CC BY
15УДК 6
Victor G. Harazov, Vitaliy Yu. Kozhevnikov
ANALYSIS OF AUTOMATED ARC WELDING BY NON-MELTING ELECTRODE IN PROTECTIVE GASES
St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr. 26, St. Petersburg, 190013, Russia e-mail: [email protected]
Process of the automated arc welding in argon by not melting electrode with giving of an additive wire of specialized products, mainly to the equipment for orbital welding is in detail considered. Specialized products are meant as the pipelines of small diameter which are applied at assembly of rockets. Having analyzed installations on the automated arc welding in protective gases not melting electrode, parameters of management and ways of their adjustment, for receiving high-quality welded connection without educations and defects are revealed. The block diagram of installation on the automated arc welding in argon by not melting electrode and the principle of work of the block diagram is submitted. Making a start from parameters of process of the automated arc welding in argon, specifics of the device and the principle of work of the block diagram, the general algorithm and the program of welding process is made and its separate parts are in detail considered. The algorithm and the device of installation allow to form the operating influences in real time maintaining high quality of a welded seam. The sequence of operations of algorithm and the program are checked on production base therefore the cyclogram of work of the program is received. Improvement of quality of a welded seam when welding not rotary ring seams of pipelines of small diameter due to inclusion in process of welding of adaptive system is result of work.
Keywords: an automated control system, algorithm of automated management, welding in protective gases, automated welding process, the adaptive systems, welding by not melting electrode, orbiting welding.
.. 791.
В.Г. Харазов1, В.Ю. Кожевников2
АНАЛИЗ ПРОЦЕССА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТОРОДОМ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр. 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия e-mail: [email protected]
Подробно рассмотрен процесс автоматизированной дуговой сварки специализированных изделий в аргоне неплавящимся электродом с подачей присадочной проволоки. Под специализированными изделиями подразумеваются трубопроводы малого диаметра, применяющиеся при сборке ракет. Проанализировав установки по автоматизированной дуговой сварке в защитных газах неплавящимся электродом, выявлены параметры управления и способы их регулировки, для получения качественного сварного соединения без образований и дефектов. Представлена структурная схема установки по автоматизированной дуговой сварке в аргоне неплавящимся электродом и принцип работы структурной схемы. Отталкиваясь от параметров процесса автоматизированной аргонодуговой сварки, специфики устройства и принципа работы структурной схемы, составлен общий алгоритм и программа сварочного процесса и подробно рассмотрены его отдельные части. Алгоритм и устройство установки позволяют формировать управляющие воздействия в режиме реального времени поддерживающие хорошее качество сварного шва. Последовательность операций алгоритма и программы проверены на производственной базе, в результате чего получена циклограмма работы программы. Результатом работы является повышение качества сварного шва при сварке неповоротных кольцевых швов трубопроводов малого диаметра за счет включения в процесс сварки адаптивной системы.
Ключевые слова: автоматизированная система управления, алгоритм автоматизированного управления, сварка в защитных газах, автоматизированный сварочный процесс, адаптивные системы, сварка неплавящимся электродом, орбитальная сварка.
Существует множество автоматизированных сварочных установок, каждая из которых выполняет определенные функции и решает поставленные для установки задачи. Встречаются автоматизированные установки для сварки продольных швов, для внешней и внутренней сварки кольцевых швов, а также установки для сварки швов со сложной геометрией. В данной работе рассматривается установка для автоматизированной аргонодуговой сварки неплавящимся электродом кольцевых швов трубопровода с малым диаметром из нержавеющей стали.
Проанализировав конструкционные особенности автоматизированных установок по аргонодуговой сварке,
параметры тока и напряжения, вольтамперные характеристики дуги, основные режимы аргонодуговой сварки, методы адаптивного управления, принципы триангуляционных измерений можно сказать [1-6]:
- основными параметрами для регулирования формы сварного шва при автоматизированной аргоно-дуговой сварке следует считать скорость сварки, ширину зазора между свариваемыми поверхностями и силу тока дуги;
- для обеспечения мониторинга и обратной связи с устройством обработки информации предлагается использование триангуляционного датчика;
1 Харазов Виктор Григорьевич, д-р техн. наук, профессор, каф. автоматизации процессов химической промышленности, e-mail: [email protected]
Victor G. Harazov, Dr Sci. (Eng.), Professor, Head of the department Chemical Engineering Control
1 Кожевников В.Ю., аспирант, каф. автоматизации процессов химической промышленности, e-mail: [email protected] Vitaliy Yu. Kozhevnikov, Post-graduate Student, Department Chemical Engineering Control
Дата поступления - 20 февраля 2016 года
- наличие адаптивного управления предполагает сложную систему алгоритмов управления сварочным процессом.
Рисунок 1 отображает структурную схему орбитальной автоматической сварки в защитных газах непла-вящимся электродом. Структурная схема включает в себя программируемый логический контроллер (ПЛК) (1), к которому на входы подключены триангуляционный датчик (2) и датчик тока (3). ПЛК формирует выходные сигналы, поступающие на пневматический клапан, управляющий расходом газа (4), на электропривод (5) перемещения манипулятора (6), со сварочной горелкой (7), на механизм подачи присадочной проволоки (8), на электропривод (9) вращения шпиндельной бабки (10). Сварочная горелка подключена к источнику питания (11).
Рисунок 1. Структурная схема орбитальной автоматической сварки в защитных газах неплавящимся электродом
Функции регулятора и устройства адаптации выполняет ПЛК (1), который получает данные с первичного преобразователя - триангуляционного датчика (2) и от датчика тока дуги (3). После обработки полученных данных ПЛК осуществляет управление: расходом газа (4), положением манипулятора (6), механизмом подачи проволоки (8) и приводом шпиндельной бабки (10). Триангуляционный датчик (2) следит за образованием сварного шва во время сварки, и обработанные данные посылает на ПЛК, который содержит заданные параметры сварки и сварного шва. Если возникает рассогласование с заданными параметрами, ПЛК формирует управляющие воздействия на объект управления [7].
Основная задача установки - обеспечение качественной сварки без дефектов за счет поддержания оптимальных параметров. Настройки и управление этими параметрами обеспечивает ПЛК посредством специальных алгоритмов и программ. Общий процесс сварки разделяется на два этапа: сварка корня шва и дополнительный провар шва с подачей присадочного материала. Сварка осуществляется за счет вращения свариваемой детали, а сама сварочная горелка находится в зафиксированном положении. Сварка заканчивается, когда деталь делает полный оборот. Для удобства хода сварочного процесса, он разделяется на 7 секторов. Каждый сектор сварки составляет угол 60° (1 сектор от 0° до 60°; 2 сектор от 60° до 120° и так далее), а на каждом из этих секторов происходит проверка и регулировка параметров сварки.
Общий процесс автоматизированной аргоноду-говой сварки осуществляется по алгоритму, представленному на рисунках 2-4. Для удобства алгоритм разделяется на несколько блоков. Регулировка параметров сварки - это отдельный алгоритм и отдельная подпрограмма, которые работают независимо в общем алгоритме автоматизированной сварки. Данную систему можно рассматривать как систему с прямой адаптацией.
На начальных этапах сварки (рисунок 2) осуществляется ввод исходных данных для дальнейшего хода автоматического сварочного процесса. Вводятся данные о фиксированных значениях выпуклости сварного шва, глубины проплавления, ширине зазора между свариваемыми поверхностями, сила тока дуги, скорость подачи присадочной проволоки, скорость сварки, скорость подачи защитного газа, значение величины диаметра электрода, дуговой промежуток. Дуговой промежуток - высота дуги, которая образуется между электродом и свариваемой поверхностью. На следующем этапе происходит управление положением горелки по горизонтальной оси относительно точки сварки и корректируется положение горелки по вертикали относительно точки сварки. Затем устанавливается заданный ранее дуговой промежуток, и происходит продувка свариваемой поверхности до сварки. После этого проверяется выполнение условия подачи присадочного материала. Если условие выполняется, то происходит переход на следующий этап сварки: установка дугового промежутка для повторного провара сварного шва. Если условие не выполняется, то проверяется следующее условие: нажата кнопка «Пуск» или нет. Если кнопка не нажата, то снова проверяется условие: нажата кнопка «Пуск» или нет. Если кнопка «Пуск» нажата, то проверяется следующее условие: нажата кнопка «Стоп» или нет. Если кнопка «Стоп» нажата, то проверяется условие: нажата кнопка «Стоп» или нет. Если кнопка «Стоп» не нажата, тогда выполняется следующий этап, который приведен на рисунке 3.
Рисунок 2. Общий алгоритм сварки
Начало
Ha'iaj эта ЬИЬН' 1Ы
tj = 0...15 с
troKa = 0...5 с
1д1 = 5-220 А
1д2 = 5—220 А
1дЗ = 5-220 А
]д4 = 5—220 А
1д5 = 5-220 А
1д6 = 5-220 А
1д7 = 5—220 А
« = 0-270°
1 г
тгока = 0—1U с
tup = 0...Ш с
Коне эта ева шыс ПЫ
1
к" ч ней
Рисунок 3. Алгоритм сварки корня шва
По истечении времени остановки вращения детали нарастает сварочный ток в заданном диапазоне и начинается сварка по секторам. Сварка первого сектора (/д1) осуществляется в диапазоне тока 5...220 VAC. Затем выполняется сварка 2.7 секторов(/д2... /дТ) в том же диапазоне силы тока. Следующие этапы алгоритма сварки: перекрытие сварного шва, уменьшение тока сварки, продувка после сварки. По заданным параметрам устанавливается дуговой промежуток, выполняется задержка детали, нарастает сварочный ток, начинается сварка 8-го сектора (/дв) в диапазоне тока 5.220 VAC, как показано на рисунке 4.
Рисунок 4. Алгоритм сварки основного шва
На данном этапе сварки возможно выявление рассогласования между заданными и фактическими параметрами, поэтому проверяется условие: сварной шов в заданных пределах или нет. Если сварной шов в допустимых пределах, то осуществляется переход к 9-му сектору сварки (/д9). Если нет, то выполняется корректировка параметров сварки. Корректировка проходит по специальному алгоритму, который отличается от общего алгоритма. Алгоритм корректировки по форме образования сварного шва представлен на рисунке 5.
Алгоритм работает по следующему принципу. Проверяется выполнение условия равенства выпуклости сварного шва по заданным значениям. Если условие выполняется, то проверяется выполнение условия равенства ширины сварного шва по заданным значениям. Если условие не выполняется, проверяется соответствие выпуклости сварного шва заданным значениям. Если выпуклость больше, уменьшается скорость сварки и снова проверяется данное условие. Если выпуклость сохраняется больше заданного значения, то скорость сварки уменьшается. Если нет, то осуществляется переход на следующий этап, на котором проверяется меньше ли выпуклость шва заданных пределов. Если выпуклость меньше, увеличивается скорость сварки и снова проверяется данное условие. Если выпуклость сохраняется меньше заданных значений, то скорость сварки увеличивается. Если нет, то выполняется этап проверки ширины сварного шва. Если условие выполняется, то происходит пе-
реход к блоку конечных этапов сварки. Если условие не выполняется, проверяется соответствие сварного шва заданным значениям. Если ширина больше, увеличивается скорость сварки и снова проверяется данное условие. Если ширина сохраняется больше заданного значения, то скорость сварки увеличивается. Если нет, то осуществляется переход на следующий этап, на котором проверяется меньше ли ширина шва заданных пределов. Если ширина меньше, уменьшается скорость сварки и снова проверяется данное условие. Если ширина сохраняется меньше заданных значений, то скорость сварки уменьшается. Если нет, то происходит переход к сварке 9 сектора. Во время сварки 9 сектора повторяется алгоритм корректировки по форме образования сварного шва, описанный выше, то есть выполняется контроль за формой образования сварного шва. Аналогично происходит сварка на 10...14 секторах (/дю./дм), после чего шов перекрывается, уменьшается сила тока сварки, выполняется продувка после сварки, задержка подачи присадочной проволоки, отвод проволоки от горелки. Конечный этап: вывод сварочной горелки в нулевое (исходное) положение.
Таблица 1. Программа сварки
Параметр Единицы Диапазон измерения
Точка сварки. Ось X мм -312...+30
Точка сварки. Ось Z мм -350...+15
Расход газа (горелка) л/мин 0.12
Расход газа (корень) л/мин 0.6
Расход газа (камера) л/мин 0.12
Продувка до сварки с 0.600
Выполнять сварку с подачей присадочной проволоки - да/нет
Скорость сварки об/с 3.120
Задержка вращения детали с 0...15
Нарастание тока сварки с 0...5
Ток сварочный. Сектор 1 А 5...220
Ток сварочный. Сектор 2 А 5...220
Ток сварочный. Сектор 3 А 5...220
Ток сварочный. Сектор 4 А 5...220
Ток сварочный. Сектор 5 А 5...220
Ток сварочный. Сектор 6 А 5...220
Ток сварочный. Сектор 7 А 5...220
Перекрытие шва угл. градус 0...270
Спад тока сварочного с 0...10
Продувка после сварки с 0...600
Выполнять сварку с подачей присадочной проволоки - да/нет
Скорость сварки об/с 3...120
Высота подъема горелки мм 0...2
Задержка вращения детали с 0...15
Нарастание тока сварки с 0...5
Ток сварочный. Сектор 8 А 5...220
Ток сварочный. Сектор 9 А 5...220
Ток сварочный. Сектор 10 А 5...220
Ток сварочный. Сектор 11 А 5...220
Ток сварочный. Сектор 12 А 5...220
Ток сварочный. Сектор 13 А 5...220
Ток сварочный. Сектор 14 А 5...220
Задержка подачи проволоки с 0...15
Скорость проволоки. Сектор 8 мм/с 1...30
Скорость проволоки. Сектор 9 мм/с 1...30
Скорость проволоки. Сектор 10 мм/с 1...30
Скорость проволоки. Сектор 11 мм/с 1...30
Скорость проволоки. Сектор 12 мм/с 1...30
Скорость проволоки. Сектор 13 мм/с 1...30
Скорость проволоки. Сектор 14 мм/с 1...30
Перекрытие шва угл. градус 0...270
Спад тока сварочного с 0...10
Продувка после сварки с 0...600
Задержка отвода проволоки с 0...20
Скорость отвода проволоки мм/с 1...30
Рисунок 5. Алгоритм адаптации по форме образования сварного шва
По вышеописанному алгоритму осуществляется программа сварки (таблица).
Последовательность операций программы сварки характеризуется циклограммой, представленной на рисунке 6, где: /св - сила тока дуги, Усв - скорость сварки, vп -скорость подачи присадочной проволоки,/1 - /13 - дуговой промежуток на каждом этапе сварочного процесса.
Рисунок 6. Циклограмма орбитальной автоматической сварки в защитных газах неплавящимся электродом: /св - сила тока дуги, усв - скорость сварки, уп - скорость подачи присадочной проволоки, Н - расстояние перемещения горелки, /1 - /13 - дуговой промежуток на каждом этапе сварочного процесса,ус1 - скорость сварки корня шва,ус2 - скорость повторного провара шва,у/8 - у/14 - скорость подачи
присадочной проволоки на 8-14 секторах сварки.
На циклограмме видно, что процесс сварки делится на два этапа: сварка корня шва и второй сварочный проход с подачей присадочного материала. Также из циклограммы видно в какой момент работы программы задействована сварочная горелка и сколько времени ей необходимо на перемещение и настройку, а также промежуток времени вращения шпиндельной бабки и время, когда происходит задержка вращения.
Выводы:
1. В данной работе представлено устройство для дуговой сварки неплавящимся электродом гнутых трубопроводов из нержавеющей стали малого диаметра для специализированных изделий. Главное отличие этого устройства отражается в наличии триангуляционного датчика для контроля качества сварного шва в режиме реального времени.
2. Проведен технический анализ, на основании которого разработан алгоритм, и программа сварки не-плавящимся электродом трубопроводов из нержавеющей стали с подачей присадочной проволоки с использованием адаптивного подхода к режиму сварки.
3. Последовательность операций программы сварки характеризуется циклограммой, которая проверена в условиях действующего производственного процесса.
Литература
1. Кожевников, В.Ю., Харазов В.Г. Автоматизированная дуговая сварка в защитных газах неплавящимся электродом // Сварка и диагностика. 2015. № 4. С. 18-22.
2. Харазов, В.Г. Интегрированные системы управления технологическими процессами. СПб.: Профессия, 2013. 656 с.
3. Виноградов В.С. Оборудование и технология дуговой автоматической и механизированной сварки. М.: Высшая школа, Академия, 1997. 78 с.
4. Гладков Э.А. Автоматизация сварочных процессов. Ч. I, II. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1976. 176 с.
5. Коринец И.Ф., Цзи Чжень Чун. Математическая модель технологической адаптации робота по зазору // Автоматическая сварка. 2002. № 9. С. 9-11.
6. Логвинов Р.В., Ерофеев В.А. Компьютерная модель дуги при сварке вольфрамовым электродом // Сварочное производство 2005. № 5. С. 7-15.
7. Кожевников В.Ю. Устройство автоматической дуговой сварки в защитных газах неплавящимся электродом: пат. на полезную модель Рос. Федерация. № 2014151956/02(083163); заявл. 10.12.2015. опубл. 22.01.2016.
