорию систем, так как оно приводит к тому, что исследования в этой области сосредоточены на тех и только тех проблемах, которые поддаются точному решению. В результате многие классы важных проблем, в которых данные, цели и ограничения являются слишком сложными или плохо определёнными для того, чтобы допустить точный математический анализ, оставались и остаются в стороне по той причине, что они не поддаются точной математической трактовке. Для того чтобы сказать что-либо существенной для проблем подобного рода, мы должны отказаться от наших требований точности и допустить результаты, которые являются размытыми и неопределёнными».

Анализ и исследование подходов к интеллектуальному управлению процессами формирования сварного соединения является комплексной научной и инженерной задачей, объединяющей последние достижения в области технологий и оборудования сварочного производства, следящих систем и теории автоматического управления. Для успешного решения данной задачи, и в частности, применительно к наиболее сложному процессу сварки корневого слоя шва, требуется исследование и разработка научно-обоснованных подходов к построению интеллектуальных сварочных систем с адаптивным управлением, объединяющих анализ базовых автоматических сварочных процессов, поиск априорных знаний, их формализацию, обработку и реализацию в системах управления сварочным оборудованием.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - повышение качества формирования коневого слоя шва стыковых кольцевых соединений магистральных трубопроводов в

автоматическом режиме за счет исследований и реализации алгоритмов адаптивного управления процессом сварки.

СТРУКТУРА И ОБЪЁМ РАБОТЫ: диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, содержащего 82 наименования и приложения. Диссертация представлена на 125 страницах и содержит 65 рисунков.

В первой главе приведён анализ особенностей технологий и оборудования автоматической сварки кольцевых стыков магистральных трубопроводов. Сформирован обзор по современным подходам к адаптивному управлению сварочным оборудованием. Сформулированы цели и задачи работы. Во второй главе выполнен анализ возмущений процесса сварки корневого слоя шва, установлены внутренние взаимосвязи между возмущениями процесса сварки и качественным формированием сварного соединения. В третьей главе выполнены исследования, направленные на разработку научно-обоснованных подходов к формализации законов управления процессом сварки корневого слоя в системе «собранный стык - параметры процесса сварки» и обеспечении непрерывности управляющих воздействий в системе. Выполнена экспериментальная верификация предложенных подходов. В четвертой главе рассмотрены прикладные аспекты реализации автоматического сварочного оборудования с адаптивным управлением для сварки корневого слоя шва кольцевых соединений магистральны трубопроводов. В пятой главе приведена обобщённая методика адаптации технологии сварки корневого слоя шва кольцевых соединений магистральных трубопроводов к геометрическим возмущениям сборки стыка.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ: в работе применялись методы планирования эксперимента, статистической обработки экспериментальных данных, а также средства инженерного анализа интеллектуальных систем управления на основе аппарата нечеткой логики входящих в программный комплекс Matlab компании Mathworks (модули Distribution Fitting, Fuzzy Logic Designer). При проведении экспериментов использовался адаптивный сварочный

комплекс ФГАУ «НУЦСК при МГТУ им. Н.Э. Баумана» в составе сварочной головки для сварки кольцевых стыков трубопроводов дооснащенный оптической системой слежения триангуляционного типа.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДОВ подтверждается использованием научно-обоснованных методик и средств инженерного анализа и обработки данных, результатами экспериментальной верификации полученных теоретических результатов.

ЦЕННОСТЬ ВЫПОЛНЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ: доказана практическая возможность реализации полностью автоматического сварочного оборудования с непрерывным адаптивным управлением формированием корневого слоя шва в зависимости от геометрии сборки стыка. Разработана методика адаптации процесса сварки корневого слоя шва кольцевых соединений магистральных трубопроводов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

1. Установлены положительная корреляция между значением притупления кромок в стыке и критическим возмущением зазора и отрицательная корреляция между притуплением и критическим возмущением перекоса кромок.

2. Установлено, что законы управления процессом сварки корневого слоя шва могут быть формализованы в виде правил вида «если - то» посредством записи и последующего анализа действий оператора сварочного оборудования с учетом минимальных критических возмущений геометрии сборки для рассматриваемой технологии.

3. Разработан подход к непрерывному синтезу управляющих воздействий многомерной многосвязной системы «геометрия сборки - параметры режима сварки».

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ: разработана методика адаптации технологии автоматической сварки корневого слоя шва, позволяющая

непрерывно синтезировать управляющие воздействия процессом сварки и обеспечить качественное формирование шва в условиях возмущений геометрии сборки стыка. Разработанные подходы позволят исключить влияние оператора сварочного оборудования на стабильность качества сварного соединения. По результатам диссертационной работы разработан и действует нормативный документ Р Газпром 2-2.2-655-2012 «Инструкция по применению адаптивной цифровой технологии автоматической сварки кольцевых стыков труб большого диаметра». Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре технологии сварки и диагностики МГТУ им. Н.Э. Баумана. Результаты работы рекомендованы к внедрению в организациях, выполняющих сварочные работы на объектах трубопроводного транспорта ПАО «Газпром», ПАО «Транснефть».

ПУБЛИКАЦИИ: по теме диссертации опубликованы 3 научные работы, в том числе 2 в изданиях по перечню ВАК РФ, общим объёмом 1,95 п.л.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ: Основные положения работы докладывались на научных семинарах кафедры технологии сварки и диагностики МГТУ им. Н.Э. Баумана (2012, 2016 г.), научных семинарах кафедры исследований материалов Университета Прикладных Наук Оффенбурга (Германия, 2012), научных семинарах кафедры технологий сварки Технического Университета Хемница (Германия, 2014) и на конференции «Наукоёмкие технологии и интеллектуальные системы» (Москва, 2011 г.).

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКИ КОРНЕВОГО СЛОЯ ШВА КОЛЬЦЕВЫХ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ.

В настоящее время порядок применения технологических процессов и оборудования для сварки магистральных трубопроводов регламентируются отраслевыми нормативными документами, инструкциями, стандартами и реестрами. Сварка корневого слоя шва кольцевых сварных соединений является наиболее ответственным и трудоёмким этапом производства работ, а сам слой, во многом является определяющим в контексте обеспечения качества всего сварного соединения.

Одним из факторов, усложняющих автоматизацию процессов сварки корневого слоя шва, является требуемая для сварки автоматическом режиме точность подготовки и сборки кромок перед сваркой, что особенно проблематично для тяжёлых полевых условий работ при строительстве магистральных трубопроводов. С самого начала автоматизации сварочных процессов было проведено множество исследований направленных на разработку различных способов по обеспечению компенсации геометрических возмущений сборки стыка и снижению их влияния на формирование корневого слоя шва. В данной главе приведен краткий обзор существующего автоматического сварочного оборудования и технологий, применяемых при строительстве магистральных трубопроводов, и в частности, для сварки корневого слоя шва, соответствующих требований по сборке стыка и обработке кромок, а также разработанных подходов к адаптивному управлению сварочными процессами.

1.1. Обзор технологий и оборудования для автоматической сварки корневого слоя шва, применяемых при строительстве магистральных трубопроводов.

Порядок применения технологии и оборудование для автоматической сварки магистральных трубопроводов нефти и газа регламентируется отраслевыми нормативными документами. Анализ требований ОАО «АК «Транснефть» [1] и ПАО «ГАЗПРОМ» [2] позволил выявить несколько групп технологий сварки корневого слоя шва кольцевых сварных соединений.

1. Сварка корневого слоя шва изнутри трубы с применением внутренних центраторов-сварочных станций.

2. Сварка корневого слов шва снаружи трубы на медном подкладном кольце, расположенном между жимками внутреннего центратора.

3. Сварка корневого слоя шва снаружи трубы «на весу» с применением процессов сварки с управляемых каплепереносом.

Технологии первой группы реализуются за счёт применения импортного оборудования компании CRC-EVANS (США)[3,4], являющегося, по сути монополистом в области создания подобного оборудования. Технология CRC-Evans подразумевает использование комплексного внутритрубного оборудования, представляющего собой внутренний самоходный центратор с расположенными на нём от четырёх до восьми (в зависимости от диаметра трубы) сварочных головок для сварки плавящимся электродом в защитных газах (Рис. 1.1).

Формирование обратного валика обеспечивается при сварке несколькими головками в направлении сверху-вниз полупериметра трубы (по часовой стрелке), после этого выполняется сварка второго полупериметра трубы (против часовой стрелки) [2,5].

Зажимная секция, обеспечивающая сборку стыка

Секция с элементами пневмопривода

Рис. 1.1.

Автоматическое оборудование для сварки корневого слоя шва изнутри трубы

^С^аш, США)

Ко второй группе технологий относятся технологии сварки корневого слоя шва снаружи трубы, при этом формирование корневого слоя шва обеспечивается за счёт использование медного подкладного кольца, расположенного между рядами жимков специализированного внутреннего центратора (Рис. 1.2). Технологии этой группы обеспечиваются оборудованием фирм Serimax (Франция), Pipeline Automatic Welding (Италия) [1,2,6-8].

Оборудование представляет собой сварочною головку, которая перемещается вдоль кольцевого шва посредством использования направляющего пояса, размещаемого на трубе

Медное подкладное кольцо на внутреннем центраторе

Направляющий пояс снаружи трубы

Автоматическая сварочная головка

Рис. 1.2.

Оборудования для сварки корневого слоя шва снаружи трубы на медном

подкладном кольце (PWT, Италия)

К технологиям третьей группы относятся технологии и оборудование, обеспечивающие формирование корневого слоя без использования дополнительных приспособлений «на весу». Устойчивость формирования обратного валика корня обусловлена применением специализированных способов сварки в защитном газе с управляемым каплепереносом, к которым относятся способы: STT (Surface Tension Transfer, Lincoln Electric, США), УКП (управляемый каплеперенос, ООО «НПП Технотнон») и ВКЗ (вынужденные короткие замыкания, ЗАО «НПФ ИТС»).

Сущность способов сварки с управляемым каплепереносом заключается в прямом управлении переходом жидкой капли с конца проволоки в сварочную ванну за счёт использования быстродействующих инверторных источников питания с обратными связями. Обратные связи по напряжению дугового промежутка позволяют динамически отслеживать фазы формирования капли и задавать сварочный ток для управления ими.

Рассмотрим принцип управления переносом металла на примере процесса STT (Рис. 1.3).

Рис. 1.3.

Диаграмма управления сварочным током в процессе сварки STT

На участке диаграммы Т7-Т0-Т1 происходит нарастание капли металла на конце проволоки, при этом величина тока сварки равна так называемому базовом

значению тока. В момент времени Т1 происходит касание капли и сварочной ванны и происходит замыкание дугового промежутка. В этот момент за счёт обратных связей значение тока снижается до минимального значения, обеспечивающего стабильный переход металла в сварочную ванну и образование перемычки между сварочной ванной и электродом. В период Т2-Т3 происходит перенос капли за счёт Пинч-эффекта, при этом за счет изменения напряжение отслеживается величина перемычки и в момент времени Т3 осуществляется повторное снижение тока и разрушение перемычки без характерного для обычных процессов сварки разбрызгивания: Т4 - момент отделения капли. На следующем этапе Т5-Т6 за счет увеличения сварочного тока до пикового значения выполняется наращивание новой капли, а также за счет действия давления дуги происходит утонение жидкой прослойки под дуговым промежутком и увеличение глубины проплавления. В момент времени Т7 происходит плавное снижение тока до базового уровня для подготовки к переносу капли в ванну.

Применительно ко всём трём группам технологий, актуальным вопросом при сварке корневого слоя шва является обеспечения выполнения требований по сборке стыка и подготовке кромок [1,2].

Параметры геометрии разделки кромок, влияющие на формирование корневого слоя шва (1 - разделка CRC-Evans, 2 - разделка 8аШгпах, 3 - стандартная

заводская разделка)

Рис. 1.4.

Как правило, применение конкретной технологии и оборудования подразумевает использование специализированной разделки, либо выполняется сварка в стандартную заводскую разделку (Рис. 1.4).

Требования к точности сборки деталей и к их обработке перед автоматической сваркой трубопроводов являются особенно принципиальными. Это обусловлено тем, что сварочный автомат не обладает способностью к анализу процесса и адаптации к неточностям сборки, и поэтому, требования к основным геометрическим параметрам сборки стыка достигают долей миллиметра (Рис. 1.5).

штупление кромок Зазор в корне Перекос кромок

2

1 2 3 Рис. 1.5.

Нормативные диапазоны изменения геометрических параметров кромок перед автоматической сваркой для трёх групп технологий

Очевидным является тот факт, что обеспечение точности сборки и подготовки кромок такого порядка является проблематичным в трассовых условиях, а значит, при сварке в полностью автоматическом режиме с жёстким заданием режима сварки требуемое качество сварного соединения не гарантируется. Это особенно важно при сварке корневого слоя шва, где влияние геометрических возмущений наиболее существенно. Кроме того, стремление к

наиболее точной сборке и обработке труб значительно снижает производительность монтажа трубопровода из-за увеличения временных затрат на выполнение соответствующих операций.

Также необходимо отметить, что что существующие ручные процедуры контроля указанных геометрических параметров не предусматривает объективной оценки их разброса, что приводит к тому, что реальные значения геометрии разделки стыка, как правило, выходят за рамки допустимых.

Тем не менее даже при обеспечении требуемого качества сборки стыка, выбор конкретных параметров режима не регламентируется, нормативно-техническая документация предоставляет лишь диапазоны их варьирования (Таблица 1), что приводит к тому, что задача настройки и управления возлагается на оператора конкретного сварочного оборудования.

Таблица 1.

Выбор параметров режима сварки согласно НТД

Параметр/оборудование Saturnax (Франция) УАСТ/УКП (Россия)

Скорость сварки, см/мин 95..170 15..30

Скорость подачи проволоки, мм/с 160..200 40..55

Сила тока, А 250..295 -

Базовый ток, А - 40..60

Пиковый ток, А - 250..270

Таким образом, в настоящее время, все автоматические технологии и оборудование для сварки трубопроводов подразумевают ручную настройку параметров режима, в том числе в реальном времени при изменяющиеся условиях сварки (напр. геометрию разделки), оператором оборудования, наблюдающим за процессом - что во многом нивелирует сам процесс

автоматизации, ведь стабильность и качество сварки полноценно зависит от человека, что характерно для ручных и полуавтоматических способов сварки.

1.2. Исследования и разработки процессов дуговой сварки с адаптивным управлением

1.2.1. Анализ процесса сварки корневого слоя шва как объекта управления

Процесс сварки является многомерным многосвязным процессом [9], и рассматривая его как объект управления, принято считать, что задачей управления является введение таких управляющих воздействий, которые позволят компенсировать характерные возмущений процесса, и обеспечить формирование сварного соединения согласно имеющимся требованиям (Рис. 1.6.)

у/:)-

'Ущ(^)"

Рис. 1.6.

Схема многомерного объекта управления ^1(1), ..., gk(t) - управляющие воздействия, й(1), - возмущения процесса, у1(:), ут(:) - выходные

величины) [9]

В качестве управляющих воздействий процессом сварки выступают параметры режима сварки, которые задаются человеком, либо управляющим устройством. Характер возмущений процесса носит случайный характер, это могут быть сбои в работе исполнительных устройств (источника питания, приводов сварочной головки), колебания напряжения питающей сети, смещение

оси стыка относительно инструмента или изменение геометрии разделки кромок. Именно из-за наличия подобных возмущений и возникает в необходимости регулирования процесса. Выходными величинами объекта управления являются параметры получаемого сварного соединения и устанавливаются требованиями конструкторской документации на свариваемое изделие.

Применительно к процессу сварки корневого слоя шва, целью анализа объекта управления является детализация входов и выходов рассматриваемой системы. Как уже было отмечено ранее, характерной особенностью сварки трубопроводов является обеспечения выбора корректных параметров режима сварки и обеспечение формирования шва в условиях изменения геометрии кромок. В случае геометрии кромок, целесообразно разделить задачи наведения инструмента на стык и управления непосредственно формированием. Также, особенностью процесса сварки неповоротных стыков труб является изменения положения ванны при сварке (нижнее, вертикальное, потолочное). Перечисленные особенности относятся к возмущениям процесса сварки (Рис. 1.7).

Параметры Координаты центра Положение

Процесс автоматической сварки корневого слоя шва стыкового соединения

го о N

кромок

стыка

ванны

ВОЗМУЩЕНИЯ ПРОЦЕССА

Рис. 1.7.

Схема процесса сварки корневого слоя шва как объекта управления

Выходные характеристики объекта управления определяются нормативной документацией, и, в случае корневого слоя, представляют собой сварное соединение с отсутствием геометрических дефектов формирования

(утяжины, провисы, прожоги, непровары, несплавления) и с определённой формой обратного валика (высота, ширина).

Установление взаимосвязи между указанными входами-выходами системы представляет собой задачу реализации адаптивного управления процессом сварки корневого слоя шва.

Существует несколько способов построения подобных систем. В иностранной литературе [10,11] принято разделять задачу на три раздела:

1. Реализация и интеграция следящих устройств (устройств измерения характерных возмущений процесса)

2. Разработка алгоритмов управления (установления взаимосвязи между возмущениями процесса и управляющими воздействиям, обеспечивающими получение требуемых выходных характеристик объекта)

3. Реализация управляющих устройств (реализация разработанных алгоритмов на оборудовании и рассмотрение вопросов динамики систем)

Схожим образом сформулирована задача в работе [12], где также отмечена необходимость управления процессом сварки путём использования датчиков, регистрирующих возмущения технологического процесса обусловленные возмущениями расположения и размеров геометрии разделки. Данные возмущения возникают ввиду действия различных факторов:

1. Неточности сборки свариваемых деталей, вызванные, в частности их большими размерами и влиянием предыдущих технологических операций.

2. Неточности обработки кромок, например, при снятии фаски с трубы.

3. Тепловые деформации и коробления деталей в процессе сварки.

Последовательно, вслед за интеграцией следящих систем, необходима обработка, получаемой с сенсоров информации в реальном времени и вычисление управляющих воздействий, что предлагается осуществлять посредством адекватных математических моделей, связывающих параметры режима сварки и параметры качества сварного соединения.

В работе [13] формирование сварного соединения рассмотрено как результат функционирование системы «источник питания - дуга - сварочная ванна», определены возмущения действующие в каждом и контуров, а именно возмущения режимов сварки, геометрии разделки (центр стыка, зазор, толщина), структурные и химические неоднородности металла. Отметим, предложенную в данной работе трехконтурную схему управления сварочным процессом, в которой задачи управления были разделены на траекторную задачу (наведение горелки на стык), задачу управления формированием шва и задачу прогнозирование дефектов в шве (Рис. 1.8).

Рис. 1.8.

Структурная схема трёхконтурной системы управления сваркой [13]

Доказана независимость данных задач, что вырабатывать подходы к управлению процессами с большим числом взаимосвязанных параметров, к которым, вне сомнений, относится процесс сварки корневого слоя шва. Таким образом, отметим, что построение адаптивной сварочной системы неразрывно связано с решением следующих задач:

1. Выбор/разработка и интеграция систем слежения за характерными возмущениями процесса, обработка получаемых данных.

2. Разработка алгоритмов управления, направленных на синтез законов управления, обеспечивающих получение сварного соединения в соответствии с имеющимися требованиями.

Существующие пути решения указанных задач представлены в обзоре в следующих разделах данной главы.

1.2.2. Обзор способов сбора данных о процессе дуговой сварки и применяемых следящих систем

Системы слежения и измерительные системы для дуговой сварки должны получать информацию о свариваемом соединении, и в частности, геометрии собранного стыка. Применение датчиков для дуговой сварки в настоящее время подразумевает измерение необходимых параметров в режиме реального времени, то есть одновременно с процессом сварки (в темпе с процессом) для исключения влияния сварочных деформаций на геометрию стыка или смещение направляющих элементов оборудования, например, смещение направляющего пояса сварочной головки.

Ввиду тяжелых условий работы (высокие температуры, интенсивное световое излучение, электромагнитные помехи) применение специализированных систем более целесообразно. Наиболее распространёнными [10] в настоящее время способами сбора данных являются системы слежения триангуляционного типа и дуговые сенсоры.

Системы слежения с дуговым сенсором

Одним из перспективных методов получения информации об изменении геометрии стыка - это обработка информации об изменении тока и напряжения сварки, при этом в роли сенсора выступает сама дуга [9,14].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шварц, Михаил Валерьевич, 2016 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сварка при строительстве и ремонте магистральных нефтепроводов: РД-25.160.00-КТН-037: Утв. ОАО «АК «Транснефть»: 2014.

2. Инструкция по технологиям сварки при строительстве и ремонте промысловых и магистральных газопроводов: СТО 2-2.2-136-2007: Утв. ОАО «ГАЗПРОМ»: 2007.

3. Internal Welding Machine CRC-Evans [Electronic resource]. URL: http://www.crc-evans.com/equipment/welding-machines/internal-welding-machine (дата обращения: 18.04.2016).

4. Пат. 5,059,765 США. МПК B23K 9/12: Method of operation for high speed automatic welding/ Laing, B. S.; Заявитель и патентообладатель CRC-Evans pipeline international Inc. №PCT/US90/00021; Заяв. 04.01.1990; Опубл. 22.10.1991.

5. Мустафин Ф.М. Сварка трубопроводов. М: Недра, 2002. 343с.

6. Automatic pipe welding system and solutions [Electronic resource]. URL: http://www.pwtsrl.com/ (дата обращения: 30.04.2016).

7. Serimax Premium Welding Solutions [Electronic resource]. URL: http://www.serimax.com/en/homeweldingsolutions/ (accessed: 30.04.2016).

8. Guidnace for mechanized GMAW of onshore pipelines / R.M. Andrews [et al.] // J. Pipeline Eng. 2013. Vol. 12, № 4. P. 277-291.

9. Гладков Э.А. Управление процессами и оборудованием при сварке. М: Издательский центр "Академия," 2006. 432с.

10. Pires J.N., Loureiro A., Bölmsjo G. Welding Robots: Technology, System Issues and Applications. London: Springer-Verlag, 2006.

11. Chen S.B., Wu J. Intelligentized Methodology for Arc Welding Dynamical Processes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2009. Vol. 29. 276 p.

12. Березовский Б.М. Математические модели дуговой сварки - Том 1: Математическое моделирование и информационные технологии,

модели сварочной ванны и формирования шва. Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 2002. 585с.

13. Перковский Р.А. Разработка физико-математических моделей и микропроцессорных систем контроля и управления процессом аргонодуговой сварки тонкостенных изделий ответственного назначения. Дис. ... канд. техн. наук. 05.02.10, 2010. Москва, 139с.

14. Системы ориентации сварочного инструмента на линию стыка при дуговой сварке: учеб. пособие/ Э.А. Гладков [и др.]. Москва: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 132 с.

15. Through Arc Seam Tracking (TAST) [Electronic resource]. URL: www.fanucrobotics.com (дата обращения: 01.05.2016).

16. Carl Cloos Schweißtechnik GmbH - Arc sensor [Electronic resource]. URL: http://www.cloos.de/de-en/products/qirox/qirox-sensor-systems-qr-sn/arc-sensor-qr-sn-st/arc-sensor/ (дата обращения: 01.05.2016).

17. V Root CRC-Evans [Electronic resource]. URL: http://www.crc-evans.com/equipment/ (дата обращения: 01.05.2016).

18. Moon H., Kim Y., Beattie R.J. Multi sensor data fusion for improving performance and reliability of fully automatic welding system// Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2006. Vol. 28, № 3-4. P. 286-293.

19. Laser vision sensing based on adaptive welding for aluminum alloy/Z. Chen [et al.] // Front. Mech. Eng. China. 2007. Vol. 2, № 2. P. 218-223.

20. Алешин Н.П., Гладков Э.А., Гаврилов А.И. Реализация адаптивных технологий сварки кольцевых стыков магистральных трубопроводов // Сварка и Диагностика. 2011. № 5. C. 49-53.

21. Автоматизированный комплекс для многослойной сварки кольцевых стыков труб магистральных трубопроводов со средствами адаптации и прогнозирования качества сварки/ Э.А. Гладков [и др.] // Наука и техника в газовой промышленности. 2009. № 4. P. 77-86.

22. Feature Extraction and Tracking of a Weld Joint for Adaptive Robotic Welding/ R.P. Manorathna [et al.] // 13th International Conference on Control, Automation, Robotics & Vision. 2014. December. P. 1368-1372.

23. New Generation Laser Sensor Increases Quality [Electronic resource] // http://www.meta-mvs.com/SLSSensor.html. (дата обращения: 01.05.2016).

24. Non-contact Measurement Sensors, Solutions and [Electronic resource]. URL:http://www.mtiinstruments.com/products/ (дата обращения: 22.07.2015).

25. Zhang W. Heat and fluid flow in complex joints during gas metal arc welding—Part II: Application to fillet welding of mild steel // J. Appl. Phys. 2004. Vol. 95, № 9. P. 5220.

26. Fan H.G., Tsai H.L., Na S.J. Heat transfer and fluid flow in a partially or fully penetrated weld pool in gas tungsten arc welding // Int. J. Heat Mass Transf. 2001. Vol. 44. P. 417-428.

27. Wu C.S., Zhao P.C., Zhang Y.M. Numerical Simulation of Transient 3-D Surface Deformation of a Completely Penetrated GTA weld // Weld. J. 2004. № December. P. 330-335.

28. Kumar A., DebRoy T. Heat Transfer and Fluid Flow during Gas-Metal-Arc Fillet Welding for Various Joint Configurations and Welding Positions // Metall. Mater. Trans. A. 2007. Vol. 38, № 3. P. 506-519.

29. Sahoo P., DebRoy T., Mcnallan M.J. Surface-tension of binary metal-surface-active solute systems under conditions relevant to welding metallurgy // Metall. Mater. Trans. B. 1988. Vol. 19B. P. 483-491.

30. Simulations of weld pool dynamics in V-groove GTA and GMA welding/ D.W. Cho [et al.] // Weld. World. 2013. Vol. 57, № 2. P. 223-233.

31. Traidia A., Roger F. Numerical and experimental study of arc and weld pool behaviour for pulsed current GTA welding // Int. J. Heat Mass Transf. Elsevier Ltd, 2011. Vol. 54, № 9-10. P. 2163-2179.

32. Numerical study of arc plasmas and weld pools for GTAW with applied axial magnetic fields/ X.Yin [et al.] // J. Phys. D. Appl. Phys. 2012. № 45. P. 113.

33. Plasma-weld pool interaction in tungsten inert-gas configuration/ J. Mougenot [et al.] // J. Phys. D. Appl. Phys. 2013. Vol. 46, № 13. P. 135206.

34. Argon and Arcal.37 plasma characteristics in a TIG configuration/ J. Mougenot [et al.] // J. Phys. D. Appl. Phys. 2013. Vol. 46, № 49. P. 495203.

35. Cao Z., Yang Z., Chen X.L. Three-Dimensional Simulation of Transient GMA Weld Pool with Free Surface // Weld. J. 2004. № June. P. 169-176.

36. Cho M.H., Lim Y.C., Farson D.F. Simulation of Weld Pool Dynamics in the Stationary Pulsed Gas Metal Arc Welding Process and Final Weld Shape // Weld. J. 2006. № December. P. 271-283.

37. Cho M.H., Farson D.F. Understanding Bead Hump Formation in Gas Metal Arc Welding Using a Numerical Simulation // Metall. Mater. Trans. B. 2007. Vol. 38, № 2. P. 305-319.

38. Hu J., Guo H., Tsai H.L. Weld pool dynamics and the formation of ripples in 3D gas metal arc welding // Int. J. Heat Mass Transf. 2008. Vol. 51, № 9-10. P. 2537-2552.

39. Hu J., Tsai H.L. Modelling of transport phenomena in 3D GMAW of thick metals with V groove // J. Phys. D. Appl. Phys. 2008. Vol. 41, № 6. P. 65202.

40. Na S.J., Cho W.I., Cho D.W. Simulations of weld pool dynamics and theis visualization // Trans. JWRI. 2010. Vol. 39, № 2. P. 34-36.

41. Numerical simulation of molten pool flow for various welding parameters in V-groove GMA pipe welding/ D.W. Cho [et al.] // Trans. JWRI. 2010. Vol. 39, № 2. P. 9-10.

42. A study on V-groove GMAW for various welding positions/ Cho D.W. [et al.] // J. Mater. Process. Technol. 2013. Vol. 213, № 9. P. 1640-1652.

43. Cho M.H., Farson D.F. Simulation Study of a Hybrid Process for the Prevention of Weld Bead Hump Formation // Weld. J. 2007. № September. P. 253-262.

44. Cho J.H., Na S.J. Three-Dimensional Analysis of Molten Pool in GMA-Laser Hybrid Welding // Weld. J. 2009. Vol. 88. P. 35-44.

45. Gao Z., Wu Y., Huang J. Analysis of weld pool dynamic during stationary laser-MIG hybrid welding // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2009. Vol. 44, № 9-10. P. 870-879.

46. Analysis of submerged arc welding process by three-dimensional computational fluid dynamics simulations/ D.W. Cho [et al.] // J. Mater. Process. Technol. Elsevier B.V., 2013. Vol. 213, № 12. P. 2278-2291.

47. Numerical study of alloying element distribution in CO2 laser-GMA hybrid welding/ W.I. Cho [et al.] // Comput. Mater. Sci. Elsevier B.V., 2010. Vol. 49, № 4. P. 792-800.

48. Numerical analysis of fume formation mechanism in arc welding/ S. Tashiro [et al.] // J. Phys. D. Appl. Phys. 2010. № 43. P. 1-12.

49. Time-Dependent Modeling of Droplet Detachment in GMAW Including Metal Vapor Diffusion/ M. Boselli [et al.] // IEEE Trans. Plasma Sci. 2011. Vol. 39, № 11. P. 2896-2897.

50. Dynamic analysis of droplet transfer in gas-metal arc welding: modelling and experiments/ M. Boselli [et al.] // Plasma Sources Sci. Technol. 2012. № 21. P. 1-6.

51. Hertel M., Fussel U., Schnick M. Numerical simulation of the plasma-MIG process interactions of the arcs, droplet detachment and weld pool formation // Weld. World. 2013. Vol. 58, № 1. P. 85-92.

52. Two-dimensional time-dependent modelling of fume formation in a pulsed gas metal arc welding process/ M. Boselli [et al.] // J. Phys. D. Appl. Phys. 2013. Vol. 46, № 22. P. 224006.

53. Trautmann M., Hertel M., Fussel U. Magnetohydrodynamics and Gas Metal Arc Welding in ANSYS Fluent // ANSYS Conference & 31. 2013. P. 21.

54. Судник В.А., Рогов С.В. Оценка геометрии шва с помощью компьютерного моделирования и верификации маг-сварки сталей с разделкой кромок // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2008. № 3. C. 76-83.

55. Erofeev V.A. Solving the problems of optimisation of technology by computer modelling of the welding process // Weld. Int. 2003. Vol. 17, №2 12. P. 987-994.

56. Судник В.А. Прогнозирование качества сварных соединении на основе численных моделей формирования шва при сварке плавлением тонкостенных конструкций. Дис. ... док. техн. наук. Ленинградский государственный технический университет, 1991.

57. Bae K.-Y., Lee T.-H., Ahn K.-C. An optical sensing system for seam tracking and weld pool control in gas metal arc welding of steel pipe // J. Mater. Process. Technol. 2002. Vol. 120, № 1-3. P. 458-465.

58. Круглов В.В., Дли М.И., Голунов Р.Ю. Нечеткая логики и искусственные нейронные сети: Учеб. пособие. М: Издательство Физико-математической литературы, 2001. 224с.

59. Adaptive control system for gap variation in narrow-gap robotic welding/ L.H. Sharif [et al.] // Weld. Int. 2003. Vol. 17, № 8. P. 605-614.

60. Feed forward control of back bead for root gap variation in V-groove welding without backing plate/ H. Yamamoto [et al.] // Weld. Int. 2003. Vol. 17, № 8. P. 598-604.

61. Image processing and control of weld pool in switch-back welding without backing plate/ S. Yamane [et al.] // Weld. Int. 2005. Vol. 19, № 11. P. 856861.

62. Application of switch back welding to V groove MAG welding/ S. Yamane [et al.] // Weld. Int. 2013. Vol. 7116, February 2014. P. 1-7.

63. Moon H., Beattie R.J. Development of Adaptive Fill Control for Multitorch Multipass Submerged Arc Welding // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2002. Vol. 19, № 2002. P. 867-872.

64. Tregubov G.P., Gorbach V.D. Optimisation of the dimensions of welded joints by the adaptive control of the process of arc welding // Weld. Int. 2004. Vol. 18, № 6. P. 469-471.

65. Горбач В.Д., Суздалев И.В., Киселевский Ф.Н. Повышение качества и надежности сварных конструкций путем адаптивного управления технологическим процессом сварки // Судостроение. 2002. № 1. C. 4648.

66. Moon H.S., Ko S.H., Kim J.C. Automatic seam tracking in pipeline welding with narrow groove // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2009. Vol. 41, № 3. P. 234-241.

67. Хайкин С. Нейронные сети. Полный курс. М: ООО "И.Д. Вильямс," 2008. 230 c.

68. Круглов В.В., Борисов В.В. Искусственные нейронные сети. Теория и практика. Второе изд. М: Горячая линия - Телеком, 2002. 382 c.

69. Tay K.M., Butler C. Modelling and Optimizing of a Mig Welding Process // Qual. Reliab. Eng. Int. 1997. Vol. 13, № 2. P. 61-70.

70. Robotic welding systems with vision-sensing and self-learning neuron control of arc welding dynamic process/ S.B. Chen [et al.] // J. Intell. Robot. Syst. Theory Appl. 2003. Vol. 36. P. 191-208.

71. Optimal design of neural networks for control in robotic arc welding/ I.- S. Kim [et al.] // Robot. Comput. Integr. Manuf. 2004. Vol. 20, № 2004. P. 57-63.

72. Chan B. Modeling gas metal arc weld geometry using artificial neural network technology // Can. Metall. Q. 1999. Vol. 6, № 31. P. 1481-1491.

73. Liu Y., Zhang W., Zhang Y. Data Driven Modeling of Human Welder Intelligence: A Neuro-fuzzy Approach // International Conference on Automation Science. 2013. P. 663-668.

74. Liu Y., Zhang W., Zhang Y. Dynamic Neuro-Fuzzy-Based Human Intelligence Modeling and Control in GTAW // Autom. Sci. Eng. 2015. Vol. 12, № January. P. 324-335.

75. Risch A., Ekelof B. "The Technology of tomorrow" has been already implemented at BORSIG in Germany // Weld. Cut. new millenium. A Weld. Rev. Publ. by Esab Group. 1999. Vol. 54, № 1. P. 80.

76. CRC-evans. Weld smarter using CRC-Evans' new welding system with laser vision technology // Aust. Pipeliner. 2011.

77. CRC-evans. CRC-Evans Automatic Welding Introduces Laser Vision Welding System // Pipeline Gas J. 2015. Vol. 242, № 7.

78. Automated pipeline welding systems: past, present and into the future // Aust. Pipeliner. 2011.

79. Смирнов И.В. Формирование корневого слоя шва при односторонней сварке стальных конструкций. Дис. ... канд. техн. наук. Тольяттинский государственный университет, 2005. 201 с.

80. Смирнов И.В., Сидоров В.П., Захаренко А.И. К вопросу о регламентации требований к точности подготовки и сборки кромок односторонних соединений под сварку // Сварка и Диагностика. 2012. № 2.С. 42-44.

81. Блоки управления двигателями постоянного тока [Electronic resource] // URL: http://www.ellab.ru/ (дата обращения: 01.05.2016)

82. Блок управления коллекторным двигателем AWD10 [Electronic resource] // URL: http://www.ellab.ru/ (дата обращения: 01.05.2016)