CC BY
4Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 45
www.mai.ru/science/trudy/
УДК 621.791.039+658.512.011.56:681.3
Разработка конструкции нового поколения сварочных головок серии ГНС для орбитальной сварки неповоротных стыков трубопроводов с использованием цифрового прототипирования.
С. А.Чичков.
Аннотация.
В статье рассматривается разработка ряда сварочных головок и вспомогательной аппаратуры для автоматизированной орбитальной сварки аргонно-дуговым методом (MIG/MAG) методом компьютерного цифрового прототипирования. Данное оборудование создано специально для решения задачи обеспечения качественной и быстрой автоматизированной сварки неповоротных стыков трубопроводов различного назначения из алюминиевых сплавов и сталей в аэрокосмической отрасли в монтажных и заводских условиях с гибкой настройкой параметров. Также описаны некоторые проблемы орбитальной сварки трубопроводов и методы их решения, технические характеристики головок, ряд нововведений и усовершенствований в их конструкции, а также перспективы и преимущества данного комплекса для нужд ракетно-космической отрасли.
Ключевые слова: орбитальная сварка; дуговая сварка в защитных газах; трубопроводные системы;автоматизированное проектирование; сварочные головки; цифровой прототип; трехмерное моделирование; AutodeskInventor
1.Введение
Современный подход к созданию космических аппаратов с использованием двигателей на жидком топливе и теплообменных систем невозможен без применения разветвленных сетей трубопроводов, основным методом получения неразъемных
соединений которых является дуговая сварка в защитных газах.Так, например, в некоторых космических комплексах насчитывается до 20 000 стыков трубопроводов из алюминиевых сплавов и сталей.Поэтому требования качества и надежности, предъявляемые к таким комплексам, в полной мере относятся и к сварным соединениям трубопроводов.
2.Краткое описание проблематики орбитальной сваркитрубопроводов
Многолетний опыт показывает, что применение ручной сварки сопряжено с нестабильностью качества сварных соединений, что особенно недопустимо в условиях агрегатной и общей сборки комплексов и их частей из-за ограниченной контролепригодности соединений.
Кроме того, соединения трубопроводов, выполненные ручной сваркой, обладают пониженным ресурсом работы.
Высокоэффективным методом получения качественных неразъемных соединений в монтажных условиях является автоматическая орбитальная сварка трубопроводов.Только ее применение способно обеспечить высокие требования по качеству сварных соединений. Однако автоматическая орбитальная сварка представляет сложную техническую задачу в части обеспечения стабильности формирования шва в различных пространственных положениях в условиях теплового насыщения металла трубопровода.
Еще более эта задача усложняется при сварке трубопроводов из алюминиевых сплавов из-за особых физико-химических свойств металла, таких как высокая жидкотекучесть, малая величина поверхностного натяжения, высокая химическая активность, а также из-за склонности к возникновению дефектов в виде пористости и окисных включений.
Установлено, что в процессе сварки на расплавленный металл сварочной ванны действует ряд сил, соотношение которых определяет условие формирования шва.
При орбитальной сварке это соотношение непрерывно меняется, обусловливая неравномерность формирования шва по периметру стыка и возможность образования дефектов шва, таких как вогнутость с внутренней стороны, подрезы, неравномерность усиления шва и ряд других, что приводит к резкому снижению механических свойств и вибростойкости сварного соединения.
При сварке в нижнем положении поверхность сварочной ванны занимает горизонтальное положение, что создает благоприятные условия для формирования шва, т.к. жидкий металл удерживается на свариваемой поверхности под действием силы поверхностного натяжения.
Сварка в вертикальном положении «на спуск» характеризуется тем, что направление силы тяжести жидкого металла и направление сварки совпадают, сварочная ванна подтекает под столб дуги, что уменьшает глубину проплавления. При сварке в вертикальном положении «на подъем» направление силы тяжести жидкого металла противоположно направлению сварки, сварочная ванна вытекает из-под столба дуги, увеличивая при этом глубину проплавления.
При сварке в потолочном положении поверхность ванны занимает горизонтальное положение, и металл ванны удерживается силами поверхностного натяжения и давления дуги.
Таким образом, можно утверждать, что равновесие сварочной ванны в различных пространственных положениях определяется в основном действием трех сил: силой давления дуги, силой поверхностного натяжения жидкого металла сварочной ванны и весом сварочной ванны.
Кроме того, задача качественного формирования шва усложняется при сварке трубопроводов диаметром до 3-25 мм, что обусловлено ускоренным теплонасыщением свариваемого соединения.
В 70-80 гг. прошлого века было создано оборудование для аналогичных целей, но к настоящему времени его элементная база и конструкция существенно устарели, имеют ряд существенных недостатков и не отвечают современным требованиям. Этот факт выявил необходимость в разработке нового поколения сварочных головок и сопутствующего оборудования, используя современные средства и методы разработки, новые материалы и технологии для удовлетворения потребностей отечественной ракетно-космической отрасли в области орбитальной сварки трубопроводных систем.
З.Современные методы решения задач и особенностиразработанного
оборудования
С целью управления силами,действующими на сварочную ванну, разработан комплекс методов и средств, обеспечивающих стабильное формирование шва при орбитальной сварке. Среди них можно выделить следующие основные методы:
- стабилизация и автоматическое регулирование тепловложения в процессе сварки, осуществляемое по заданной программе в зависимости от объема сварочной ванны и ее положения в пространстве;
- сварка с автопрессовкой, основанная на сокращении объема жидкого металла в сварочной ванне и обеспечивающая формирование усиления шва с помощью дополнительных проходов без подачи присадочного металла;
-сварка с импульснымтепловложением, обеспечивающая наиболее оптимальную форму сварочной ванны.
Для реализации перечисленных методов орбитальной сварки трубопроводов из сталей и алюминиевых сплавов диаметром от 3 до 310 мм в отделении технологий сварки и пайки ФГУП «НПО «Техномаш» создано автоматизированное быстропереналаживаемое оборудование, включающее 12 типоразмеров сварочных
головок, 4 варианта различной конструкции в зависимости от диапазона диаметров свариваемых труб (некоторые из них
представлены на рис.1), аппаратуру управления процессом сварки и источник
а)
питания сварочной дуги (рис.6, рис.7).
б)
Рис.1. Фотографии опытных образцов сварочных головок а) ГНС 14;б) ГНС 45;в) ГНС 70; г) ГНС 220
Трубосварочное оборудование
обеспечивает реализацию следующего цикла сварки:
г)
4
1) предварительная продувка магистралей и сварочной горелки инертным газом;
2)бесконтактное возбуждение сварочной дуги;
3) плавное нарастание тока дуги до значения, при котором происходит стабилизация размеров сварочной ванныи выдержка этого значения при сварке;
4) подача присадочной проволоки одновременно с началом движения сварочной горелки или на определенный промежуток времени позже;
5) плавное снижение до нуля сварочного тока в конце процесса сварки;
6) отключение подачи инертного газа через заданный промежуток времени после выключения дуги.
При этом обеспечивается стабилизация всех параметров режима сварки, включая напряжение на дуге, а также их значение, при необходимости по заданной программе.
Одним из основных элементов трубосварочного оборудования являются навесные головки, габаритные размеры и функциональные возможности которых определяют, как правило, возможность орбитальной сварки конкретных систем трубопроводов.
Типовые конструкции головок (в виде из цифровых прототипов) ГНС-14 (для сварки диапазона диаметров от 3 до 14 мм), ГНС-70(для сварки диапазона диаметров от 45 до 70 мм), ГНС-140 (для сварки диапазона диаметров от 105 до 140 мм), ГНС-220 (для сварки диапазона диаметров от 180 до 220 мм), представленына рисунках (рис.2, рис.3, рис.4 и рис.5.).
Разработка цифровых прототипов сварочных головок, компьютерное моделирование, инженерные расчеты и подготовка КДпроизводились в программном пакетеAutodeskInventor.
Рис.2. Конструкциясварочной головки ГНС 14
1 - привод вращения планшайбы
2 - рычаг устройства крепления головки
3 - горелка сварочная
4 - сменный вкладыш
5 - рукоятка фиксатора
6 - планшайба
7 - механизм подачи присадочной проволоки
8 - винт регулировочный
9 - основание
Рис.3. Конструкция сварочной головки ГНС70
1 - каретка
2 - электроразъем
3 - механизм слежения по дуге
4 - основание
5 - зажим
6 -планшайба
7 - сменный вкладыш
8 - рукоятка фиксатора
9 - механизм подачи присадочной проволоки
10 - горелка
11 - механизм поперечного перемещения горелки
12 - привод вращения планшайбы
Рис.4. Конструкция сварочной головки ГНС 140
1-привод
2-опора
3-механизм слежения по дуге
4-планшайба
5-основание
6-зажим
7-сменный упор
8-сектор
9-сменный вкладыш
10-механизм подачи проволоки
11-электроразъем
12-каретка
13-корректор
14- горелка
15- механизм поперечного перемещения
Рис.5. Конструкция сварочной головки ГНС 220
1-привод
2-фиксатор планшайбы
3-механизм поперечного перемещения
4-электроразъем
5-кронштейн
6-механизм слежения по дуге
7-основание
8-сектор
9-зажим
10-сменный упор
11-планшайба
12-кронштейн кабельной системы
13-стойка кабельной системы
14-сменный вкладыш
15-горелка
Головки обладают минимальными габаритами и массой, что позволяет использовать их для орбитальной сварки в стесненных монтажных условиях.
Метод цифрового прототипированияпри помощи AutodeskInventorзначительно ускорил разработку, позволил выбрать оптимальный вариант конструкции, легко вносить в нее изменения, уменьшить количество физических прототипов (опытных образцов оборудования) и добиться максимальной эффективности в работе сварочных головок. Параллельно с проектированием проводится симуляция работы разрабатываемого изделия на его цифровом прототипе, наложение рабочих нагрузок и изучение реакций материала на них, а также формируется наглядная визуализация изделия в работе.
Кроме того, после создания трехмерной модели AutodeskInventor позволяет быстро создавать конструкторскую документацию на изделие и использовать прототип для генерации программ для станков с ЧПУ.
Снижение габаритов и массы головок достигнуто за счет применения шаговых двигателей, что позволило отказаться от мелкомодульных планетарных редукторов. Кроме того, планшайбы головок изготовлены из титановых сплавов.
Технические характеристики головок приведены в табл. 1.
Таблица 1
Головка ГНС-14 Головка ГНС-70 Головка ГНС-140 Головка ГНС-220
Диаметр свариваемых труб, мм 3-14 45-70 105-140 180-220
Установочная база, мм 39,5 70 64,5-194,5 64,5-194,5
Радиус вращающихся частей, мм 56 120 132 188
Максимальный сварочный ток, А 80 200 200 200
Диаметр вольфрамового электрода, мм 2,0 2,0; 3,0 2,0-6,0 2,0; 3,0
Скорость сварки, м/ч 6-14 3-12 3-8 3-8
Скорость подачи присадочной проволоки, м/ч 0-50 0-50 16-80 -
Габаритные размеры, мм 203х76х57 350х170х110 423x249x120 495х407х108
Масса, кг 1,2 3,5 5,2 11,7
Для питания сварочной дуги создан малоамперный инверторный источник МИИ-100 (рис.6).Источник питания обеспечивает возможность сварки на постоянном и переменном токах, в непрерывном и импульсном режимах.
Технические характеристики источника МИИ-100 представлены в табл. 2.
Рис.6. Фотография малоамперного источника питания МИИ-100
Таблица 2
Напряжение питающей сети, В 220+10 %
Частота питающей сети, Гц 50+1
Потребляемая мощность, кВт 2,5
Пределы регулирования сварочного тока, А (плавно) 1-100
Точность установки сварочного тока, А 1
Ток, А:
- импульса 1-100
- паузы 1-100
Время, с:
- импульса 0,1-10
- паузы 0,1-10
- нарастания сварочного тока и заварка кратера 1-20
Продолжительность включения при номинальном токе, % 60
Встроенный газовый клапан, осциллятор есть
Цифровая индикация параметров есть
Габаритные размеры, мм 370х320х150
Масса, кг 8,0
Для управления приводами сварочной головки и выполнения цикла сварки в автоматическом режиме используется программируемая микропроцессорная аппаратура управления «Гелиос» (рис.7). Она предназначена для управления процессом автоматической сварки в комплексе с источником питания и сварочной головкой.
Аппаратура управления обеспечивает возможность регулирования и управления скоростью сварки, скоростью подачи проволоки, напряжением на дуге, а также выполнение следующего цикла сварки:
- подача защитного газа до сварки (может обеспечиваться источником);
- зажигание дуги и нарастание тока (может обеспечиваться источником);
- включение скорости сварки и подачи проволоки с задержкой 0-10 с;
- программируемый по времени ступенчатый спад сварочного тока;
- отключение привода подачи проволоки;
- гашение дуги;
- отключение привода скорости сварки;
- подача защитного газа после сварки (может обеспечиваться источником). Аппаратура управления позволяет осуществлять контроль параметров
технологического процесса в режиме наладки и во время сварки.
Технические характеристики аппаратуры «Гелиос» представлены в табл. 3.
Рис.7. Фотография аппаратуры управления «Гелиос»
Таблица 3
Напряжение питающей сети, В 220± 10%
Частота питающей сети, Гц 50±1
Потребляемая мощность, Вт 300
Выходная мощность приводов, Вт:
- скорость сварки 100
- подача присадочной проволоки 50
- поперечное перемещения головки 50
- слежение по длине дуги 50
Число ступеней программирования 20
Диапазон регулирования времени, с 1-25
Габаритные размеры, мм 410х318х108
Масса, кг 6
4.Главные особенности разработанного комплекса оборудования
Высокое качество шва, отсутствие дефектов.
Высокая производительность работы.
Применяемая автоматизированная гибкая сварочная технология с возможностью выбора необходимых параметров и управления процессом «на лету» благодаря современному блоку управления и инверторному источнику.
Головки имеют широкий диапазон скоростей сварки, цифровое программное управление.
Снижение габаритов и массы головок достигнуто за счет применения шаговых двигателей, что позволило отказаться от мелкомодульных планетарных редукторов.
Головки обладают минимальными габаритами и весом, что позволяет использовать их для орбитальной сварки в стесненных монтажных условиях.
Планшайбы головок изготовлены из титановых сплавов, в конструкции изделия применяются алюминиевые сплавы.
Универсальность, охват широкого диапазона диаметров( 3-310 мм).
Перспективное применение в самых разнообразных отраслях промышленности: авиакосмической, медицинской, пищевой и др.
Использование проектирования с применением технологии цифровых прототипов позволяет значительно сократить сроки разработки проекта, легко вносить в него изменения, и отказаться от большинства испытаний на физических образцах.
5.Заключение
Созданный типоразмерный ряд представляет собой новое поколение сварочных головок для орбитальной сварки трубопроводов пневмогидросистем (1 Н С) летательных аппаратов. С их помощью можно сваривать в автоматическом режиме трубопроводы из сталей и алюминиевых сплавов диаметром от 3до 310 мм.
Разработанныйс применением современной технологии цифрового прототипирова-ния, он предназначен для изготовления элементов ПГС систем «Протон», «Ангара», «Союз-2», «Русь-М», «Булава» из различных сталей (нержавеющих, высокопрочных), а также никелевых и алюминиевых сплавов в автоматическом режиме.
При этом, по сравнению с ручной сваркой, обеспечиваетсяповышение качества швов в 1,5-2,0 раза с одновременным снижением трудоемкости их изготовления на 3040% и повышением ресурса работы трубопроводов в 2-3 раза.
Изделия внедрены на ряде предприятий отрасли, в том числе НПО машиностроения, РКК «Энергия», ФГУП ГНП РКЦ "ЦСКБ-Прогресс", КБХА и др.
Библиографический список
1. В.И. Кулик, О.Е. Островский, О.М. Новиков, Е.М. Борисов. Орбитальная дуговая сварка трубопроводов. // Сварочное производство. 1992. №10, С.10-13
2. Белкин С.А., Астафурова Н.И., Гриненко В.И.. Сварка неповоротных стыков труб из стали Х19Н9Т методом автоопрессовки // Сварочное производство. 1963. № 10, С.17-19.
3. Ищенко Ю.С., Павлов Ю.С., Гриненко В.И. Импульсная аргонодуговая сварка неплавящимся электродом неповоротных стыков труб из стали Х18Н10Т // Сварочное производство. 1965. №12, С.13-15.
4. Сварка трубопроводов сложной конфигурации // О.Е. Островский, В.И. Кулик, Г.М. Львов, Е.А. Манжос // ПТО №2, 1988, ЦНИИ «Поиск», С.26-31
Сведения об авторе
Чичков Сергей Александрович, инженер-конструктор ФГУП «Научно-производственное объединение «Техномаш», аспирант отраслевой аспирантуры при ФГУП «НПО «Техномаш».
3-й проезд Марьиной рощи, д.40, Москва, Россия, 127018; Тел.: (495) 689-10-46; e-mail: libr2006@yandex.ru
