CC BY
94
«Ручное управление» обеспечивает безопасную эксплуатацию машины с соблюдением всех блокировок, режим «Полуавтоматическое управление» - подготовительные операции для сварки, режим «Автоматическое управление» - сварку изделия по заданной программе. Контроллер выполняет все функции управления технологическим процессом сварки. Компьютер обеспечивает анимацию процесса, цифровую и графическую визуализацию параметров процесса, документирование параметров сварки. Визуализация процесса сварки в виде осциллограммы позволяет представлять информацию по динамическому изменению программируемых параметров: напряжение Ц, сварочный ток I, давление Р в цилиндре, перемещение заготовок в процессе получения соединения.
Управление оплавлением при сварке осуществляется путем корректировки задаваемой скорости оплавления в зависимости от текущего значения тока. Это осуществляется изменением: уставок начала коррекций скорости (тока коррекции 1кор); тока 1ост, останавливающего подачу; тока 1рев, дающего команду на реверс. Для этого программируемые значения скорости и тока оплавления, реализующие обратную связь величин 1кор, 1ост, 1рев, подбирают таким образом, чтобы фактическое среднее значение тока на осциллограмме было в два раза меньше тока короткого замыкания. Это соответствует максимуму электрической мощности, развиваемой в контакте между оплавляемыми торцами заготовок. Недопустимые отклонения тока в форме скачкообразных изменений его величины исключаются благодаря быстродействующей обратной связи. Эта же обратная связь стабилизирует текущее значение сварочного тока.
Принцип работы корректора скорости оплавления с обратной связью по сварочному току показан на рисунке: в точке пересечения кривых мощность, развиваемая машиной (2), и мощность, необходимая для оплавления деталей (1), одинаковы, что обеспечивает устойчивое протекание оплавления. При случайном увеличении тока от установившегося значения 1уст мощность, развиваемая машиной, оказывается больше мощности, необходимой для оплавления. Избыточная мощность способствует ускорению нагрева и разрушению элементарных контактов и, как следствие, увеличению сопротивления искрового промежутка, что сопровождается уменьшением тока до значения 1уст. При токе, меньшем 1уст, мощность, развиваемая машиной, оказывается меньше мощности, необходимой для оплавления. Со-
противление искрового промежутка уменьшается, что приводит к восстановлению установившегося значения тока. Если зависимость (1) использовать, чтобы задавать изменение скорости подачи деталей в функции тока, то такой корректор скорости обеспечит устойчивое оплавление по току [7].
В работе [7] приведено уравнение корректора, в котором зависимой величиной от текущего значения тока является напряжение на якоре электродвигателя привода перемещения подвижной плиты машины. После замены его на скорость перемещения подвижной плиты получим следующее уравнение корректора:
А¥ = k (1() - 1о + 5) при 1() - 1о > 5,
где АУ - изменение скорости перемещения подвижной плиты; к - коэффициент пропорциональности; 1() - текущее значение тока; 10 - заданное значение тока (установка); 5 - зона нечувствительности схемы сравнения.
Для нормальной работы корректора скорости необходимо постоянство среднего значения тока в течение всего времени сварки. При форсировке режим предусматривает нарастание тока перед осадкой, в этом случае подаются ложные команды на снижение скорости подачи деталей (см. рисунок).
В режиме пульсирующего оплавления для каждого этапа на сварочной машине К1100 возможна регулировка по следующим параметрам:
- путь - величина хода подвижной станины на участках;
- 1\ - ток, при котором машина будет двигаться вперед до достижения величины установленного тока (зона нечувствительности);
- 12 - ток, при выполнении условия 1\ > 12 машина останавливается;
- 13 - ток, при выполнении условия 12 > 13 машина «разводится» по заданной зависимости;
- Ув - скорость «сближения» машины при оплавлении;
- Ун - скорость «разведения» машины при оплавлении;
- Т - время осадки под током;
- осадка - величина осадки;
- проковка - время после выполнения осадки и до команды на гратосъем;
- гратосъем - полный ход машины для снятия грата;
- исходное - точка начала сварки;
- напряжение по ступеням - сварочное напряжение по ступеням.
2
о
Зависимость мощности, необходимой для оплавления деталей (1), и мощности, развиваемой машиной (2), от тока (1уст -
установившееся значение тока)
Обычно оптимизацию проводят по одному наиболее важному выходному параметру, при этом для остальных выходных параметров задают ограничения. Однако если выходные параметры коррелируют, то нет необходимости задавать граничные значения для менее важного параметра. Чем ближе найденное значение коэффициента корреляции к единице, тем сильнее значение параметра зависит от того, какое значение принимает другой параметр, то есть между такими параметрами существует линейная связь, и при изучении процесса можно рассматривать только один из них [8].
Для проверки значимости коэффициента Я парной корреляции между Ризг и /пр сравним его значение с табличным (критическим) значением (гкр), которое приведено в работе [8]. Критическое значение коэффициента корреляции выбирается, исходя из числа степеней свободы (/ = п - 2 = 78, где п = 80 - количество экспериментов), при уровне значимости а = 0,05 (Р = 0,95). В рассматриваемом случае Я = 0,65 > гкр = 0,217; таким образом, между
параметрами имеется тесная линейная связь, оптимизацию можно проводить только по одному параметру.
При оптимизации с использованием регрессионных моделей необходимо задать границы варьирования параметров. Этими границами являются максимальные и минимальные значения параметров, по которым строили регрессионные модели.
Максимальные и минимальные значения входных параметров приведены в табл. 2.
О характере влияния факторов свидетельствуют знаки коэффициентов регрессии: знак плюс - с увеличением значения фактора растет величина параметра оптимизации, знак минус - убывает. Так как нужно найти максимум функции отклика, то увеличение значений всех факторов, коэффициенты которых имеют знак плюс, благоприятно, а имеющих знак минус -неблагоприятно. В соответствии с этим подставим значения параметров в рассматриваемое уравнение.
Таблица 2
Максимальные и минимальные значения входных параметров
I
I
Параметр Рср1, атм 4,1, А Кср4, мм/с Pмакс4, атм Pмин4, атм Uмакс4, В
Знак коэфициента регрессии (Ь,) - + + + - -
Максимальное значение 32 513 9,33 129 100 423
Минимальное значение 30 434 1,56 123 60 359
Параметр 1макс4, А 1мин4, А ^нач4, с тт тэ имакс5, В 1макс5, А
Знак коэфициента регрессии (Ь,) + - - + -
Максимальное значение 1174 1075 144,9 105 324
Минимальное значение 1074 6 99,1 2 6
При выборе наиболее благоприятных значений параметров усилие изгиба Ризг составляет 8437,37 кН. Расчетное значение Ризг практически в три раза выше среднего. В реальном процессе такие режимы реализовать невозможно, так как на пятом этапе оплавления не происходит, ток протекает уже по всему сечению сварного рельса. В результате нет возможности осуществлять регулировку силы тока оплавления с помощью передвижения подвижной станины (в этом случае сила тока пропорциональна напряжению), поэтому одновременная подстановка минимального значения напряжения и максимального значения силы тока некорректна. Подставляя сначала максимальные, а потом минимальные значения напряжения и тока пятого этапа (имакс5, 1макс5), получим наиболее близкие к истине максимальное и минимальное значения усилия при изгибе: 3923,07 и 3828,29 кН соответственно. Таким образом, наличие тока после осадки в свариваемых рельсах положительно влияет на качество сварного соединения. При оптимальных значениях параметров (Рср1 = 30 атм; 1ср1 = 513 А; Уср4 = 9,33 мм/с; Рмакс4 = 129 атм; Рмин4 = 60 атм; Цмакс4 = 359 В; 1макс4 = 1174 А; 1мин4 = 6 А; Тнач4 = 99,10 с; = 105 В; 1макС5 = 324 А) прогнозируемые значения по рассматриваемой модели регрессии составляют: Ризг = 3923,07 кН; /р = 75,83 мм.
Для улучшения качества сварного соединения предлагается изменить используемые параметры режима на значения, приведенные выше. Оборудование позволяет установить оптимальные параметры: 11 = 510 ^ 520 А, 1ос = 1100 ^ 1200 А. При минимальном времени оплавления наблюдаются лучшие показатели качества.
Некоторые из параметров невозможно задать программным путем, для их установки требуется наладка оборудования сварочной машины. Разность параметров Рмакс4 и Рмин4 (четвертого этапа - осадки) говорит о градиенте давления в гидроцилиндрах во время осадки, то есть скорости изменения давления, которая определяет скорость передвижения подвижной станины при осадке. Средние значения скорости передвижения подвижной станины Уср4 варьируются в пределах 1,56 - 9,33 мм/с; этот показатель зависит от состояния гидроаккумулятора. При недостаточном давлении в гидроаккумуляторе необходимо снижать скорость осадки, что может повлечь образование неметаллических включений (оксидов) в металле сварного шва рельсов из электростали, и, соответственно, ухудшение механических свойств сварного стыка.
Выводы. На основании математических моделей процесса контактной сварки рельсов определены оптимальные параметры режимов сварки на машине К1100, которые позволяют повысить качество сварного соединения рельсов: I = 510 - 520 А, 1оС = 1100 - 1200 А, ТШч4 = 100 - 110 с, ^ср4= 9 — 10 мм/с. Рассмотрены принципы управления процессом контактной стыковой сварки рельсов. Показаны возможные причины снижения качества сварного стыка рельсов, для устранения которых требуется наладка оборудования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шур Е.А., Резанов В.А. Комплексный метод контактной сварки рельсов // Вестник ВНИИЖТ. 2012. № 3. С. 20 - 22.
2. Karimine K., Uchino K., Okamura M. Susceptibility to and occurrence of HAZ liquation cracking in rail steels: Study of rail welding with high-C welding materials (4th Report) // Welding International. 1997. Vol. 11. Issue 6. P. 452 - 461.
3. Козырев Н.А. и др. Железнодорожные рельсы из электростали. - Новокузнецк: изд. ЕвразХолдинг, Новокузнецкий металлургический комбинат, 2006. - 388 с.
4. Kuchuk-Yatsenko S.I., Shvets Yu.V., Didkovskii A.V., Chvertko P.N., Shvets V.I., Mikitin Ya.I. Technology and equipment for resistance flash welding of railway crossings with rail ends through an austenitic insert // Welding International. 2008. Vol. 22. Issue 5. P. 338 - 341.
5. Шевченко Р.А. Совершенствование технологии сварки рельсовой стали с повышенным содержанием хрома. - В кн.: Труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Вып. 20. Ч. III. Естественные и технические науки / Под общ. ред. М.В. Темлянце-ва. - Новокузнецк: изд. СибГИУ, 2016. С. 259 - 261.
6. Irving B., Long Island. Rail Road orders an all-welded fleet // Welding journal. 1997. Vol. 22. Issue 9. P. 33 - 37.
7. Гладков Э.А. Управление процессами и оборудованием при сварке: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. - М.: Издательский центр "Академия", 2006. - 432 с.
8. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер и др. -М.: Наука, 1976. - 280 с.
© 2017 г. Р.А. Шевченко, Н.А. Козырев, А.А. Усольцев, Л.П. Бащенко, С.В. Князев Поступила 08 февраля 2017 г.
УДК 620.197
12 2 3
Hongyan Cao ' , Xizhang Chen , Sergey Konovalov 1School of Material Science and Engineering, Jiangsu University 2School of Mechanical and Electrical Engineering, Wenzhou University 3Department of Metals Technology and Aviation Materials, Samara National Research University
CORROSION BEHAVIOR OVERVIEW AND ANALYSIS OF CLAM STEEL VS. WELDMENTS IN LIQUID LITHIUM LEAD AT 753K*
Liquid lithium lead material is one of the most promising concepts for the latest fusion reactor blanket design which has been widely investigated. It uses liquid lithium lead as breeding material, lithium for neutron breeding and lead for producing tritium. China, the European Union, the United States and other members of ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) all pay significant attention to the research and development of the liquid lithium lead [1-3]. The main functions of the lithium lead alloy include energy conversion, tritium breed and radiation shield, it is crucial component in order to make fusion energy to achieve the ultimate applications. However, the concern about liquid metal blanket is its compatibility with candidate structural materials [4].
Coolant materials not only suffer high temperature and high pressure, but also bear strong neutron irradiation under complex dynamic condition. Reduced activation ferritic/martensitic (RAFM) steel used as structural materials becomes one of the most attractive designs for ITER-TBM [5]. To keep pace with the research and development of RAFM steel in other countries and meet the demands of constructing the DEMO and the first fusion power plant, China has developed its own low activation martensitic (CLAM) steel one of the RAFM (F82H, JLF-1, EUROFER 97, 9Cr2WVTa) steels, the research and development are done by the fusion design study team form ASIPP (Institute of Plasma Physics Chinese Academy of Sciences) in cooperation with some institutions and universities in 2001
[6]. CLAM steel serve as nuclear fusion reactor cladding material, is used for manufacturing TBM (Test Blanket Module) internal cooling passages
[7], due to the flow channels structure is complex,
* This work is sponsored by the National Natural Science Foundation of China under Grant Nos. 50905079 and 51375216. We deeply acknowledge and appreciate the work our predecessors have done. We appreciate Professor Bruce Madigan and Mr. Nathan Huft from Montana Tech. for their language polishing.
different runner sizes and positions make overall molding difficult, welding technique is a major means of connecting these parts. The severe working conditions give strict requirements to CLAM steel and its weldments, therefore, improving the weld joint corrosion resistance is one of key factors in practical application. In this article, previous work on corrosion behavior between base metal and its weldments in static and flowing liquid lithium lead are focused.
Weldability of CLAM steel
Base on the research and design experience of Europe, Japan and United States about RAFM steel, China has developed its own characteristic, composition and performance optimized China Low Activation Martensitic steel. CLAM steel is regarded as one of the most realistic fusion first wall material, because of its excellent performance such as high resistance to irradiation swelling and irradiation embrittlement [8], low thermal expansion coefficient and high temperature mechanical properties compare to traditional austen-itic stainless steels [9], Main chemical composition and mechanical properties are shown in Table 1 and Table 2, elements Nb and Mo that cause long time activation under neutron irradiation are replaced by W, V and Ta, the content of Ta is 0,20 % to improve the high temperature performance, Cr content at 9 % provides the lowest DBTT (ductile-brittle transition temperature) in irradiate condition, when the percentage is more than 12 %, delta ferrite will begin to appear, toughness will decrease and the corrosion rate will also be affected. The heat treatment is normalizing at 1253 K for 30 minutes and then cooling in air to room temperature (RT) and tempering at 1033 K for 90 minutes then air cooling to RT [17, 18]. After normalizing, high density dislocation structure is obtained, in subsequent tempering process the dislocation is reduced greatly and precipitated phase formed. These precipitates strongly pin in dislocations, further improve the high temperature mechanical properties, plasticity and toughness.
