Расчет параметров режима дуговой сварки толстых листов судовых конструкций встык двусторонними швами при использовании робототехники и автоматики Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.791.75.037-529.001.24:629.5.02

Нгуен Доан Кыонг, В. Н. Лубенко

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА ДУГОВОЙ СВАРКИ ТОЛСТЫХ ЛИСТОВ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ВСТЫК ДВУСТОРОННИМИ ШВАМИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РОБОТОТЕХНИКИ И АВТОМАТИКИ

Современный уровень сборочно-сварочного производства в судостроении промышленно развитых стран определяется степенью автоматизации и механизации технологических процессов изготовления металлоконструкций [1]. Применение прогрессивного технологического оборудования на основе реализации принципа конструктивно-технологической однородности типовых сборочных единиц корпуса судна позволило механизировать изготовление сварного набора, фундаментов, полотнищ, рам и плоскостных секций [2]. Характерно, что 70-100 % сварочных операций в производстве подобных конструкций автоматизировано и осуществляется с применением сварки в среде защитных газов или под флюсом [3, 4].

В судостроении трудоемкость процесса сварки составляет иногда до 60 % трудоемкости постройки корпуса. Количесто сварных стыковых швов листов наружной обшивки невелико, но трудоемкость достаточно большая из-за большой длины линий соединения, кроме того, листы, используемые в судостроении, имеют большую толщину.

При производстве сварных толстолистовых конструкций соответствующие стандарты (например, ГОСТ 14771-76) рекомендуют применение стыковых соединений (в том числе и без скоса кромок) с двусторонними швами (рис. 1). При этом глубина зоны проплавления Н каждого шва должна составлять 2/3 толщины листа 5”.

Рис. 1. Вид сварного соединения с двусторонними швами

Ниже приведена инженерная методика расчета параметров процесса дуговой сварки, основанная на принципе суперпозиции [1]. Давление на поверхностях толстых листов считают адиабатическим, а для учета влияния отраженной от них теплоты на нагрев таких листов вводят фиктивные источники теплоты в точках О2, О3 и т. д. (рис. 2).

Рис. 2. Схема применения принципа суперпозиции при расчете нагрева толстой пластины

Тогда температура нагрева металла, например, в точке А, расположенной по оси Z, будет равна сумме трех (как минимум) слагаемых:

Та = Т + Т2 + Тз, (1)

где Т1, Т2, Т3 - температура от действия источников тепла в точках 01, 02, 03.

В большинстве случаев инженерных расчетов вполне достаточно (1). Расчет по предлагаемой методике заключается в определении погонной энергии сварки q п = , обеспечиваю-

V

2

щей заданную глубину проплавления к = —s, когда температура Ттах нагрева металла в точке А,

равная температуре его плавления Тп, становится максимальной в момент времени ^1тах достижения температурой Т1 максимального значения Т1тах. Тогда вместо равенства (1) получим

Та = Т1тах + Т2 + Тз. (2)

Если, используя принцип суперпозиции, рассматривать нагрев массивного (бесконечного) тела мощными быстродвижущимися источниками теплоты (реальным в точке О1 и мнимыми в точках О2 и О3), то для определения Т1тах, Т2, Т3 и ^1тах получим следующие уравнения [2]:

Т = (3)

1 тах 2 5

пее1 г1

Т2 = ~3^ехр(--^—), (4)

2пе^1тах 4^1тах

Т3 =—^ ехр(--^), (5)

2п^1тах 4°^1тах

^1тах = Г 12/4а. (6)

Здесь Т1тах - максимальная температура нагрева металла в точке А теплотой реального источника, находящегося в точке О1; Т2, Т3 - температура дополнительного нагрева металла в точке А от мнимых источников теплоты, действующих в точках О2 и О3 в течение времени ^1тах соответственно; ^1тах - время наступления максимальной температуры Т1тах в точке А, отсчитываемое с момента прохождения источником теплоты плоскости, в которой находится точка А

(в любой другой момент времени ТА < Тп); qп^ - погонная энергия процесса сварки; г1, г2, г3 - расстояние до точки А от точек О1, О2, О3, равное 25/3, 4s/3 и 5s/3 соответственно; X, су - теплопроводность и объемная теплоемкость металла; а - коэффициент температуропроводности, равный

Ус.; е - натуральное число.

Решая систему уравнений (1)-(6) относительно Тп, после соответствующих преобразований получим

Тд = 0,55^2. (7)

Су 5

Решая уравнение (7) относительно qд, получим

qп = 1,82еуТп52. (8)

Погонная энергия сварки зависит от физических характеристик металла пластины и ее характерного размера - толщины. С другой стороны, qп можно определить по уравнению, связывающему между собой технологические характеристики источника теплоты - сварочной дуги, где Пи - эффективный КПД нагрева изделия теплотой дуги, который зависит от способа сварки; I - ток; и - напряжение дуги.

Яп иі. (9)

V

Для сварки в среде защитных газов

и = 0,041 + 26 - 10^э1/2, (10)

где ёэ - диаметр электродной проволоки.

Для сварки под флюсом

и = 0,021 + 29 - 2,5<4 (11)

При совместном решении уравнений (8) и (9) с уравнением (10) или (11) получим уравне-

ние для определения сварочного тока [3]:

I = (-п + (п2 - 4тр)1/2)/2т, (12)

в котором т, п, р - коэффициенты, зависящие от способа сварки [3]. При сварке в защитном газе

тг = 0,04, пг = 26 - 10^э1/2,

1,82 „ 2 Рг = С/п^ .

пи.г

При сварке под флюсом

тф = 0,02, пф = 29 - 2,5^э,

1,82 Т 2

Рф = СТп^ ,

пиг

Затем по уравнению (10) определим напряжение сварочной дуги, горящей в защитном газе, а по уравнению (11) - напряжение дуги, горящей под флюсом.

По уравнениям были составлены алгоритмы и выполнены расчеты режимов сварки. Результаты, приведенные в таблице, подтверждают удовлетворительную сходимость экспериментальных [4, 5] и расчетных величин.

Источник данных см к, см V, см/с I, А и, В qп, Ват.см

(8) (9)

0,8 0,555 300 28 8 350 11 300

0,8 1,675 450 38 8350 7 750

Эксперимент [5] 1,0 0,67я 0,555 320 29 8 350 12 600

1,0 1,250 450 38 13 100 10 300

1,4 0,417 380 33 25 400 22 100

1,4 0,700 500 40 25 400 21 600

Эксперимент [4] 1,0 0,70 0,833 490 32 13 100 14 150

Расчет по (10), (12) 1,0 0,67 0,833 500 32,5 13 100 14 700

Эксперимент (4) 1,0 0,65 0,833 536 27 13 100 13 000

Расчет 1,0 0,67 0,833 505 32 13 100 14 500

Примечание. сх = 4,8 Дж/(см3-°С); X = 0,4 Дж/(см3 • °С); Тп = 1 500 °С; пи = 0,75.

По системе уравнений (8)-(12) была создана программа автоматического рачета режимов сварки (рис. 3). Результат расчета выводится на экран компьютера в виде таблицы и графика зависимости силы тока (или напряжения) от толщины металла при разных скоростях сварки и разных диаметрах электродов.

Исходные параметры—

Вид сварки ]в защитном газе у]

сі электрода ІЗ 3

Эффективный КПД нагрева изделия 18^679491 9243? 12

У=0.3 |у=0.5 | У=0.7 | У=0.9 | У=1.1 ]

р 5 1 и дэ 08

■о 0 0 8,679491924 0 0

5241,6 1 269,4096082 19,4558762Е 13104 13104

20966,4 2 623,5793472 33,62266581 52416 52416

47174.4 3 982,895773Е 47,9953228Е 11793В 117936

В38Є5.Є 4 1343,543152 82,4212180С 209ЄЄ4 209884

131040 5 1704,727485 76,86859122 327600 327800

188697,6 6 2066,18123= 91,32674151 471744 471744

256838,4 7 2427,789235 105,7910611 642096 642096

335462,4 6 2789,49373; 120,2592412 838656 838656

424589,8 9 3151,28281С 134.729998: 1081424 10Є1424

виСймрсть от силы тока

- у=0,3

- у=0,5

- ч=0,7

- у=0,9

- У=1,1

лшуїна металла

Рис. 3. Окно программы автоматического расчета режима дуговой сварки

Для проверки этой программы и методики был проведен эксперимент с роботом, автоматом WENZLAFF, на одном из судостроительных заводов г. Астрахани. Результаты экспериментов (точки на графике рис. 4) подтверждают данную методику.

_ 0.00 0.20 0 40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1 80

х т

Т олщина металла

Рис. 4. График зависимости силы тока от толщины металла при йэ = 5 мм2

Выводы

Разработанная методика расчета параметров режима дуговой сварки толстых листов встык двусторонними швами, основанная на принципе суперпозиции, позволяет получить уравнение для определения погонной энергии. Используя полученные данные и программу, в зависимости от способа сварки быстро определяют величину сварочного тока и напряжения дуги.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Теория сварочных процессов / под ред. В. В. Фролова. - М.: Высш. шк., 1988. - 560 с.

2. Багрянский К. В., Добротина З. А., Хренов К. К. Теория сварочных процессов. Киев: Высш. шк., 1976. - 424 с.

3. Попков А. М. Расчет параметров режима двухдуговой сварки угловых и стыковых швов // Сварочное производство. - 1998. - № 7. - С. 3-5.

4. Размеры и форма швов при сварке в углекислом газе на режимах с минимальном разбрызгиванием / А. М. Попков, В. А. Пирогова, В. М. Кпящицкая и др. // Вопросы сварочного производства. - Челябинск: ЧПИ, 1975. - 198 с.

5. Потапьевский А. Г. Сварка в защитных газах плавящимся электродом. - М.: Машиностроение, 1974. - 240 с.

Статья поступила в редакцию 8.09.2008

CALCULATION OF PARAMETERS OF THE ARC WELDING CONDITIONS OF THICK PLATES OF SHIP CONSTRUCTIONS JOINT BUTT-TO-BUTT WITH DOUBLE-TYPE SEAM WITH THE APPLICATION OF ROBOTICS AND AUTOMATICS

Nguyen Doan Cuong, V. N. Lubenko

The algorithms and the methodology of calculation of parameters of arc welding conditions of thick plates of ship constructions joint butt-to-butt with double-type seam at utilization of robotics and automatics during the process of hull welding are worked out. On the basis of the received set of equations the program of automatic calculation of welding conditions is made. The result of calculation is shown on the computer screen in the form of the table and the diagram of voltage dependence on metal thickness in different welding rates and different electrode diameters.

Key words: parameters, arc welding conditions, algorithms, the program of automatic calculation of welding conditions, robotics.

7З