CC BY
119
УДК 621.791.75.037-529.001.24:004.43
Нгуен Доан Кыонг, В. Н. Лубенко
АВТОМАТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА ПРИ РОБОТИЗИРОВАННОЙ ДВУХДУГОВОЙ СВАРКЕ УГЛОВЫХ И СТЫКОВЫХ ШВОВ
Введение
Современным направлением автоматизации сварочных процессов является использование сварочных роботов и автоматов. Конечной целью создания и применения сварочных роботов и автоматов является повышение производительности труда и качества продукции. Одной из важных задач при создании и применении роботов, особенно при их эксплуатации для получения качественного шва, является разработка точных и быстрых методов расчета режима сварки.
Постановка задачи
Во Вьетнаме с 2006 по 2010 г. по приказу 956/QB-BKHCN министра промышленности разрабатывается тема «Исследование, развитие и применение автоматизации и робототехники» [1]. В 2006 г. группа Фам Ван Тханга успешно применила нечеткий закон управления (или интеллектуальный закон управления - Fuzzy) для создания мобильного двухколесного сварочного робота и управления им [2]. Этот робот был испытан на стыковых и угловых швах крупногабаритной секции, но рекомендации по выбору режимов сварки отсутствуют.
Возможны два способа решения: выполнить сварку образцов каждой толщины с достаточным количеством испытаний, затем проанализировать опыт и подобрать оптимальные режимы (этот метод требует больших затрат материала, средств и времени); разработать методику расчета (способ позволяет быстрее получить результат, экономить материал и средства; такие расчеты иногда встречаются в машиностроении).
Двухдуговую сварку широко применяют как с целью регулирования термического цикла (в раздельные сварочные ванны), так и с целью повышения производительности (в общую сварочную ванну). Однако удовлетворительной методики расчета параметров режима двухдуговой сварки нет, хотя отдельные рекомендации по взаимосвязи между током и напряжением сварочных дуг приведены в [3, 4 и др.]
В [5] мы предложили применить второй способ: исследовать методику расчета режимов сварки на основе принципа суперпозиции и на языке программирования Delphi создать программу быстрого расчета параметров сварки для судостроительного металла любой толщины. Эта программа успешно применяется для сварки толстых листов судовых конструкций встык двухсторонними швами. Результат эксперимента на роботоавтоматическом сварочном комплексе WENZLAFF Астраханского судостроительного производственного объединения (АСПО) подтвержден сертификатами ОТК АСПО.
Ниже изложена методика расчета параметров режима двухдуговой сварки в общую сварочную ванну угловых (по площади наплавки или катету ) и стыковых (по глубине или площади проплавления) швов за один проход, а также расчетная программа для автоматического определения этих параметров.
Разработка алгоритма расчета
Расчет параметров режима двухдуговой сварки угловых швов основан на условии, что площадь поперечного сечения направленной части углового шва, равная V k1k2 (k1, k2 - катеты
углового шва), слагается из долей от наплавки первой Fu1 и второй Fu2 дугой, т. е.
FH = Fn1 + FH2. (1)
Каждую из указанных долей можно определить по уравнению
F v
Fm = F*v*L (1 - V), (2)
v
y Г'В
где -Рш- и у„7 - площадь поперечного сечения и скорость подачи электродной проволоки 7-й дуги соответственно; усв - скорость сварки; у - коэффициент, учитывающий потери электродного металла на угар и разбрызгивание.
Согласно [6],
■^Уп
Н
<и зі + ріЛ-А- )>
(3)
где ]7 и иэ7 - плотность тока и эффективное падение напряжения в приэлектродной области 7-й (первой или второй) дуги (иэ7 зависит от рода и полярности тока дуги [6]; р7 - удельное сопротивление материала 7-го (первого или второго) электрода; 17 - вылет электродной проволоки из токоподводящего мундштука 7-й (первой или второй) сварочной горелки; у - плотность материала электрода (у! = у2 = у); Нк - теплосодержание металла электродных капель.
После подстановки уравнений (2) и (3) в уравнение (1) и необходимых преобразований получим, при /Св2 = В /Св1:
Кн =
Ісв1(1 - V)
^свУНі
иэ1 + Ииэ2 +1 св1
V Кз1
К
з2 )
(4)
где /св1 и /св2 - сварочный ток первой и второй дуги соответственно; В - коэффициент, определяющий /св2 как долю от /св1 (по рекомендациям [1, 2] В ~ 0,4^1,05); ^э7 - площадь поперечного сечения 7-го (первого или второго) электрода.
Решив уравнение (4) относительно /св1 с учетом
а =
V К31
К
з2
; Ь = и,1 + Визг, с = -^-УуНк , ^ > 0, 2(1 -У)
получим
/св
+ 4ас
2а
Затем по рекомендациям [1, 2] можно определить
/св2 В /св1.
Тогда напряжение первой дуги при сварке:
- под флюсом:
и„в1 = 0,02 /св, + 29 - 2,5 ;
в углекислом газе:
исв1 = 0,04 1св1 + 26 — 10^(^з1)-
Напряжение второй дуги при сварке:
- под флюсом
в углекислом газе
и„в? = 0,025 /св? + 29 — 2,5^з?;
исв2 = 0,045 /св2 + 26 - 10^).
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
Исходным условием расчета параметров режима сварки стыковых швов без разделки кромок является положение о том, что площадь проплавления Кпр пропорциональна суммарной погонной энергии сварки, т. е.
Кпр = тт—(Л 1^1 +Л2^2), (11)
Г|1, Л2 - полный тепловой КПД соответственно первой и второй дуги, учитывающий часть теплоты дуги, расходуемой на нагрев материала изделия до температуры плавления и его расплавления, и равный Пт, Пи (Пт - термический КПД проплавления, равный при сварке пластин встык
0,484 [7]; пи - эффективный КПД нагрева изделия теплотой дуги); q1, q2 - мощность первой
и второй дуги соответственно; М - расход тепловой энергии на нагрев единицы объема мате-
риала изделия до температуры плавления Тп и расплавления, равный gпTп - g0T0 +Жпуп, (?п и g0 -объемные теплоемкости материала при температуре плавления и начальной Т0 (перед сваркой);
- скрытая теплота плавления материала, уп - плотность материала при Tп).
Так как
q1 1св1Uсв1, (12)
^ _ 1св2Uсв2, (13)
то при совместном решении уравнений (6), (7), (9) и (11)-(13) относительно -св1 получим, что при сварке под флюсом
7 _ -ьф+Vьф2 - 4«ф^ф (14)
1св1----------- , (14)
2аф
а при совместном решении уравнений (6), (8) и (10)-(13) получим, что при сварке в углекислом газе
- Ьг + у]Ьг2 - 4агсг
/св! = г ^г-. (15)
2аг
Г
При этом входящие в уравнения (14) и (15) коэффициенты
аф _ (0,02^1 + 0,02502 п), (16)
Ьф _ [(29 - 2,54,0 П1 + 0[(29 - 2,5^) П2], (17)
Сф МУСв^пр.ф, (18)
аг _ (0,04^1 + 0,045£>2 П2), (19)
Ьг _ [(26 - 10-Л0 4э1 ) п1 + 0(26 - 10^104э2 ) п2], (20)
Сг МУСв^пр.г. (21)
Расчетные значения ^пр.ф и ^прг, входящие в уравнения (18) и (21), определяли с учетом модели шва, приведенной на рис. 1:
Fщ, _ е(Нпр - 0,1075е) - ЬНпр. (22)
Є
Рис. 1. Расчетная модель стыкового шва: і - толщина свариваемых пластин; е - ширина шва; Ь - ширина зазора; Нпр - глубина проплавления, равная при односторонней сварке і, при двусторонней - 2і/3; г - радиус проплавления, равный е/2; И - глубина погружения дуги в сварочную ванну; g - выпуклость шва
Размеры стыковых швов для сварки под флюсом определяют в соответствии с ГОСТ 8713-79, в углекислом газе - ГОСТ 14771-76.
После определения /св1 рассчитывали 1св2 , исв1 и исв2 по уравнениям (6), (7) и (9) при сварке под флюсом или по уравнениям (6), (8) и (10) при сварке в углекислом газе.
Создание программы расчета
В окне проекта создадим «кнопки» команды, окошки вводимого параметра и текста (рис. 2).
Рис. 2. Окно программы автоматического расчета режима двухдуговой сварки
угловых и стыковых швов
С помощью языка программирования Бе1рЫ между командами вводим функции связи и алгоритмы расчета (6)—( 10), (14), (15). Используя графические возможности Бе1рЫ, создадим функции описания графика зависимости напряжения и силы тока от толщины металла при разных скоростях сварки и разных диаметрах электродов.
В окне программы можно выбрать вид сварки в защитных газах или под флюсом. С целью повысить точность расчетных параметров предусмотрены три диапазона номинальной возможной скорости, из которых выбираем нужный. Возможные диаметры электрода: 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0 и 6,0 мм. Можно вводить эффективный КПД нагрева изделия. Если он неизвестен, то принимаем значение 0,75 [8]. Значения е, Ь, Ипр (ширина шва, ширина зазора и глубина проплавления соответственно) принимаем по ГОСТ: для сварки под флюсом - в соответствии с ГОСТ 8713-79, в углекислом газе - ГОСТ 14771-76.
После выбора вводимых значений нажимаем кнопку «Расчет». В таблице окна возникают получаемые расчетные значения при разных скоростях сварки. Из них выбираем значение силы тока и напряжения.
При необходимости определяли и скорость подачи проволоки, в частности по методике [6]. Экспериментальные и расчетные данные (табл. 1-3) с удовлетворительной точностью подтверждают предлагаемые методики расчета. При расчетах принимали М = 9 800 Дж/см3; у = 7,8 г/см3; И = 1 900 Дж/г; р = 75,10-6 Ом • см; I = 10 ёэ.
Таблица 1
№ п/п 8, мм Параметры шва Параметры )ежима сварки [4] Расчетные параметры |
Тип е, мм ь, мм к '* пр* мм 4)» мм 1свЬ А исвЬ В Iсв2, А Ц:в2, В Усв, м/ч ^св1,А исвЬ В Iсв2, А Uсв2, В
1 8 С7 19 1 5,5 4 650-700 36-38 600-650 38-40 115-120 630 32 585 34
2 8 С7 19 1 5,5 4 800-850 38-40 650-700 40-42 115-120 670 33 550 33
3 22 С29 34 4 14,5 5 1 050-1 100 38-42 900-950 40-42 65-70 1 280 42 1 120 44
4 22 С29 34 4 14,5 5 1 100-1 150 38-40 900-950 42-44 55-60 1 125 39 930 40
Примечания. 1. Швы двусторонние (ГОСТ 8713-79).
2. № 1, 3 - данные для первой стороны шва, № 2, 4 - для второй.
3. Для определения расчетных параметров режима значения йъ, усв и В приняты максимальными [3], Пи = 0,8.
Таблица 2
№ п/п S, мм Параметры шва Параметры режима сварки [4] Расчетные параметры
Тип е, мм b, мм h '*пр* мм ^, мм -^свЬ А исвЬ B Iсв2, А Ц:в2, B ^св, м/ч -^свЬ А ^св1, B Iсв2, А Ц:в2, B
1 8 С4 23 3 8 4 800-830 36-40 830-873 46-48 80 803 33 823 38
2 8 С4 23 3 8 3 1 300-1 330 4З-З0 1 000-1 100 42-48 120 1230 41 890 33
3 16 С29 34 4 11 3 830 38 700 38 36 863 34 710 34
4 24 С29 34 3 16 3 900 40 730 38 26 963 36 803 37
Примечания. 1 - швы N° 1, 2 - односторонние со сквозным проплавлением, № 3-4 - двусторонние (ГОСТ 8713-79). 2. Значения dэ, Vсв и D см. табл. 1, прим. 3.
Таблица З
Экспериментальные данные [8] Расчетные
№ Режимы сварки Размеры швов параметры
п/п ^, мм Iсв, А Цзв, B k, мм е, мм g, мм h '*пр* мм Fh, мм2 F 1 пр> мм2 Iсв, А Цсв, B
1 1,6 490 34,3 6,3 9 2,3 - 36 - 483 32,3
2 2,0 370 33,0 7,0 10 2,0 - 39 - 383 33,3
3 1,6 490 32,0 - 11 4,3 7 - 64 463 31,3
4 2,0 383 33,0 - 18 2,7 6 - 73 313 31,3
Примечания. 1. Во всех случаях vCh = 30 м/ч.
2. Пластин из стали Ст3 толщиной І0 мм.
3. Сварка в углекислом газе проволокой Св-08Г2С.
4. Швы К 1 и 2 - угловые равнокатетные, К 3 и 4 - стыковые.
З. Параметры режима сварки рассчитаны для размеров швов, полученных при экспериментах,
когда Fн = k2/2 + 0,7eg; Пи = 0,73; W = 0,1; U = 3,79.
Предлагаемые методики можно использовать и для однодуговой сварки, принимая D = 0 (табл. 3). При сварке стыковых швов с разделкой кромок расчет следует вести не по F^, а по FH,
Выводы
Предлагаемые методики позволяют рассчитывать параметры режима сварки угловых (по катету) и стыковых (по площади проплавления) швов без разделки кромок при одно-и двухдуговой сварке, а также стыковых швов с разделкой кромок по площади наплавки. С помощью программы можно быстро получить расчетный результат или нужные параметры режима сварки данного случая.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. http://www.most.gov.vn.
2. Wall-Following Control of a Two-Wheeled Mobile Robot / T. L. Chung, T. H. Bui, T. T. Nguyen, S. B. Kim // KSME International Journal. - 2004. - Vol. 18, N 8. - P. 1288-1296.
3. Мельник С. С., Ксенз Н. Д., Кухаренко В. В. Многодуговая автоматическая сварка стальных корпусных конструкций под флюсом АН-66 // Сварочное производство. - 1984. - К 8. - С. 37-38.
4. Оборудование для дуговой сварки: справ. пособие. - Л.: Энергоиздат, 1986. - 636 с.
Б. Нгуен Доан Кыонг, Лубенко В. Н. Расчет параметров режима дуговой сварки толстых листов судовых
конструкций встык двухсторонними швами при использовании робототехники и автоматики // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2008. - К б. - С. 69-73.
6. Попков А . М. Расчет скорости плавления электродной проволоки при механизированных способах дуговой сварки // Сварочное производство. - 1988. - К 6.
7. Рыкалин Н. Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. - М.: Машгиз, 1931. - 296 с.
8. Размеры и форма швов при сварке в углекислом газе на режимах с минимальным разбрызгиванием / А. М. Попков, В. Д. Пирогова, В. М. Клящицкая и др. // Вопросы сварочного производства. - Челябинск: ЧПИ, 1973. - 198 с.
Статья поступила в редакцию 04.02.2009
AUTOMATIC CALCULATION OF REGIME ON ROBOT TWIN-ARC WELDING OF FILLET AND FLAT BUTT WELDS
Nguyen Doan Cuong, V. N. Lubenco
The algorithm of calculation of parameters of regime on twin-arc welding of fillet and flat butt welds and the program of automatic calculation of welding regimes by programming language Delphi are offered. The purpose is to simplify the calculation and to lessen time of calculation and preparation, to decrease production costs using robot technology at welding and assembling. The result of calculation is being displayed on the computer screen in the form of table and diagram of voltage’s dependence on metal thickness in different welding rate and different diameter of electrodes.
Key words: robot welding, algorithm, program of automatic calculation of welding regimes.
