Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона
ЖЕРНОСЄКОВ Анатолій Максимович
УДК 681.513.1:621.791.037
СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОЇ СТАБІЛІЗАЦІЇ ПРОЦЕСУ
ІМПУЛЬСНО-ДУГОВОГО ЗВАРЮВАННЯ ПЛАВКИМ ЕЛЕКТРОДОМ
Спеціальність 05.13.07
“Автоматизація технологічних процесів”
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України.
Науковий керівник: кандидат технічних наук
Сидорець Володимир Миколайович,
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України,
старший науковий співробітник;
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник
,
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України,
старший науковий співробітник.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Богушевський Володимир Святославович,
Національний технічний університет України
“Київський політехнічний інститут”, професор
інженерно-фізичного факультету;
кандидат технічних наук
Долиненко Володимир Володимирович,
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона
НАН України, старший науковий співробітник.
Провідна установа: науково-виробнича корпорація “Київський інститут автоматики”
Міністерства промислової політики України, м. Київ.
Захист відбудеться “12” _квітня 2006 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою: 03680, Київ-150, МСП, вул. Боженка, 11.
З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою: 03680, м. Київ, вул. Боженка, 11.
Автореферат розісланий “3 ” березня 2006 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради
доктор технічних наук Л.С. Киреєв
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Значне місце серед перспективних дугових способів зварювання займає імпульсно-дугове зварювання плавким електродом (ІДЗПЕ). В теперішній час ІДЗПЕ одержало подальший розвиток і широко застосовується у багатьох галузях промисловості: аерокосмічній, суднобудівній, хімічній, транспортній. Існуюче устаткування для ІДЗПЕ є досить уніфікованим та не завжди може використовуватись для вирішення завдань автоматизації процесу.
Створення сучасних систем автоматичного керування параметрами ІДЗПЕ буде певним внеском до теорії автоматичного регулювання стосовно процесу імпульсно-дугового зварювання плавким електродом, що була започаткована у працях Б.Є. Патона, В.К. Лебедєва, П.П. Шейко та ряду інших авторів.
Актуальність теми. У виробничих умовах в процесі зварювання виникають збурення (коливання довжини вильоту електродного дроту, напруги мережі живлення та інші), які порушують стабільне протікання процесу ІДЗПЕ, що призводить до погіршення показників якості швів та зварних з’єднань. ІДЗПЕ характеризується багатьма параметрами, які можуть бути використані як керовані величини: частотою проходження імпульсів, тривалістю й амплітудами струму імпульсів та базового струму, швидкістю подачі електродного дроту. Тому актуальним є розв’язання проблем автоматичного керування і стабілізації параметрів ІДЗПЕ при дії різного роду збурних діянь як поодиноких, так і спільно діючих, а також розробка таких систем керування у залежності від теплофізичних властивостей матеріалів, що зварюються.
Застосування таких систем автоматичного керування найбільш перспективне при зварюванні відповідальних конструкцій у таких галузях промисловості України, як ракето- та суднобудування, трубопровідний транспорт.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відділі “Джерела живлення” Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України в рамках теми
№ 47/6 шифр 1.6.1.47.6 “Дослідження та розробка нових елементів технологій дугового зварювання електродом, що плавиться, на основі регулювання енергії та електромагнітного впливу джерела живлення на розплавлений метал електроду і зварювальної ванни”, виконаної згідно з Постановою Бюро ВФТПМ НАН України (протокол № 7 від 20.04.2000 року) і теми
№ 47/7 шифр 1.6.1.47.7 “Розробити електротехнічні засоби підвищення стабільності процесу і показників якості з’єднань при зварюванні плавким електродом ”, виконаної згідно з Постановою Бюро ВФТПМ НАН України (протокол № 3 від 04.03.2003 року). У зазначених темах здобувач був виконавцем розділів, що пов’язані з розробкою та дослідженням систем автоматичної стабілізації при ІДЗПЕ алюмінієво-магнієвих сплавів і вуглецевих, низьколегованих сталей.
Мета і завдання дослідження. Метою роботи є створення систем автоматичної стабілізації процесу імпульсно-дугового зварювання плавким електродом для підвищення якості зварних швів та з’єднань в умовах дії збурень.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні наукові і прикладні завдання:
– дослідити і проаналізувати вплив збурних діянь на процес ІДЗПЕ як об’єкту автоматичного регулювання;
– визначити керовані величини, що відповідальні за показники якості та найбільш ефективні керуючі діяння в залежності від теплофізичних властивостей зварювальних матеріалів;
– розробити математичну модель “джерело живлення – дуга з плавким електродом – система регулювання”, визначити передавальні функції об’єкту регулювання та дослідити стійкість систем автоматичної стабілізації;
– розробити одно - та двоканальні системи автоматичної стабілізації процесу імпульсно-дугового зварювання, які дозволяють підвищити якість зварювання сталей та алюмінієво-магнієвих сплавів, виробити рекомендації по їх застосуванню.
Об’єкт дослідження – процес імпульсно-дугового зварювання плавким електродом.
Предмет дослідження – системи автоматичної стабілізації процесу імпульсно-дугового зварювання плавким електродом.
Методи дослідження. У роботі використовувалися методи математичного моделювання об’єктів регулювання, методи та критерії теорії автоматичного управління, зокрема логарифмічний частотний критерій стійкості та алгебричний критерій стійкості Гурвіца. Запропонована математична модель була використана для подальшого комп’ютерного моделювання та отримані передавальні функції ланок систем і об’єкту регулювання. Дослідження ефективності розроблених систем автоматичної стабілізації процесу ІДЗПЕ при дії різних збурень вивчалося за допомогою осцилографування, а також вимірювальних приладів високого класу точності. При визначенні якості металу швів проводили металографічні дослідження та випробування механічних властивостей зварних з’єднань.
Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в наступному:
1. Вперше запропоновано двоканальну систему автоматичної стабілізації процесу імпульсно-дугового зварювання плавким електродом з керуючими діяннями на частоту імпульсів, що генерує джерело живлення дуги, та на швидкість подачі електродного дроту.
2. Одержали подальший розвиток принципи управління процесом імпульсно-дугового зварювання по середнім значенням напруги на дузі і зварювального струму, як інтегральним параметрам, що суттєво впливають на якісні показники зварних швів та з’єднань.
3. Вперше запропоновано побудову двоканальних систем автоматичної стабілізації процесу імпульсно-дугового зварювання плавким електродом в залежності від теплофізичних властивостей зварювальних матеріалів, що дозволяє враховувати вплив на процес зварювання найбільш значущих керованих величин, а саме:
– для сталей з каналом стабілізації середнього значення напруги на дузі шляхом регулювання частоти імпульсів джерела живлення дуги, а другим каналом стабілізації середнього значення струму зварювання шляхом регулювання швидкості подачі електродного дроту;
– для алюмінієво-магнієвих сплавів стабілізація середніх значень напруги на дузі і струму зварювання здійснюється за рахунок регулювання швидкості подачі зварювального дроту та частоти імпульсів джерела живлення дуги відповідно.
Практичне значення одержаних результатів.
1. Застосування двоканальних систем автоматичної стабілізації при ІДЗПЕ вуглецевих, низьколегованих сталей типу Ст3сп, 09Г2С, 14Г2 та алюмінієво-магнієвих сплавів типу АМг6 забезпечує високу якість зварних швів та з’єднань при дії як поодиноких збурних діянь, так і їх комплексі, зокрема при зниженні напруги живлячої мережі, збільшенні вильоту електродного дроту.
2. Системи автоматичної стабілізації розроблені у вигляді блоків і окремих плат, які підключаються до устаткування для ІДЗПЕ (імпульсних джерел живлення дуги, наприклад, И-169 та механізмам подачі електродного дроту), що суттєво розширює його функціональні можливості. Принципи побудови систем можуть використовуватися при створенні аналогічного за призначенням зварювального устаткування.
3. Розроблені системи автоматичної стабілізації використані при ІДЗПЕ конструкцій літальних апаратів із сплаву АМг6 завтовшки до 70 мм на ДК НВЦ ім. М.В. Хрунічева м. Москва (Росія). Цей досвід може бути корисним при імпульсно-дуговому зварюванні плавким електродом на аерокосмічних, суднобудівних підприємствах та трубопровідному транспорті України.
4. Розроблена математична модель “джерело живлення – дуга з плавким електродом – система автоматичної стабілізації” може бути рекомендована для використання в учбовому процесі при підготовці спеціалістів по автоматизації зварювального виробництва.
Особистий внесок здобувача. Викладені в дисертації наукові положення і результати отримані автором особисто. У наукових працях, що опубліковані у співавторстві, здобувачу належить: [1] – запропонована двоканальна система автоматичної стабілізації ІДЗПЕ алюмінієво-магнієвих сплавів та експериментально вивчена її ефективність при дії збурень по вильоту електродного дроту; [2,5] – розробка підходів до побудови систем автоматичної стабілізації (САС) для матеріалів з різними теплофізичними властивостями в умовах дії збурень; [3,4] – запропоновано підхід до побудови САС вуглецевих сталей та методика перевірки її ефективності щодо ІДЗПЕ при зміні вильоту електродного дроту, напруги живлячої мережі, комплексної дії збурень; [7] – експериментальні дослідження двоканальної САС при механізованому ІДЗПЕ вуглецевих сталей; [8] – розробка математичної моделі керованих величин; [9] – експериментальні дослідження ефективності САС при ІДЗПЕ стикових з’єднань сплаву АМг6М. Робота [6] написана самостійно, де досліджуються геометричні параметри швів на сталі 14Г2 при дії збурень по вильоту електродного дроту з застосуванням САС.
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи були представлені на науково-технічному семінарі “Прогрессивные технологии сварки в промышленности” (Київ, 2003), шостій міжнародній науково-технічній конференції “Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка” (Бєларусь, Мінськ, 2004), науково-технічному семінарі “Прогрессивные технологии в машиностроении и приборостроении” (Запоріжжя, 2004), науково-практичному семінарі “Повышение надежности сварных соединений при монтаже и ремонте технологического оборудования в энергетике” (Київ, 2004). Дисертаційна робота розглянута на технологічному семінарі в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України у 2005 р.
Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 9 робіт: 5 статей в фахових наукових журналах та 4 тези доповідей на конференції і семінарах.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, переліку літературних джерел із 112 найменувань та одного додатка. Робота викладена на 184 сторінках. Загальний обсяг дисертації складає 110 сторінок машинописного тексту, 99 рисунків і 12 таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, а також сформульована мета і завдання дослідження, розкриті наукова новизна, практична значимість та дається загальна характеристика роботи.
В першому розділі виконано аналіз літератури щодо шляхів розвитку автоматизації процесу ІДЗПЕ. П.П. Шейко досліджував роботу системи автоматичного керування крапельним переносом металу при аргоно-дуговому зварюванні плавким електродом, у тому числі із зворотним зв'язком по енергії, що виділяється на електроді. В.М. Павшук, П.П. Шейко створили і всебічно перевірили у виробничих умовах імпульсне джерело живлення з новою ступінчастою формою імпульсів та плавним регулюванням частоти, амплітуди і тривалості імпульсів, що дає можливість будувати на його основі системи автоматизації процесу ІДЗПЕ.
Концепція синергетичного ІДЗПЕ, яка розроблена в Британському інституті зварювання, дозволяє створювати джерела живлення з оптимізованим настроюванням параметрів ІДЗПЕ і програмуванням режиму зварювання в залежності від матеріалу, діаметру зварювального дроту, виду захисного газу. Існують також підходи до автоматизації ІДЗПЕ, що ґрунтуються на великому банку даних параметрів зварювання, оптимізації вимірювальних контурів з використанням зворотних зв’язків. Однак ці підходи не враховують теплофізичні властивості матеріалів, що зварюються в умовах збурень та зміну двох взаємозв’язаних через зварювальну дугу параметрів – струму та напруги. Попередній аналіз показав, що зміна середніх значень напруги на дузі і зварювального струму при зварюванні алюмінієво-магнієвих сплавів або сталей суттєво впливає на геометричні параметри швів, а також імовірність появи різних дефектів.
На основі критичного аналізу існуючих підходів до автоматизації процесу ІДЗПЕ сформульовані мета і завдання дослідження.
Другий розділ присвячений експериментальному дослідженню впливу збурних діянь на середні значення напруги на дузі і зварювального струму і, як наслідок, на якісні показники швів. Розроблена методика проведення дослідження збурень на процес ІДЗПЕ.
Зниження напруги живлячої мережі призводить до порушення крапельного переносу металу, підвищеному розбризкуванню (Кр) та нерівномірного формування металу швів (рис. 1).
На рис. 2 представлені залежності геометричних параметрів швів: ширини шва (В), глибини проплавлення (h), висоти опуклості (а) від середніх значень напруги на дузі і зварювального струму (Uсер та Iсер). В залежності від теплофізичних властивостей зварювального матеріалу вплив параметрів Uсер та Iсер на показники якості швів різний. Так, наприклад, для сталей вплив Iсер на глибину проплавлення менш суттєвий, чим для алюмінієво-магнієвого сплаву.
При ІДЗПЕ сталей збільшення відстані між мундштуком і виробом (lw) приводить до значно більших змін Uсер та Iсер, ніж на алюмінієво-магнієвих сплавах, що обумовлено різними теплофізичними властивостями матеріалів.
Аналіз впливу збурних діянь на керовані величини та якісні показники металу швів в залежності від теплофізичних властивостей матеріалів, що зварюються, дозволив вибрати керуючи діяння та базові блок-схеми для побудови двоканальних систем автоматичної стабілізації (рис. 3).
Джерела живлення для ІДЗПЕ мають багато параметрів регулювання, але найбільш доцільним є частотне регулювання, при якому не порушується перенос металу за принципом “1 імпульс – 1 крапля”. Запропоновано будувати двоканальні системи автоматичної стабілізації по середнім значенням напруги на дузі і зварювального струму:
– для сталей з каналом стабілізації Uсер шляхом регулювання частоти імпульсів джерела живлення дуги та каналом стабілізації Iсер шляхом регулювання швидкості подачі зварювального дроту;
– для алюмінієво-магнієвих сплавів з каналами стабілізації Iсер та Uсер шляхом регулювання частоти імпульсів джерела живлення дуги і швидкості подачі зварювального дроту відповідно.
У третьому розділі проведено математичне та комп’ютерне моделювання системи “джерело живлення – дуга з плавким електродом – система стабілізації”, знайдено передавальні функції систем автоматичної стабілізації та досліджена їх стійкість.
Канонічна форма диференціальних рівнянь, які описують систему “джерело живлення – дуга з плавким електродом” з допущенням, що етапи нагріву вильоту електрода і його плавлення достатньо відособлені один від одного таким чином, що кінцеві умови нагріву є початковими умовами для плавлення; довжина зони плавлення мала у порівнянні з довжиною вильоту електродного дроту, а також крапельного переносу металу, що має місце при ІДЗПЕ може бути записана у вигляді:
, (1)
де l – довжина дуги; t – час; S – площа поперечного перерізу електродного дроту; UA – прианодне падіння напруги з урахуванням потенціалу виходу; i – зварювальний струм; с – питомий електричний опір металу електроду; г – густина металу електроду; q = c(Tmelt – T0) + л – параметр, що визначає теплофізичні властивості металу електродного дроту; с – питома теплоємність металу електроду; Tmelt – температура плавлення металу електроду; T0 – температура нагріву металу електроду; л – питома теплота плавлення металу електроду;
L – індуктивність джерела живлення та кабелів; Uхх – напруга холостого ходу джерела живлення за винятком суми приелектродних падінь напруги; Rs – активний опір джерела живлення та кабелів; E – напруженість електричного поля в стовпі дуги.
Розіб’ємо змінні і параметри, що входять у ці рівняння, на основні змінні, змінні керування і змінні збурень. Тоді, зробивши перетворення Лапласа, і вирішуючи перше рівняння (1) для приростів довжини дуги, а друге для приростів струму одержуємо:
; (2) . (3)
У приведених формулах передавальні функції ланок мають наступний вид табл.1.
Таблиця 1
Передавальні функції ланок
|
Передавальна функція |
Назва “вхід – вихід” |
Математичний вираз |
|
“струм дуги – довжина дуги” |
||
|
“швидкість подачі дроту – довжина дуги” |
||
|
“відстань між мундштуком і виробом – довжина дуги” |
||
|
“довжина дуги – струм дуги” |
||
|
“напруга холостого ходу – струм дуги” |
||
|
“відстань між мундштуком і виробом – струм дуги” |
Знайдені передавальні функції використовувались для побудови структурних схем рис. 4, 5.
Рис. 4. Структурна схема “джерело живлення – зварювальна дуга з плавким електродом”.
а б
Рис. 5. Структурна схема системи “джерело живлення – зварювальна дуга з плавким електродом” при наявності зворотних зв’язків по середній напрузі на дузі та зварювальному струму: а – сталей; б – алюмінієво-магнієвих сплавів; WUU, WDr – передавальні функції відповідно імпульсного джерела живлення дуги та механізму подачі зварювального дроту;
WFBU, WFBI – передавальні функції відповідно вимірювальних ланок середніх значень напруги на дузі та зварювального струму.
Матрична передавальна функція дуги з плавким електродом як елемента двоканальної системи має вигляд
. (4)
Матричні передавальні функції для структурних схем за винятком дуги для обох систем автоматичної стабілізації відрізняються лише наявністю або відсутністю перехресних зв'язків рис. 5:
; (5)
. (6)
Матричні передавальні функції для зворотних зв’язків однакові для обох систем:
. (7)
Остаточний вид із урахуванням зворотних зв'язків матрична передавальна функція має такий:
, (8)
де I – одинична матриця.
Дослідження стійкості систем проводилося за допомогою критерію стійкості Гурвіца. Для досліджуваних двоканальних систем характеристичне рівняння виходить з умови:
, (9)
як чисельник цієї дрібно-раціональної функції відносно p.
Аналітичні дослідження стійкості двоканальних систем показали достатній збіг з дослідженнями стійкості чисельними методами.
Четвертий розділ присвячений принципам функціонування розроблених САС та дослідженням їх ефективності при дії різних збурень. При регулюванні по частоті імпульсів джерела живлення, наприклад, зварювального струму (рис. 6) мають місце вирази:
, (10)
, (11)
, (12)
де t0 – тривалість періоду імпульсів при номінальному струмі на шунті i0ш; t1 – тривалість періоду при зменшенні струму на шунті i1ш; t2 – тривалість періоду при зростанні струму на шунті i2ш; Iош.сер, I1ш.сер, I2ш.сер – проінтегровані значення струму шунта.
Підвищення або зменшення струму зварювання при дії збурень приводить до зменшення або збільшення частоти імпульсів струму таким чином, що підтримується задане значення струму, а стабілізація Uсер при цьому здійснюється за рахунок регулювання швидкості подачі зварювального дроту.
Зміна середніх значень Uсер та Iсер при збільшенні lw призводить до нестабільності геометричних параметрів металу швів. На рис. 7 приведено залежності геометричних параметрів швів при застосуванні САС. Наплавлення виконувалось на пластинах із сталі 14Г2 товщиною 16 мм, дріт Св-08Г2С діаметром 1,2 мм, суміш захисних газів 82 % Аr + 18% СО2. При збільшенні струму зварювання збурення по вильоту призводять до значних змін геометричних параметрів швів. Двоканальна САС Uсер та Iсер краще стабілізує геометричні параметри, ніж одноканальна САС Uсер, зокрема по ширині швів (рис. 7, а).
При зниженні напруги живлячої мережі, що має місце, наприклад, при включенні потужних кранів або контактних машин, порушується принцип ІДЗПЕ: “1 імпульс – 1 крапля”, виникають короткі замикання (рис. 8, а), що негативно позначається на якості металу шва (рис. 8, в).
Застосування двоканальної САС дозволяє при таких збуреннях уникати коротких замикань
(рис. 8, б) та одержувати якісні шви із стабільними геометричними параметрами (рис. 8, г).
Досить часто у виробництві має місце комплексна дія збурень – зниження напруги живлячої мережі, коливання довжини вильоту електродного дроту, депланації (рис. 9, а). Такий вплив на процес ІДЗПЕ призводить до коливань Uсер та Iсер (рис. 9, б), підвищення розбризкування та суттєвого погіршання якості металу шва (рис. 10, а). Ефективність застосування двоканальних САС полягає у стабілізації Uсер та Iсер та одержанні якісних швів (рис. 9, в, 10, б).
Застосування двоканальних систем автоматичної стабілізації на алюмінієво-магнієвому сплаві АМг6 при комплексній дії збурень (підвищенні довжини вильоту електродного дроту та зменшенні напруги живлячої мережі) довело ефективність запропонованих підходів при розробці САС. В табл. 2, 3 приведено режими ІДЗПЕ стикових з’єднань алюмінієво-магнієвого сплаву АМг6М товщиною 6 мм та їх механічні властивості.
Таблиця 2
Режими ІДЗПЕ стикових з’єднань сплаву АМг6М
|
Режим |
Напруга живлячої мережі, В |
Довжина lw, мм |
Середня напруга Uсер , В |
Середній струм Iсер, А |
Частота імпуль- сів F, Гц |
Швидкість подачі дроту v, м/год |
|
номінальний |
376…400 |
14 |
21,4…21,8 |
190…195 |
117 |
372 |
|
без САС |
342…354 |
24 |
18,5…19,5 |
170…176 |
117 |
372 |
|
САС Iсер та Uсер |
342…354 |
24 |
21,4…21,6 |
190...191 |
140…156 |
355…372 |
Таблиця 3
Механічні властивості стикових зварних з’єднань сплаву АМг6М
|
Режим |
Тимчасовий опір розриву уВ, МПа |
_$__@_______ЮЪградусів |
Ударна в'язкість KCV, Дж/см2 |
|
номінальний |
318…328 324,2 |
40…52 47,6 |
18…20,7 19,7 |
|
без САС |
190…220 209,5 |
13…55 33 |
13,3…14,6 13,7 |
|
САС Iсер та Uсер |
308,3…332,3 317 |
25…48 39,6 |
19,2…20,6 19,8 |
При цьому залишалися постійними наступні параметри: швидкість зварювання – 32 м/год, тривалість імпульсів струму – 2,1 мс.
З табл. 3 видно, що при ІДЗПЕ алюмінієво-магнієвого сплаву АМг6М в умовах дії збурень застосування САС дозволяє одержувати механічні показники металу швів на достатньо високому рівні.
Експериментальні дослідження розроблених САС процесу ІДЗПЕ в умовах дії різних збурень доводять ефективність запропонованих підходів до їх побудови та адекватність моделювання.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі отримала подальший розвиток теорія автоматичного керування процесами імпульсно-дугового зварювання плавким електродом. Одержано нові теоретичні та практичні результати, які є істотними для побудови систем автоматичної стабілізації процесу ІДЗПЕ:
1. Встановлено, що на якість металу швів при імпульсно-дуговому зварюванні плавким електродом суттєво впливають коливання середніх значень напруги на дузі та зварювального струму, які вибрані як керовані величини при розробці систем автоматичної стабілізації параметрів процесу.
2. Для зварювання матеріалів з різними теплофізичними властивостями, наприклад, вуглецевих сталей або алюмінієво-магнієвих сплавів в умовах дії збурень найбільш доцільним і ефективним є застосування вперше запропонованих та реалізованих двоканальних систем автоматичної стабілізації процесу імпульсно-дугового зварювання плавким електродом:
– для сталей каналу стабілізації середнього значення напруги на дузі з керуючою дією на частоту джерела живлення дуги та каналу стабілізації середнього значення зварювального струму шляхом впливу на швидкість подачі зварювального дроту;
– для алюмінієво-магнієвих сплавів каналу стабілізації середнього значення зварювального струму шляхом впливу на частоту джерела живлення дуги та каналу стабілізації середнього значення напруги на дузі з керуючою дією на швидкість подачі зварювального дроту.
3. Розроблена математична модель системи “джерело живлення – дуга с плавким електродом – система автоматичної стабілізації” із врахуванням нелінійностей теплофізичних величин, яка адекватно описує електричні та енергетичні параметри зварювального процесу, дозволяє визначити передавальні функції елементів системи і провести аналіз стійкості САС.
4. Встановлено, що застосування розроблених двоканальних систем автоматичної стабілізації середніх значень напруги на дузі та зварювального струму при дії збурень дозволяє суттєво поліпшити геометричні параметри швів, а також їх макро - та мікрооднорідність на вуглецевих, низьколегованих сталях та алюмінієво-магнієвих сплавах.
5. Застосування двоканальних САС при ІДЗПЕ в умовах комплексної дії збурень дозволяє одержувати якісні зварні з’єднання з рівнем механічних властивостей, що були отримані на режимах без збурень, зокрема при імпульсно-дуговому зварюванні плавким електродом сталі 09Г2С або алюмінієво-магнієвого сплаву АМг6.
6. Запропоновані підходи до реалізації САС можна рекомендувати для використання при розробці аналогічного за призначенням зварювального устаткування з метою підвищення ефективності та розширення його функціональних можливостей.
7. Результати виконаних в дисертаційній роботі досліджень впроваджені при багатопрохідному ІДЗПЕ конструкцій відповідального призначення із сплаву АМг6 та можуть знайти застосування у зварювальному виробництві на підприємствах аерокосмічного, суднобудівного та трубопровідного комплексів України.
СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Стабилизация процесса импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом / Б.Е. Патон, П.П. Шейко, А.М. Жерносеков, Ю.О. Шимановский // Автоматическая сварка. – 2003. – № 8. – С. 3–6.
2. Стабилизация энергетических параметров процесса импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом / П.П. Шейко, А.М. Жерносеков, Ю.О. Шимановский, В.В. Андреев // Материалы научно-технического семинара “Прогрессивные технологии сварки в промышленности” (Киев, 20–22 мая 2003 г.). – Киев: УНЦ “НАУКА. ТЕХНИКА. ТЕХНОЛОГИЯ”, 2003. – С. 39–40.
3. Шейко П.П., Жерносеков А.М., Шимановский Ю.О. Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом с автоматической стабилизацией параметров режимов // Автоматическая сварка. – 2004. – № 1. – С. 8–11.
4. Шейко П.П., Жерносеков А.М., Шимановский Ю.О. Использование обратных связей для улучшения показателей качества импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом // Материалы докладов 6-й международной научно-технической конференции “Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка” (Беларусь, Минск, 6– 7 апреля 2004 г.). – Минск: ОДО “Тонпик”, 2004. – С. 342–343.
5. Шейко П.П., Жерносеков А.М., Шимановский Ю.О. Основные принципы автоматической стабилизации параметров процесса импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом // Материалы научно-технического семинара “Прогрессивные технологии в машиностроении и приборостроении” (Запорожье, 18–19 мая 2004 г.). – Киев: АТМ Украины, 2004. – С. 114–115.
6. Жерносеков А.М. Влияние вылета электрода на параметры шва при импульсно-дуговой сварке сталей // Автоматическая сварка. – 2004. – № 8. – С. 52–53.
7. Шейко П.П., Жерносеков А.М., Шимановский Ю.О. Эффективность применения импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом в условиях производственных возмущений // Тезисы докладов научно-практического семинара “Повышение надежности сварных соединений при монтаже и ремонте технологического оборудования в энергетике”(Киев 12-15 октября 2004г.).– Киев: ГВП “Экотехнология”, 2004. – С. 13–14.
8. Сидорец В.Н., Жерносеков А.М. Численное моделирование системы источник питания – дуга с плавящимся электродом // Автоматическая сварка. – 2004. – № 12. – С. 10– 16.
9. Применение двухканальной системы автоматической стабилизации процесса импульсно-дуговой сварки для улучшения качества соединений / П.П. Шейко, А.М. Жерносеков, А.В. Ло-
зовская, Ю.О. Шимановский // Автоматическая сварка. – 2005. – № 6. – С. 23–26.
АНОТАЦІЯ
Жерносєков А.М. “Системи автоматичної стабілізації процесу імпульсно-дугового зварювання плавким електродом”. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю
05.13.07 – “Автоматизація технологічних процесів”. – Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2006 р.
Дисертація присвячена створенню та дослідженню систем автоматичної стабілізації (САС) процесу імпульсно-дугового зварювання плавким електродом (ІДЗПЕ) матеріалів з різними теплофізичними властивостями в умовах дії збурень.
На основі теоретичних та експериментальних досліджень, а також аналітичного і чисельного моделювання розроблені двоканальні САС середніх значень напруги на дузі і зварювального струму з застосуванням зворотних зв’язків та керуючими діяннями як на частоту імпульсів джерела живлення дуги, так і на швидкість подачі зварювального дроту.
Практичне застосування розроблених САС дозволяє одержувати якісні показники металу швів при ІДЗПЕ на рівні показників, що одержані без збурень.
Ключові слова: системи автоматичної стабілізації, зворотні зв’язки, імпульсно-дугове зварювання, плавкий електрод, збурні діяння, середні значення напруги на дузі, середні значення зварювального струму, якість металу швів.
АННОТАЦИЯ
Жерносеков А.М. “Системы автоматической стабилизации процесса импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом”. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности
05.13.07 – “Автоматизация технологических процессов”.– Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2006 г.
Диссертация посвящена созданию и исследованию систем автоматической стабилизации (САС) процесса импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом (ИДСПЭ) материалов с различными теплофизическими свойствами в условиях действия возмущений.
Качество металла швов при импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом существенно зависит от средних значений напряжения на дуге и сварочного тока, которые выбраны в качестве регулируемых величин при разработке систем автоматической стабилизации параметров процесса.
Для сварки материалов с различными теплофизическими свойствами, например, углеродистых, низколегированных сталей или алюминиево-магниевые сплавов в условиях действия возмущений перспективным является применение впервые предложенных и реализованных двухканальных систем автоматической стабилизации процесса импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом с использованием обратных связей: для сталей – канала стабилизации среднего значения напряжения на дуге путем воздействия на частоту следования импульсов источника питания дуги и канала стабилизации среднего значения тока сварки с воздействием на скорость подачи электродной проволоки; алюминиево-магниевых сплавов – с использованием канала стабилизации среднего значения тока сварки при воздействии на частоту следования импульсов источника питания, а также канала стабилизации средних значений напряжения на дуге с воздействием на скорость подачи сварочной проволоки.
Разработанная математическая модель системы “источник питания дуги – дуга с плавящимся электродом – система автоматической стабилизации” с учетом нелинейностей теплофизических величин адекватно описывает электрические и энергетические параметры сварочного процесса и позволяет определить передаточные функции элементов системы и провести анализ устойчивости САС. Предложенная модель позволяет разрабатывать блоки, моделирующие электрическую дугу с плавящимся электродом в математическом пакете компьютерных программ.
Экспериментально установлена эффективность двухканальных САС при ИДСПЭ сталей Ст3сп, сталь 25, 14Г2, 09Г2С или алюминиево-магниевых сплавов АМг6, АМг6М в условиях действия возмущений по вылету электродной проволоки, напряжению питающей сети, комплексному действию факторов возмущения. При сварке углеродистых, низколегированных сталей САС компенсируют напряжение на дуге, вызванное снижением напряжения питающей сети, устраняют возможные короткие замыкания и вызванные ими разбрызгивание металла. Увеличение вылета сопровождается появлением на сталях закалочных структурных составляющих, а на алюминиево-магниевых сплавах пор и макроструктурных неоднородностей в виде центрального кристаллита, что снижает качество сварных соединений. Применения САС позволяет получать механические свойства металла швов, выполненных при действии возмущений, на уровне свойств без возмущений, в том числе при ИДСПЭ конструкций ответственного назначения.
Системы автоматической стабилизации в виде отдельных блоков и плат перспективно использовать с серийными импульсными источниками питания дуги и механизмами подачи сварочной проволоки, что расширяет функциональные возможности оборудования для ИДСПЭ.
Ключевые слова: системы автоматической стабилизации, обратные связи, импульсно-дуговая сварка, плавящийся электрод, возмущающие воздействия, среднее значение напряжения на дуге, среднее значение сварочного тока, качество металла швов.
SUMMARY
Zhernosekov А.М. “Automatic stabilisation systems of the process of consumable electrode pulsed-arc welding”. – Manuscript.
Abstract of a thesis for the scientific degree of candidate of engineering sciences in the speciality 05.13.07 – “Automation of technological processes”. – E.O. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2006.
The thesis is devoted to design and research of automatic stabilisation systems (ASS) of the process of consumable electrode pulsed-arc welding (Pulse MIG/MAG) of materials with different thermophysical properties under the conditions disturbance factor action.
On the basis of analytical and numerical modelling two-channel ASS of average values of voltage drop and arc current were designed with application of feedback and control actions both on power source frequency and welding wire feed rate.
Practical application of the designed ASS provides quality characteristics of consumable electrode pulsed arc welding process and weld metal on the level of parameters, obtained without disturbances.
Keywords: automatic stabilisation systems, feedback’s, pulsed-arc welding, consumable electrode, disturbance factors, average value of arc voltage, average value of arc current, weld metal quality.
Підписано до друку 14.02.2006 р. Формат 60х90/16. Папір офс. № 1. Офс. друк.
Ум. друк. арк. 1,15. Ум. фарбо-відб. 1,01. Тираж 120 прим. Зам. 6904
ПОД ІЕЗ ім. Є.О. Патона, 03680, Київ-150, МСП, вул. Антоновича, 69.