Full Text

Введение Автоматическое регулирование проплавления при дуговой сварке является одним из важнейших условий обеспечения качества сварного соединения. Достаточно эффективно регулирование, когда обеспечивают необходимые допуски на неизмеримые параметры процесса и поддерживают на заданном уровне измеримые параметры. Под неизмеримыми параметрами понимаются такие, которые сложно измерять в процессе сварки, а только до сварки. При наличии математической модели процесса возможно использование только 1 регулирующего параметра [1]. Математическую модель провара при сварке неплавящимся электродом в патенте [1] получили экспериментально в виде (1) где М, P, Q, R - эмпирические коэффициенты; I - ток дуги; U - напряжение дуги; Vс - скорость сварки. При таком регулировании измеряют все параметры, входящие в формулу (1), а регулирующий параметр (ток или скорость сварки) рассчитывают по эталонному провару Н0. При этом не учитываются возмущения неизмеримых параметров процесса, которые в отличие от режимов можно назвать условиями сварки [2-4]. Недостатками методики [1] являются высокая трудоемкость экспериментального определения коэффициентов в формуле (1) и невысокая точность регулирования, обусловленная существенной зависимостью этих коэффициентов от режимов. При проведении опытов необходимо поддерживать 2 параметра из 3 на постоянном уровне, что для сварочной дуги затруднительно, так как, например, напряжение дуги зависит от ее тока. Также зависимость (1) не учитывает влияния на провар начальной температуры изделия, что требует проведения дополнительных опытов при изменении температуры, например при предварительном или сопутствующем подогреве свариваемых деталей. Кроме того, не учитываются отклонения по толщине пластин, которые влияют на провар. В работе [5] также по эмпирической математической модели дополнительно к расчету регулирующего параметра по эталонному провару производили измерение температуры на оси сварного шва. Так учитывалось действие возмущений на неизмеримые параметры сварки. К недостаткам способа [5] можно отнести то, что точка замера температуры располагается далеко от зоны с максимальным проваром, поэтому велики погрешности, связанные с инерционностью тепловых процессов. В работе [6] вместо измерения температуры предложено измерение ширины сварного шва, которая рассчитывается по формуле, подобной формуле (1). В работах [7, 8] в качестве математической модели использована формула нормально-кругового источника тепла (НКИ) на поверхности плоского слоя и дополнительно к измерению температуры на шве предложено измерять ширину зоны, нагретой выше 800 ºС. В этом случае возникают трудности по выбору теплофизических коэффициентов и параметров источника тепла. Фактически это, так же как и для способа [1], означает необходимость выполнения большого числа экспериментов, чтобы получить адекватное описание поля значений температуры в зоне регулирования. В работе [9] точку замера температуры для учета неизмеримых возмущений перенесли в зону максимального провара. Однако измерение значений температуры только по одну сторону от стыка может привести к значительным возмущениям, связанным с отклонением дуги от стыка. В работе [10] предложен способ контроля отклонения дуги от стыка по значениям температуры 2 точек, расположенных симметрично стыку, а в работе [11] - методика автоматического регулирования, позволяющая учитывать совместно отклонение дуги от стыка и действие неизмеримых возмущений. Все рассмотренные способы регулирования рекомендованы только для сварки без присадочной проволоки. Целью данной работы являлось обоснование методики выбора теплофизических коэффициентов в аналитической математической модели для оптимального регулирования провара по измеримым параметрам процесса при минимальном объеме необходимых экспериментов. Также методика может использоваться при сварке с присадочной проволокой. Методика исследований Для расчета регулирующего параметра сварки использовали зависимость температуры в пластине при действии на ее поверхности точечного источника тепла, представленную в работе [12]. При этом сознательно пошли на упрощение математической модели по сравнению с приведенными в работах [7, 8], чтобы показать, что на конкретных режимах сварки для расчета провара точность описания источника тепла не имеет существенного значения. Уравнение для регулирования провара имеет вид (2) где ТL - температура плавления, ºС; Т0 - эталонная начальная температура пластин, ºС; I - ток сварки, А; qу - отношение эффективной мощности сварочной дуги к току сварки; cr - объемная теплоемкость металла, Дж/(см3·ºС); а - коэффициент температуропроводности, см2/с; х - координата, положительная в направлении сварки, отсчитываемая от оси теплового пятна сварочной дуги, см; Vс - скорость сварки, см/с; t - время с момента начала действия дуги до наступления установившегося состояния проплавления изделия, с; у - координата, перпендикулярная направлению сварки, отсчитываемая от оси теплового пятна сварочной дуги, см; Н0 - эталонный провар, см; d - номинальная толщина пластины, см; n - целые числа от -∞ до +∞. Конкретное число n и значение t выбираются исходя из требуемой точности вычислений. При расчетах значений температуры в сталях число n = N не превышает 10. Эксперименты и расчеты показывают, что в условиях 2-сторонней сварки стыковых соединений (толщина пластин 6-8 мм) установившееся состояние достигается не более чем за 10 с для сталей и 15 с для алюминиевых сплавов с очень высокой точностью расчета значений температуры, порядка 0,1 %. Произведение Iqу в уравнении (2) представляет эффективную мощность источника тепла qИ, Iqу = qИ. Величина qу в литературе получила название вольтова эквивалента эффективной мощности [13, 14] или удельного теплового потока [15], однако более точно называть эту величину удельной эффективной мощностью. Она слабо зависит от тока и длины дуги [15], а следовательно, и от напряжения дуги. Это обусловлено тем, что эффективная мощность при сварке неплавящимся электродом передается изделию преимущественно от приэлектродной области дуги [16, 17]. Ввиду этого можно рассматривать qу в уравнении (2) как постоянную величину. В связи с этим при автоматическом регулировании провара по выражению (2) можно не измерять напряжение дуги. Из формулы (2) видно, что температура точек тела пропорциональна эффективной мощности источника тепла и обратно пропорциональна объемной теплоемкости пластины. Таким образом, температура будет пропорциональна отношению этих величин. Это позволяет определять из экспериментов и использовать в формуле (2) не каждую из этих величин по отдельности, а их отношение и в дальнейшем, при регулировании глубины проплавления, оперировать этим отношением. С учетом постоянных чисел в формуле (2) обозначим коэффициент пропорциональности К, не включая в него ток сварки, который может изменяться в процессе сварки вследствие действия возмущений: К = 2qу/сρ(4π)1,5. Размерность коэффициента К - (см3 ·ºС)/(А·с). Суть предлагаемой методики регулирования заключается в том, что коэффициент К и температуропроводность а предлагается определять по эталонным провару и ширине шва, решая систему уравнений. Второе уравнение аналогично уравнению (2), но вместо провара Н0 в нем используется эталонная ширина шва В0. В системе уравнений остается только 2 неизвестных: коэффициент К и коэффициент температуропроводности а. Для их однозначного определения на эталонном режиме нужно знать 2 независимые температуры в 2 точках тела при известных координатах этих точек х, у, z. Затем можно применять полученные коэффициенты при расчете регулирующего параметра - тока или скорости сварки. При этом обеспечивается высокая точность определения регулирующего воздействия, так как полученные коэффициенты изменяются мало при имеющих место возмущениях режимов сварки. Такой методикой устраняются неточности математической модели, связанные с допущением отсутствия зависимости теплофизических коэффициентов от температуры. Предлагаемая методика регулирования обеспечивает значительное сокращение экспериментов по определению коэффициентов математической зависимости провара от параметров сварки, повышение точности регулирования провара за счет снижения зависимости коэффициентов, определяемых экспериментально, от параметров режима сварки и учет влияния температуры и толщины свариваемых деталей на провар без проведения дополнительных экспериментов. Фактически необходим только 1 эксперимент по сварке эталонного шва и измерение после него провара и ширины шва. Этот результат возможен благодаря тому, что адекватное описание формы температурного поля с помощью аналитической зависимости, представляющей действие движущегося точечного источника тепла на поверхности пластины, позволяет при измерении 2 размеров шва отыскать точные значения соответствующих им коэффициента температуропроводности а и коэффициента К. Отыскание провара и ширины сварочной ванны (рис. 1) производится численным методом последовательной подстановкой координат х с малым шагом Δх, например 1 мм. Для отыскания координаты z или у с температурой плавления использовали метод дихотомии [18]. Теплофизические коэффициенты были выбраны для высоколегированной стали 304L [19]. Рис. 1. Расчетная эталонная полуизотерма сварочной ванны: δ = 0,6 см, qИ =1350 Вт, Vс = 0,43 см/с, сρ = 3,476 Дж/(см3·°С), а = 0,0432 см2/с, ТL = 1440 ºС, Т0 = 20 ºС, К = 7,75·10-2 (см3·ºС)/(А·с) Численные методы решения систем нелинейных уравнений типа уравнения (2) подробно изложены в специальной литературе [18]. Зависимости провара и ширины шва пропорциональны значениям К (рис. 2). Рис. 2. Расчетные зависимости провара Н (кривая 1) и ширины шва В (кривая 2) от коэффициента К Для решения системы уравнений при отыскании коэффициентов К и а использовали построение изолиний (рис. 3). Рис. 3. Схема построения изолинии коэффициент К-коэффициент температуропроводности а: 1 - а = 0,03 см2/с, 2 - а = 0,04 см2/с, 3 - а = 0,05 см2/с Кривые представляют зависимость глубины проплавления Н от К при разных коэффициентах а. Через эти кривые проводится линия, параллельная оси коэффициента К при значении эталонного провара Н = Н0. Точки пересечения этой прямой с кривыми дают значения К1, К2, К3 при разных коэффициентах а и дают возможность построить изолинию коэффициент К-коэффициент температуропроводности а (рис. 4). Аналогично строится график 2-й изолинии для ширины шва В0. Рис. 4. Изолинии К-а для эталонных Н0 (кривая 1) и В0 (кривая 2) Любая точка на кривой 1 дает эталонный провар Н0, а любая точка на кривой 2 дает эталонную ширину шва В0. Поскольку сочетание Н0-В0 для номинального режима единственное, изолинии 1 и 2 имеют одну точку пересечения, которая дает единственные значения искомых коэффициентов К и а. Эти значения необходимо использовать для расчета регулирующего параметра сварки по уравнению (2), что обеспечивает высокую точность регулирования глубины проплавления. Согласно рис. 4 можно принять а = 0,05 см2/с, К = 8,4·10-2 (см3·ºС)/(А·с). Построение изолиний фактически представляет графический способ решения системы 2 нелинейных уравнений, составленных по формуле (2). В этом случае в одном из уравнений координата у = 0, а z = Н0, в другом z = 0, и у = В0/2. При полученных коэффициентах К и а была построена изолиния ток-скорость сварки (рис. 5). Эта изолиния является регулировочной кривой по предлагаемой методике регулирования. Номинальным параметрам процесса соответствует точка А на изолинии, ток IA и скорость сварки VсA. При смещении, вследствие действия возмущений, рабочей точки процесса в точку B за пределами изолинии текущие значения тока IB и скорости сварки VсB имеют отклонения от номинальных значений. При регулировании по предлагаемой методике необходимо изменить только скорость или ток сварки. При регулировании скорости рабочей точкой процесса станет точка С c измеренным током IB и новым значением скорости сварки VсC. Рис. 5. Изолинии ток-скорость сварки Для упрощения системы регулирования полученную изолинию можно с высокой точностью аппроксимировать и использовать для регулирования вместо уравнения (2). Это значительно сократит объем и время вычислений в процессе регулирования. Изолинию на рис. 5 аппроксимировали параболой где В0, В1, В2 - коэффициенты аппроксимации. В результате получили В0 = 0,842 см/с, В1 = = -5,72·10-3 см/(с·А), В2 = 17,28·10-5 см/(с·А2). Аналитические и аппроксимирующие значения при этих коэффициентах совпадают с точностью 0,01 %. Пример. Проводили определение регулирующего параметра сварки по предлагаемой методике. Для расчетов выбрали сталь 20 толщиной 6 мм. Рассматривалось регулирование при сварке 1-го слоя 2-стороннего шва. Эталонный провар приняли Н0 = 0,6δ = 3,6 мм. Допускаемые отклонения от этой величины были выбраны ΔН0 = ±0,6 мм. Эталонному провару соответствует режим аргонодуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электродом без присадочной проволоки на прямой полярности дуги: U = 14,0 В, I = 275 А, Vс = = 0,25 см/с. Эталонная ширина шва В0 = 6,53 мм. В качестве регулирующего параметра была выбрана скорость сварки Vс. Начальная температура пластин Т0 = 20 ºС. По опытным значениям эталонных провара Н0 = 0,36 см и ширины шва В0 = 0,653 см и температуре плавления низкоуглеродистой стали TL = 1520 ºС по уравнению (2) были построены изолинии коэффициент К-коэффициент температуропроводности а и на точке пересечения изолиний получены расчетные значения К = = 5,39·10-2 (см3ºС)/(А·с) и а = 0,08 см2/с. Значение а совпало с рекомендуемым усредненным в работах [20, 21]. После этого уменьшили ток на 30 А до I = 245 А, скорость сварки Vc не изменилась. Рассчитали изменение коэффициента К1 = К·245 А от уменьшения тока до К1 = 13,2 (см3·ºС)/с. Расчетный провар уменьшился на ΔН0 = 0,5 мм. Задаваясь эталонным проваром, рассчитанными и принятыми коэффициентами, определяли с помощью уравнения (2) скорость сварки, позволяющую оставить провар Н0 неизменным. Получили Vс = 0,20 см/с. При сварке на новом режиме также получили эталонный провар. Выводы Предложена методика определения коэффициентов математической модели точечного источника тепла, действующего на поверхности пластины, по размерам шва, позволяющая с высокой точностью автоматически регулировать процесс сварки. Методику можно использовать при сварке стыковых соединений без разделки кромок без подачи и с подачей присадочной проволоки, так как при измерении провара и ширины шва учитывается влияние проволоки на распространение тепла при сварке.

About the authors

V. P Sidorov

Togliatti State University

A. V Melzitdinova

PEA APE TТC “Spectrum”

References

Statistics

Views

Abstract - 15

PDF (Russian) - 11

Refbacks

• There are currently no refbacks.