Стабильность проплавления стыковых швов при возмущениях в процессе автоматической аргонодуговой сварки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.06, кандидат технических наук Семистенов, Денис Александрович

• Семистенов, Денис Александрович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Семистенов, Денис Александрович

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. СВАРОЧНАЯ ВАННА КАК ОБЪЕКТ АВТОМАТИЗАЦИИ

1.1 Инженерные проблемы автоматической сварки

1.2 Структурные схемы управления

1.3 Методы-определения размеров сварочной ванны

Глава II. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗМЕРОВ СВАРОЧНОЙ ВАННЫ

2.1 Математическая модель и ее программное обеспечение

2.2 Методика определения параметров математической модели

2.3 Апробация методики моделирования

Глава III. ПОСТОЯННЫЕ ВРЕМЕНИ И КОЭФФИЦИЕНТЫ 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

3.4 Режим полного провара

Глава- IV. ВЛИЯНИЕ НЕРЕГУЛИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ НА РАЗМЕРЫ

СВАРОЧНОЙ ВАННЫ

4.1 Отклонения по толщине листа

4.2 Отклонения по начальной температуре металла

4.3 Отклонения по физическим характеристикам металла

4.4 Изменения геометрии вольфрамового электрода

4.5 Методика учета нерегулируемых параметров

Глава V. РАСЧЕТ РЕЖИМОВ И АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ К ОБОРУДОВАНИЮ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКИ

5.1 Технологическая эффективность сварки

5.2 Проектирование процессов автоматической дуговой сварки

5.3 Анализ требований к точности поддержания режима сварочным оборудованием

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Стабильность проплавления стыковых швов при возмущениях в процессе автоматической аргонодуговой сварки»

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 проплавления с учетом действия технологических возмущений при автоматической сварке.

Заключение диссертации по теме «Технология и машины сварочного производства», Семистенов, Денис Александрович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Для расчета размеров сварочной ванны с учетом действующих возмущений при сварке тонколистовых материалов без разделки кромок наиболее подходит схема нормально кругового источника тепла на поверхности плоского слоя. Математическое моделирование условий сварки следует проводить с помощью предложенного метода приведения теплофизических параметров по характерным точкам термических циклов сварки в процессе теплонасьпце-ния. Это обеспечивает приемлемую для инженерных расчетов точность определения размеров шва и исследования переходных процессов в широком диапазоне условий сварки при минимальном объеме контрольных экспериментов.

2. Переходные процессы для размеров сварочной ванны и шва при действии возмущений по мощности источника и скорости сварки целесообразно изучать с помощью предложенного подхода к моделированию, заключающегося во введении после достижения температурным полем установившегося состояния дополнительных источников тепла, имитирующих действие возмущений. Это позволяет по размерам сварочной ванны определить коэффициенты передачи и постоянные времени для глубины провара, ширины лицевой части и корня шва.

3. Задачи расчета статических и динамических характеристик размеров сварочной ванны, точности размеров шва, режимов сварки, адаптации математической модели, анализа действия возмущений, эффективно решаются с помощью разработанного инженерного программного комплекса «л-АСП» в среде Ма^сас! с применением гипотезы (допущения) о постоянстве осевого теплового потока.

4. При возмущениях мощности теплоисточника и заданном уровне глубины провара постоянная времени уменьшается с увеличением скорости сварки. Коэффициенты передачи существенно выше при положительных отклонениях мощности, поэтому требования к точности поддержания режимов сварки следует определять по положительным отклонениям мощности и отрицательным отклонениям скорости сварки. Постоянные времени возрастают при одинаковом уровне провара с увеличением энергозатрат процесса сварки.

5. Требования к точности поддержания эффективной мощности и скорости сварки примерно одинаковы. При расчете допустимых отклонений необходимо исходить из возможности их неблагоприятного сочетания. Отклонение глубины провара при совместном действии возмущений примерно в 2 раза больше, чем от каждого из возмущений. Поэтому требуется расчетная стабилизация скорости сварки и мощности теплоисточника.

6. Нерегулируемые в процессе сварки параметры (отклонения толщины проката, температуры деталей, геометрии электрода, температуропроводности металла) приводят к 50% и более изменению размеров сварного шва. Снижение этого эффекта обеспечивали путем корректировки режимов сварки по результатам анализа отклонений размеров шва от действия нерегулируемых параметров .

7. На основании исследований разработаны и внедрены на ОАО «АВТОВАЗ» режимы сварки по слою флюса с заданными параметрами проплавления и создан комплекс из 3-х лабораторных работ по дисциплине «Автоматизация сварочных процессов» для студентов специальности 12 05 00.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Семистенов, Денис Александрович, 2005 год

1. Автомат для аргонодуговой сварки неплавящимся электродом АДСВ-6 с системами слежения. Паспорт РПО «Элек

2. Ш тромеханика», 1985г., 34с.3 . Автоматизация сварочных процессов/Под ред.В.К.Лебедева, В.П.Черныша.- К.: Вища шк., Головное изд-во, 1986.-296с.

3. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий.- 2-е изд., перераб. И доп.- М.:Наука, 1976.- 280с.

4. Архипова Е.В. Повышение эффективности наплавки бронзы на сталь открытой дугой./ Автореферат диссертации насоискание ученой степени кандидата технических наук.1. Челябинск 2005.

5. Акулов А.И., Бельчук Г.А. и Демянцевич В.П. Технология и оборудование сварки плавлением. Учебник для студентов вузов. М., «Машиностроение», 1977. 432с. с ил.

6. Алекин JI.E. Инерционность расплавления электродной проволоки и проплавления металла изделия при автоматической сварке под флюсом. Автоматическая сварка, 1963, №10, с.1-7.

7. Щ' 8. Алекин Л.Е. К вопросу о разработке технических условийна проектирование установок для механизированной дуговой сварки Известия вузов. Машиностроение, 1971, №1, с.159-162.

8. Алекин JI.E. Методика расчета отклонений содержания легирующих элементов в шве по технологическим критериям качества регулирования. Передовая технология в производстве сварных конструкций. Пермь, 1968, с.99-107.

9. Алекин JI.E. и др. Определение вольтамперных характеристик маломощной сварочной дуги// Автоматическая сварка, 1965, №9, с.5-7.

10. Антонец Д.П., Псарас Г.Г. Экспериментальное определение веса, формы и размеров сварочной ванны// Сварочное производство. 1970. №5.

11. Бадьянов Б.Н., Елизаров A.A., Колупаев Ю.Ф. Управление процессом сварки в режиме реального времени// Сварка на рубеже веков: Тезисы докладов научно-технической конференции. 20-21 января 2003. М. : Издательство МГТУ им.Н.Э.Баумана. - 2002. С. 30.

12. Березовский Б.М., Стихин В.А. Расчет параметров распределения теплового потока поверхностной сварочной дуги.- Сварочное производство, 1980, №2, с.1-4.

13. Березовский Б.М. Термический КПД процесса проплавления металла поверхностной сварочной дугой.- Автоматическая сварка, 1979, №10, с.18-21.

14. Браткова О.Н. Источники питания сварочной дуги: Учебник.- М.: Высшая школа, 1982.- 182с., ил.

15. Букаров В. А. Разработка моделей управления дуговой сваркой в защитных газах./ Сварочное производство, 1997, №2, с.13-17.

16. Гао X., Ву JI., Донг X. Исследование механизма проплавления при двухсторонней сварке ТИГ// Автоматическая сварка, Октябрь-Ноябрь 2003, с.77-81.

17. Гладков Э.А. Автоматическое управление процессом дуговой сварки неплавящимся электродом/ Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва. 1977г.

18. Гладков Э.А. Автоматизация сварочных процессов./ Учебное пособие Часть II. Москва 1976, 68с.

19. Горбач В.Д. Основы программно-управляемой технологи электродуговой сварки плавящимся электродом судовых корпусных конструкций./ Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Санкт-Питербург, 2001.

20. ГОСТ 103-76. Полоса стальная горячекатаная. Сортамент .

21. ГОСТ 14771-76. Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры.

22. ГОСТ 19904-90 Прокат листовой холоднокатаный. Сортамент .

23. Демянцевич В.П., Сосин H.A. Некоторые пути повышения эффективности плазменной дуги.- Сварочное производство, 1974, №8, с.20-21.

24. Денисов П.В., Мирлин Г.А. Расчет температуры нагрева тонколистового металла нормально распределенным источником при точечной сварке импульсной дугой// Сварочное производство. 1974. №1. - С. 3-6.

25. Дилигенский Н.В., Камаев Ю.П. Методы и технические средства исследования идентификации объектов с распределенными параметрами.- Куйбышев: КИтИ, 1977.- 7 9с.

26. Дилигенский Н.В. Оптимизация теплоэнергетических характеристик аргонно-дуговой сварки стальных кабельных оболочек (отчет).- Куйбышевский политехнический институт им.В.В.Куйбышева, 1977.- 128с.

27. Дилтай У., Штайн JT., Весте К., Райх Ф. Состояние и перспективы применения высокоэффективных сварочных технологий// Автоматическая сварка, Октябрь-Ноябрь 2003, с.151-157.

28. Ельцов A.B. Разработка методики проектирования технологических процессов дуговой сварки алюминиевых сплавов комбинированными импульсами тока. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 2004.

29. Ерохин A.A. Основы сварки плавлением. Физико-химические закономерности. «Машиностроение», 1973, 448с.

30. Ерохин A.A., Букаров В.А., Ищенко Ю.С. Влияние геометрии вольфрамового катода на некоторые характеристики сварочной дуги и проплавления металла// Сварочное производство. 1971. №12. - С. 17-19.

31. Ерохин A.A., Кубланов В. Я. Расчет массы ванны при сварке плавящимся электродом// Научно-техническая информация

32. Журавлев В.Н., Николаева О. И. Машиностроительные стали: Справочник.- 4-е изд., перераб. и доп.- М. : Машиностроение, 1992.- 480с.: ил.

33. Ильенко H.A. О динамике регулирования при аргоноду-говой сварке на весу тонколистовой стали.// Сварочное производство, 1961, №4, с.13-14.

34. Ильенко H.A. Методика определения постоянной времени проплавления металла. Передовая технология в производстве сварных конструкций. Пермь, 1968, с.76-82.

35. Ищенко Ю.С., Гречишкин В.И. Оценка веса сварочной ванны и геометрических размеров зоны проплавления// Автоматическая сварка. 1966. №11.

36. Калев Л.Ц., Желев А., Стойнов Ц.Т. О некоторых особенностях расчета плоской схемы кристаллизации металла шва.- Автоматическая сварка, 1973, №2, с.8-11.

37. Каспаржак Г.М., Щитова В.М. Структурная классификация и сравнительный анализ систем автоматического регулирования процесса дуговой сварки. Труды секции электросварки АН СССР. М., Академиздат, 1953, Вып.1. с. 3157 .

38. Ковалев И.М., Рыбаков A.C., Исаков A.C. и др. Дуговая сварка кабельных оболочек в поперечном магнитном поле// Сварочное производство, 1977, №11, с.37-38.

39. Коваленко И.Н., Филиппова A.A. Теория вероятностей и математическая статистика: Учеб.пособие.- 2-е изд., пе-рераб. и доп.- М.: Высш.школа, 1982.- 256с., ил.

40. Коган М.Г., Крюковский В.Н. Форма и размеры ванны жидкого металла при сварке// Физика и химия обработки материалов. 1986. №4. С.76-82.

41. Лапин И.Е., Коссович В.А. Неплавящиеся электроды для дуговой сварки: Монография/ ВолгГТУ.- Волгоград, 2001.-190с.

42. Ленивкин В.А., Дюргеров Н.Г., Сагиров Х.Н. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах.- М.: Машиностроение, 1989. 264 с.

43. Лившиц Б.Г., Крапошин B.C., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов./ Учебник для вузов.- М. : «Металлургия», 1980. 32 0с.

44. Львов Н.С. Автоматизация контроля и регулирования сварочных процессов. М., «Машиностроение», 1973, 128с.

45. Львов Н.С., Гладков Э.А. Автоматика и автоматизация сварочных процессов. Учебное пособие для вузов по специальности «Оборудование и технология сварочного производства». М.: Машиностроение, 1982. - 302с., ил.

46. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. Учебник для вузов/ Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А.- 3-е изд., перераб. и доп.- М. : «МИСИС», 1999.- 416с.

47. Микаелян В. Г. Определение статических характеристик дуги при автоматической сварке алюминия по флюсу. -Сварочное производство, 1964, №12, с.17-20.

48. Милютин B.C., Шанчуров С.М. Источники питания для сварки: Учебное пособие: Свердловск: изд.УПИ им.С.М.Кирова, 1987.-112с.

49. Медведев А.Ю. Повышение стойкости вольфрамового активированного стержневого катода при аргонодуговой сварке./ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Тольятти, 2003.

50. Немченко В.И. Энергогеометрические характеристики теплового воздействия дуговых источников и оптимизация процессов высокоскоростной сварки./ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Куйбышев. 1984. 243с.

51. Оборудование для дуговой сварки: Справочное пособие/ Под ред. В.В.Смирнова. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1986.-65бс: ил.

52. Оботуров В.И., Кудрявцев М.А. Методика определения веса и геометрических размеров сварочной ванны при сварке легких сплавов// Сварочное производство. 1969. №4 .

53. Основы управления технологическими процессами// Учебник для ВУЗов под ред Н.С.Райбмана. М.:Наука, 1978. 430с.

54. Патон Б.Е., Лебедев В.К. Электрооборудование для дуговой и шлаковой сварки. М.: Машиностроение, 1966,359с.

55. Панков В.В. Модели и методы оптимизации дуговых способов сварки в разделки различной формы. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1990.- 35с.

56. Петров A.B., Бирман У.И. Метод исследования кристаллизации металла при импульсно-дуговой сварке// Сварочное производство. 1967. №10.

57. Подола Н.В., Сахно Н.М. Автоматизированная система для научных исследований процесса дуговой сварки плавящимся электродом на базе персонального компьютера// Сварочное производство.- 1989, №9, С.21.24.

58. Попков A.M. Расчет параметров режима дуговой сварки стыковых соединений по заданным геометрическим параметрам швов. Сварочное производство, 2003, №9, с.33-35.

59. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. М.: «Наука», 1978

60. Попов Л.М., Анкудинов В.А. О постоянной времени про-плавления металла шва// Свариваемость и технология сварки цветных металлов и специальных сплавов: Сборник научных трудов №164. Редакционно-издательский отдел ППИ. Пермь 1975, С. 123-126.

61. Потехин В.П. Разработка моделей теплового и силового воздействия электрической дуги на металл при сварке не-плавящимся электродом/ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Тольятти 1987.

62. Прохоров H.H. Физические процессы в металлах при сварке: Т.1 Элементы физик в процессе кристаллизации.-М.:Металлургия, 1968г, 695с

63. Розаренов Д.Н. Оборудование для электрической сварки плавлением: Учебное пособие для учащихся машиностроительных техникумов.- М.¡Машиностроение, 1987.- 208с.: ил.

64. Рыкалин H.H., Бекетов А.И. Расчет термического цикла-околошовной- зоны-по очертанию плоской сварочной ванны.

65. Сварочное производство, 1967, №9, с.22-25.

66. Рыкалин H.H., Зуев И.В., Углов A.A. Основы электронно-лучевой обработки материалов.- М.: Машиностроение, 1978.-239с.

67. Рыкалин H.H. Расчёты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1951.- 296 с.

68. Сараев Ю.Н., Кректулева P.A., Косяков В.А. Математическое моделирование технологических процессов импульсной аргонодуговой сварки неплавящимся электродом./ Сварочное производство, 1997, №4, с.2-4.

69. Сварка в машиностроении: Справочник. В 4-х т./ Ред-кол.: Г.А.Николаев (пред.) и др. М.: Машиностроение, 1979 - Т.4/ Под ред. Д.Н.Зорина. 1979. 512с., ил.

70. Сварка и резка материалов: Учебное пособие/ М.Д.Банов, Ю.В.Казаков, М.Г.Козулин и др.; Под ред. Ю.В.Казакова.- М. : Издательский центр «Академия», 2002.- 400с.

71. Селяненков В.Н. Исследование силовых характеристик сварочной дуги и разработка методов и средств из измерения: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.- Свердловск, 1979. -25с.

72. Сидоров В.П., Абросимов С.М. Температурное поле в пластине при действии неподвижного поверхностного нормально-кругового источника// Тез. докл. научно-техн. конф. "Математические методы и САПР в сварочном производстве" Свердловск, 1990 г. С. 51.

73. Сидоров. В.П., Абросимов С.М., Куркин И.П. Расчёт параметров напряжения сжатой (плазменной) трёхфазной дуги// Сварочное производство. 1991. № 11. С. 35-37.

74. Сидоров В. П. Научные основы проектирования технологических процессов и оборудования для обработки алюминиевых сплавов трехфазной сжатой дугой./ Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Тольятти 1999. 250с.

75. Сидоров В.П. Математическое моделирование проплавления металла при наплавке шва на массивное тело: Методические указания к учебно-исследовательской работе.-Тольятти: ТолПИ, 1992.

76. Славин Г.А., Хорошева В.В. Условия формирования структуры металла шва при сварке тонколистовых жаропрочных материалов.- Сварочное производство, 1979, №10, с.4-7.

77. Столбов В.И., Масаков В. В. Образование прожога при сварке плавлением тонких листов.- Сварочное производство, 1977, №10, с.20-22.

78. Столбов В.И., Потехин В.П. Модель нагрева поверхности сварочной дугой.- Автоматическая сварка, 1979, №12, с.10-12.

79. Судник В.А., Ерофеев В.А., Иванов A.B. Создание и внедрение компьютерных технологий прогнозирования формирования шва при дуговой сварке./ Сварочное производство. 1997. №11. С.40-45.

80. Судник В.А., Рыбаков A.C. Критерии и пределы упрощения теоретических компьютерных моделей аргонодуговой сварки тонколистовых соединений./ Компьютерные модели технологии сварки: Сборник научных трудов. Тула: ТулПИ, 1990.- 136с.

81. Такано Г., Камо К. Полная автоматизация сварки сосудов и труб// Автоматическая сварка, Октябрь-Ноябрь 2003, с.138-144.

82. Теория автоматического управления: Учеб. Для машино-строит. спец. вузов/ В.Н.Брюханов, М.Г.Колосов, С.П.Протопопов и др.; Под ред. Ю.М.Соломенцева.- 4-е изд., стер.- М.: Высш. шк.; 2003.- 268с: ил.

83. Теория автоматического управления. Под ред.Нетушина A.B., М,: «Высшая школа», 1978

84. Теория сварочных процессов: Учебник для вузов по специальности «Оборудование и технология сварочного производства»/ Волченко В.Н., Ямпольский В.М., Винокуров В.А. и др.; Под редакцией В.В.Фролова.- Высш.шк., 1988. 559с.:ил.

85. Топчеев Ю.И. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования: Учебное пособие для втузов.-М.: Машиностроение, 1989.- 752е.: ил.

86. Труды секции электросварки АН СССР. М. , Академиздат, 1953, Вып I. 140с.

87. Углов A.A., Кокора А.Н. Теплофизические явления при обработке материалов лучом лазера (обзор).- Квантовая электроника, 1977, №4, с.1189-1202.

88. Цепенев P.A. Автоматизация сварочных процессов/ Учебное пособие. Тольятти, 1990, 106с.

89. Цепенев P.A. Основы научных исследований и техника эксперимента: Методические указания к изучению курса.-Тольятти: ТолПИ, 1994.

90. Цибулькин Г. А. Построение математических моделей в задачах адаптивного управления дуговой сваркой./ Автоматическая сварка, 1994, №1, с.24-27.

91. Чернышов В.К., Глазман С.М., Никонов И.П. Определение оптимальных размеров продольных швов труб, подвергаемых холодной деформации.- Сварочное производство, 1979, №11, с.23-25.

92. Шоек П.А. Исследование баланса энергии на аноде сильноточных дуг, горящих в атмосфере аргона// Современные проблемы теплообмена. М.; Л.: Энергия, 1966. - С. 110-139.

93. Hirschmann F. Automatic random shape arc welding used X, Y and rotation control// Welding and metal fabrication.- 1969.- №5.- p.208-209.

94. Jackson C. The science of ARC welding// Welding journal.- I960.- №4.- p.147-158.

95. Расчет мощности источника тепла для заданной ширины провара1Ъг V е V

96. Л)Г до^о г<-0 г <-95 q <- 1000 ад 1000 wh¡le с1д > 1 у1 <-0к2.Цсу-(4-л-а)1.51. К<-ц0п = -5г-2-п-8)2Дх-у-М.У4аЛ + 4а-(1о+^