Математическое моделирование точности параметров аргонодуговой и контактной сварки
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Металлообработка
Издательство:
Инфра-Инженерия
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 200
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-0930-8
Артикул: 791906.01.99
Рассмотрены результаты анализа требований к точности параметров процесса сварки на основе математической модели распространения тепла в изделии от нормально-кругового источника тепла (НКИ) на поверхности плоского слоя. Изложена методика определения коэффициентов модели на основе экспериментов по определению размеров сварного шва. Приведен универсальный критерий оценки возмущений - относительный коэффициент передачи (ОКПВ), пригодный как для режимов, так и для условий сварки и выполнены его расчеты для ряда способов сварки. Рассмотрены способы автоматического регулирования размеров сварочной ванны на основе анализа математической модели. Предложены подходы, учитывающие влияние на точность поддержания параметров вероятностного характера возможных возмущений. Показано, что эффективным способом обеспечения требуемой точности является регулирование по аналитической математической модели НКИ.
Для преподавателей, аспирантов и студентов высших и средних специальных технических учебных заведений.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- Профессиональная подготовка по профессиям рабочих и по должностям служащих
- 15.01.05: Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки)
- ВО - Бакалавриат
- 22.03.02: Металлургия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
В. П. Сидоров А. В. Мельзитдинова
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТОЧНОСТИ ПАРАМЕТРОВ АРГОНОДУГОВОЙ И КОНТАКТНОЙ СВАРКИ
Учебное пособие
Москва Вологда Инфра-Инженерия 2022
УДК 621.791.75
ББК 34.641
С34
Рекомендовано к изданию кафедрой сварки, обработки материалов давлением и родственных процессов Тольяттинского государственногоуниверситета
Рецензенты:
д-р техн, наук, профессор, заведующий кафедрой информатики и систем управления Волжского университета им, В, Н, Татищева С. Б. Краснов;
канд, техн, наук, доцент, доцент кафедры сварки, обработки материалов давлением и родственных процессов Тольяттинского государственного университета А. С. Климов
Сидоров, В. П.
С34 Математическое моделирование точности параметров аргонодуговой и контактной сварки : учебное пособие / В, П, Сидоров, А, В, Мельзитдинова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 200 с. : ил,, табл,
ISBN 978-5-9729-0930-8
Рассмотрены результаты анализа требований к точности параметров процесса сварки на основе математической модели распространения тепла в изделии от нормально-кругового источника тепла (НКИ) на поверхности плоского слоя. Изложена методика определения коэффициентов модели на основе экспериментов по определению размеров сварного шва. Приведен универсальный критерий оценки возмущений - относительный коэффициент передачи (ОКПВ), пригодный как для режимов, так и для условий сварки и выполнены его расчеты для ряда способов сварки, Рассмотрены способы автоматического регулирования размеров сварочной ванны на основе анализа математической модели. Предложены подходы, учитывающие влияние на точность поддержания параметров вероятностного характера возможных возмущений. Показано, что эффективным способом обеспечения требуемой точности является регулирование по аналитической математической модели НКИ,
Для преподавателей, аспирантов и студентов высших и средних специальных технических учебных заведений,
УДК 621.791.75
ББК 34.641
ISBN 978-5-9729-0930-8
© Сидоров В, П,, Мельзитдинова А, В,, 2022
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
© Оформление, Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ......................................................5
Глава 1
ПОБЛЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ К ТОЧНОСТИ ПАРАМЕТРОВ СВАРКИ..............................................7
1.1. Основные подходы к определению точности параметров сварочных
процессов....................................................7
1.2. Современные подходы к автоматическому регулированию сварочных процессов.................................................30
1.3. Использование математического моделирования тепловых процессов сварки для расчета параметров шва.........................41
Глава 2
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ К ТОЧНОСТИ ПАРАМЕТРОВ
СВАРКИ........................................................54
2.1. Классификация показателей, влияющих на регулируемый параметр качества сварки..........................................54
2.2. Относительный коэффициент передачи возмущений (ОКПВ).....57
2.3. Методики определения коэффициентов математической модели.61
Глава 3
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТОЧНОСТИ ПАРАМЕТРОВ ДУГОВОЙ ДВУХСТОРОННЕЙ СВАРКИ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
БЕЗ РАЗДЕЛКИ КРОМОК...........................................87
3.1. Определение влияния параметров сварки на отклонение провара.87
3.2. Исследование отклонений температуры в процессе сварки при действии возмущений.................................101
3.3. Регулирование глубины проплавления по математической модели.112
3.4. Регулирование двух параметров качества при двухсторонней сварке................................................. 123
Глава 4
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТОЧНОСТИ ПАРАМЕТРОВ ДУГОВОЙ ОДНОСТОРОННЕЙ СВАРКИ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
БЕЗ РАЗДЕЛКИ КРОМОК..........................................133
4.1. Методика определения допустимых отклонений параметров односторонней сварки....................................133
3
4.2. Регулирование ширины обратного валика по температуре поверхности пластины.....................................141 4.3. Контроль отклонения дуги от стыка по температуре поверхности пластин..................................................148 4.4. Регулирование проплавления при отклонении дуги от стыка.156 Глава 5 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТОЧНОСТИ ПАРАМЕТРОВ КОНТАКТНОЙ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ...................................170 5.1. Обоснование требований к точности сварной точки.........170 5.2. Математическое моделирование тепловых процессов при КТС с помощью схемы НКИ......................................174 5.3. Определение подогрева места сварки от сварки предыдущих точек.180 5.4. Требования к точности поддержания параметров КТС........184 ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................186 ЛИТЕРАТУРА...................................................188 4
ВВЕДЕНИЕ
Автоматизация сварочных процессов, в том числе автоматическое регулирование по-прежнему остается одним из важнейших направлений развития сварочного производства. Процессы автоматизации, как и во многих других областях техники, развиваются ускоренно во многом благодаря внедрению цифровых и компьютерных технологий. Однако для сварочных процессов это развитие по-прежнему сопряжено с существенными трудностями, обусловленными весьма сложным комплексом физико-химических процессов при сварке, остающимися во многом не изученными.
Наибольший объем сварочных работ выполняется в конструкциях, изготовляемых из металлического проката малой и средней толщины. Если по массе преобладают сварные конструкции из проката большой толщины, то по протяженности сварных швов преобладают тонкостенные конструкции. В еще большей степени это относится к высоколегированным сталям. В них значительное место занимают стыковые сварные соединения, выполняемые без разделки свариваемых кромок. Во многом развитие сварки связано с обеспечением получения соединений, в которых не требуется разделывать кромки. Это позволяет одновременно экономить ресурсы, как по разделке кромок, так и при использовании сварочных материалов. При этом верхний предел толщин, свариваемых без разделки кромок, постоянно растет. В качестве примера можно привести появление и развитие таких способов сварки, как многодуговые, дуговую одновременную двухстороннюю сварку, гибридные лазерно-дуговые способы, плазменную сварку, сварку в узкую щелевую разделку и др. Поэтому относительная протяженность сварных соединений без разделки кромок постоянно повышается. При этом требования к поддержанию стабильности параметров сварки для перечисленных способов остаются наиболее высокими по сравнению с соединениями с разделкой кромок. У соединений с разделкой кромок высокие требования по стабильности выдвигаются только при сварке корневого слоя шва.
В тоже время следует отметить, что многие вопросы, связанные с автоматическим регулированием процессов сварки соединений еще в значительной степени не решены. Для определения требований к точности и регулирования используются преимущественно статистические математические модели процесса, требующие для их получения большого объема трудоемких и дорогостоящих экспериментальных исследований. Поэтому они могут быть использованы экономически эффективно только для процессов массового производства. Для серийного и мелкосерийного производства использование такого подхода проблематично. В то же время задачи по автоматическому регулированию таких процессов весьма актуальны.
Процесс аргонодуговой сварки занимает важное место в производстве ответственных сварных конструкций из высоколегированных сталей и спла-
5
bob с особыми свойствами, а также при сварке корневого слоя шва высоко-нагруженных конструкций при сварке конструкционных сталей. Многие вопросы, решенные для этого способа сварки, могут быть в качественном отношении использованы для других способов сварки стыковых соединений и корневого слоя шва: аргонодуговой с присадочной проволокой, сваркой в защитных газах с плавящимся электродом, сварке под флюсом без разделки кромок.
Задачи технолога сварочного производства при создании системы автоматического регулирования сварочного процесса заключается в подготовке данных об оптимальных параметрах процесса и формулирование требований к точности их поддержания и быстродействию систем регулирования. Если первой задаче и способам ее решения посвящено много работ, то разработка второй и третьей задач во многом отстает от потребностей производства. Единственным распространенным инструментом для решения второй и третьей задачи, как уже отмечалось, является эмпирический подход с использованием статистических моделей.
Данное пособие посвящено повышению производительности и качества разработки требований к точности параметров процесса аргонодуговой сварки стыковых соединений без разделки кромок на основе развития классификации параметров сварки и исследованию влияния их возмущений на параметры шва, поиску критериев оценки действия возмущений не только режимов, но и других параметров аргонодуговой сварки, методике экспрессного получения параметров математической модели для оценки действия возмущений параметров процесса и изучению возможностей автоматического регулирования по аналитической математической модели. Рассмотрены вопросы совмещения требований не к одному параметру сварного соединения, а к двум. К важным особенностям пособия авторы относят разделение параметров сварки на условия и режимы и оценку действия их отклонений на регулируемый параметр относительным коэффициентом передачи возмущений (ОКПВ). На основе этого предложен параметр оценки эффективности системы автоматического регулирования режимов сварки, как отношения относительного коэффициента передачи к коэффициенту качества регулирования. Все это стало возможным благодаря предложенной экспериментально-аналитической методике определения параметров математической модели тепловых процессов при сварке, позволяющей адекватно оценивать коэффициенты передачи параметров сварки. В результате установлена зависимость относительных отклонений регулируемого параметра шва от знака возмущения при двухсторонней и односторонней сварке стыковых соединений без разделки кромок. Одним из главных особенностей пособия является приведение методики определения допустимых отклонений параметров процесса сварки на основе принципа равного вклада и создание алгоритма автоматического регулирования процессов дуговой сварки соединений без разделки кромок по аналитической математической модели распространения тепла при сварке.
6
Глава 1
ПРОБЛЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ К ТОЧНОСТИ ПАРАМЕТРОВ СВАРКИ
1.1. Основные подходы к определению точности параметров сварочных процессов
Одним из основных требований, предъявляемым к сварным соединениям конструкций является обеспечение их высокого качества. Стабильность этого качества, его однородность является важнейшим показателем качества соединения. Какими бы не были высокими свойства отдельных зон соединения, не они будут определять качество соединения в целом. Качество сварного соединения во многом определяется свойствами участка, с наиболее низкими свойствами. Это касается как прочностных свойств соединения, так и коррозионных свойств, жаропрочности и жаростойкости. При сварке не имеет смысла, за исключением специальных случаев, выполнять соединения, в которых свойства одних зон соединения превосходили бы свойства других зон [1]. Обеспечить высокую стабильность качества сварных соединений можно только посредством автоматизации процесса сварки. Можно утверждать, что результаты автоматизации сварочного процесса можно оценивать по стабильности важнейших показателей качества. Рассмотрим, что же понимается под понятием стабильности.
В работе [2] указано, что стабильность параметров режима принято оценивать значением среднеквадратичного отклонения тока (или напряжения). Для сопоставления различных источников питания и их режимов по их стабильности используют коэффициент вариации параметра в виде отношений средних квадратичных отклонений тока к среднему значению тока при сварке в процентах. У лучших источников для механизированной сварки в углекислом газе коэффициент вариации тока не превышает 35 %.
В работе [3], которая посвящена стабильности проплавления в зависимости от длительности работы неплавящегося вольфрамового электрода, в качестве показателя стабильности предложено использовалась дисперсию глубины проплавления. Она позволяет оценить степень компактности расположения «облака наблюдений» около своего центра тяжести (среднего значения).
Можно отметить, что такой подход представляется верным, но он должен учитывать протяженность сварных швов, то есть этот показатель должен рассчитываться на единицу длины шва или на определенное число сварных соединений, например, сварных точек при точечной сварке. При этом следует отличать точность рассматриваемой величины и ее стабильность. Величина
7
может обладать высокой стабильностью относительно своего математического ожидания, но при этом среднее отклонение от установленной величины может быть достаточно большим. Это является аналогом систематической погрешности измерения в теории измерений [17].
Например, ясно, что линия ширины шва при сварке должна по отношению к оси шва представлять в идеале параллельную прямую. При сварке вследствие различных причин имеют место отклонения ширины шва относительно его оси. Можно получить как математическое ожидание ширины шва, так и дисперсию отклонений от среднего значения. Среднее отклонение от номинальной ширины определяет точность соблюдения ширины шва. Дисперсия отклонений от среднего значения определяет стабильность ширины шва. Таким образом, для характеристики качества необходимо знать два параметра. Эти параметры необходимо, по-видимому, определять на единицу длины шва. Повышение точности параметров качества и их стабильности обеспечивает автоматическое регулирование сварочных процессов.
Рассмотрим требования к точности стыковых соединений без разделки кромок, предъявляемых отечественными нормативными документами. Наиболее употребителен ГОСТ 14771-76 [4]. В нем для одностороннего стыкового соединения типа С2 (табл. 1.1) для сварки на весу предусмотрены допуски на ширину лицевого валика и выпуклости лицевой и обратной стороны шва. Ограничивается максимальная ширина лицевого валика. Допуск на выпуклость обратного валика установлен положительным. За допуск на ширину обратного валика можно принять допуск на величину зазора, который составляет для толщины 4 мм всего +0,3 мм.
Таблица 1.1
Размеры и допуски на одностороннее стыковое соединение на весу по ГОСТ 14771-76
8
Таблица 1.2
Размеры и допуски на одностороннее стыковое соединение на подкладке с канавкой по ГОСТ 14771-76
Условное обозначение Конструктивные элементы s = S1 b e, не более е 1 g g 1
сварного соединения подготовленных шва сварного Ном. Пред. откл. Ном. Пред. откл. Ном. Пред. откл. Ном. Пред откл.
кромок соединения
свариваемых
деталей
0,5- +0,1 6,0 2,0 ±0,1 ±0,1 +0,2
0,9
। , , । j 1,0- +0,2 7,0 +0,2 +0,5
С4 <о| ---•" ---р-- со Г -tg/ 1,5 0 0 -0,3 0
«S' 1,6- 4,0 ±0,2 +0,2
«3 2,2 +0,3 8,0 -0,5 + 1,0
2,5- +0,3
4,0 9,0 -1,0
Таблица 1.3
Размеры и допуски на одностороннее стыковое соединение на плоской подкладке по ГОСТ 14771-76
Условное обозначение Конструктивные элементы S = S1 b e, не более g 8, не менее
сварного соединения подготовленных шва сварного Номин Пред. откл. Номин Пред. откл.
кромок свариваемых соединения
деталей
0,5-0,9 +0,1 6,0 ±0,1
С5 1,0-1,5 0 +0,2 7,0 0 s
,5~20- 5' 1 1,6-2,2 +0,3 8,0 ±0,2
,==»i 2,5-4,0 10,0
9
Таблица 1.4
Размеры и допуски на двустороннее стыковое соединение по ГОСТ 14771-76
Условное обозначение Конструктивные элементы s = s 1 b e, не более g
сварного соединения подготовленных шва сварного Номин Пред. откл. Номин Пред. откл.
кромок свариваемых соединения
деталей
С7 нч * 3,0-4,0 0 +0,5 9,0 0 +0,2
е 4,5-6,0 +1,0 10,0
Для одностороннего соединения С4 с формирующей обратный валик подкладкой (табл. 1.2) устанавливается ширина обратного валика и допуск на нее, которые для толщины 4 мм составляют соответственно е ₁ = 4 ± 1 мм, е < 9 мм.
Для двухстороннего сварного соединения С7 ширина шва при толщине 5 = 6 мм не должна превышать е = 10 мм. (табл. 1.4) Допуск на глубину проплавления в стандарте отсутствует. То, что ширина двухстороннего шва нормируется большей, чем одностороннего, выглядит не вполне логичным. Одним из преимуществ двухсторонней сварки является возможность получения более узких швов [5]. Такое противоречие свидетельствует о том, что требования ГОСТ, по-видимому, не всегда учитывали объективные особенности сварки.
В ГОСТ 16037-80 на сварные соединения труб [6] предельная толщина свариваемых труб без разделки кромок для сварки неплавящимся электродом составляет 5 = 3 мм. Допуск на лицевую ширину шва е = 4 + 2 мм. Выпуклость обратного валика допускается g = 0,5 мм. Двухсторонние швы этим стандартом не предусмотрены.
Отечественными стандартами не определено, на какой длине шва должны соблюдаться рекомендуемые размеры соединения или шва, а также допуски на разделку кромок и сборку. Указанные размеры говорят о том, в каких пределах может изменяться, например, зазор, но не установлено, в переделах какой длины соединения это возможно. При этом теоретически становится возможным, что на малой длине соединения зазор может измениться с 1 до 2 мм. Ясно, что данная ситуация для автоматической сварки неприемлема.
В последнее время в некоторых зарубежных стандартах по процедурам сварки различными способами стали появляться требования по точности режимов сварки в явном или неявном виде [107, 108].
10
Серьезным затруднением в инженерной работе, по мнению [7], является и назначение режимов сварки с помощью справочных данных. В нормативных материалах, справочниках и учебных пособиях довольно широко представлены рекомендуемые режимы автоматической сварки неплавящимся электродом, однако в большинстве источников не указана разновидность соединения - на весу или на подкладке. Использование такой информации весьма затруднено и тем обстоятельством, что для конкретного вида материала заданной толщины, рекомендованным скоростям сварки соответствует широкий диапазон сварочных токов. Для подтверждения своего подхода в работе [7], как пример, приводится табл. 1.5 рекомендуемых режимов.
Таблица 1.5
Режимы односторонней сварки высоколегированной стали [7]
Тип соединения Материал Толщина, мм Ток, А Скорость
сварки, см/с
1 50-90 0,56-0,97
12Х18Н10Т 1,5 60-100 0,42-0,83
2,0 90-140 0,42-0,69
На медной 1,5 110 0,36
подкладке 1Х18Н10Т 2,0 150 0,33
4 145-200 0,21-0,33
Высоколегирован- 1 60-120 0,97-1,67
ная сталь 2,5 110-200 0,69-0,83
4 130-250 0,69-0,83
По мнению автора [7], анализ данных табл. 1.5 показывает, что при сварке листовых конструкций с толщиной 0,8-1,5 мм при скорости сварки 1021 м/ч, различия в значениях сварочного тока достигают 150 %. Такое различие между рекомендуемыми данными по сварочному току и скорости сварки в [7] отнесено к влиянию возмущений неконтролируемых параметров процесса. Все это приводит к большому изменению размеров сварных швов, увеличивает расходы по отработке технологии сварки новых изделий из-за необходимости проведения большого числа экспериментов. Поскольку стыковые соединения тонколистовых материалов часто выполняются на медной подкладке, то, по мнению автора [7], вероятнее всего, это связано с влиянием теплоотдачи в медную подкладку, а также с влиянием на теплоотдачу размеров канавки в медной подкладке и конструкции прижимов. Это предположение подтверждается тем, что с увеличением толщины свариваемых пластин различия в значениях рекомендуемых режимов уменьшаются и не превышают 4050 %. К примеру, таблица режимов автоматической сварки [8] для дуги прямой полярности имеет вид (табл. 1.6).
11
Таблица 1.6
Режимы аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом высоколегированных сталей
Толщина Расход аргона, Скорость
металла, мм Тип соединения Сила тока, А л/мин сварки, м/ч
1 Встык 80-140 4 30-60
2 с присадкой 140-240 6-7 20-30
4 200-280 7-8 15-30
1 Встык 60-120 4 35-60
2,5 без присадки 110-200 6-7 25-30
4 130-250 7-8 35-30
Приведенные в табл. 1.5. и 1.6 данные, по-видимому, не следует трактовать так, как это сделано в работе [7], что возможно любое сочетание тока дуги и скорости сварки. По всей видимости, максимальным значениям тока сварки должны соответствовать и максимальные значения ее скорости. Это же аналогично относится и к минимальным токам. Поскольку в табл. 1.5, 1.6 не приводятся данные о напряжении дуги, следует использовать понятие удельного тока дуги Ту, то есть тока, деленного на производительность образования соединения, которое качественно аналогично исследованной в работе [5] удельной энергии сварки
Iу ⁼ Iд / ⁽Vc ' $)>
где Iд - ток дуги, А;
Vc - скорость сварки, см/с;
Д - толщина свариваемых пластин, см.
Нами были определены значения Iу для минимальных, максимальных и средних токов табл. 1.6. Расчетные данные сведены в табл. 1.7.
Таблица 1. 7
Расчетные значения удельного тока сварки Гу
Толщина, мм (Iд/ Vc8)mm (Iд/ Vс8)тт (Столбцы 1+2)/2 Iср/ Vср А, %
1 2 3 4 5
1 720 1029 875 682 18
2,5 960 1152 1056 811 9
4 750 1071 910 526 18
Iу максимально для толщины 2,5 мм при всех вариантах расчета. Это указывает на наименьшую энергетическую эффективность процесса сварки этой толщины. Вероятно, это связано с особенностями распространения тепла
12