Разработка технологии сварки балки перекрытия строительной-конструкции

Сварка — ведущий технологический процесс при производстве металлических конструкций. С ее помощью перерабатывается примерно 70 % готового проката. Сварочное производство оказывает существенное влияние на выполнение программы хозяйственного развития страны и решение задач по повышению эффективности и интенсификации общественного производства. В отличие от других металлообрабатывающих производств сварочное охватывает обширный комплекс различных по своему характеру технологических операций, обеспечивающих изготовление заготовок и деталей, их сварку, термическую обработку, контроль качества соединений и отделку готовых сварных изделий [1].

Обеспечение требуемого уровня качества сварных конструкций и их эксплуатационной надежности, повышение производительности труда при улучшении условий работы людей требуют комплексной механизации и автоматизации в одном синхронизированном потоке всех переделов, связанных с изготовлением сварной конструкции. Примером такой организации производства является изготовление электросварных труб, отопительных радиаторов и других изделий с массовым характером выпуска, продукции [2].

Однако не всегда целесообразно концентрировать в одном потоке все операции по изготовлению данной продукции [3]. Так, при достаточно большой и разнообразной номенклатуре заготовок, требующих, например, механической обработки, их изготовление не включается в состав операций сварочного производства и выполняется в других цехах, специализированных по видам обработки, или в отдельном заготовительном цехе.

Цель автоматизации сварочных процессов — получение сварных соединений с требуемыми свойствами при наивысших технико-экономических показателях без непосредственного участия человека.

Социальный аспект автоматизации, предполагающий освобождение человека от непосредственного выполнения функций управления сварочными процессами и передачу этих функций автоматическим устройствам, в последние годы приобретает все большую значимость. Как отметил академик Б. Е. Патон, «...гуманное желание освободить человека от трудного и утомительного труда в сварочном производстве путем его механизации и автоматизации становится все более важным, а иногда и решающим фактором при определении целесообразного уровня, методов и технических средств механизации и автоматизации сварочного производства в целом и процессов собственно сварки — в частности» [1, с. 2].

Современный уровень развития сварочной техники и технологии отличает большое разнообразие источников нагрева, их энергетических характеристик и способов теплового воздействия на изделие. При рассмотрении процессов сварки как объектов автоматического управления целесообразно исходить из общей для всех способов сварки последовательности преобразования энергии.

Электрическая энергия, поступающая из промышленной сети, преобразуется в источнике питания в форму, наиболее полно соответствующую каждому конкретному источнику нагрева, который затем преобразует электрическую энергию в термическое воздействие на изделие и присадочный материал.

Таким образом, формирование сварного соединения можно рассматривать как результат функционирования системы «источник питания— источник нагрева — изделие». Отдельные компоненты этой системы объединены обратными связями в сложную многосвязную систему. Действие этих связей проявляется в том, что изменения процесса формирования сварочного соединения оказывают обратное воздействие на источники нагрева и питания. Так, при дуговой сварке изменения глубины проплавления сопровождаются изменением длины дуги, в результате чего изменяется напряжение дуги и режим работы источника питания. При электрошлаковой сварке изменение температуры шлаковой ванны приводит к изменениям скорости плавления электрода и тока сварочного трансформатора.

В современных сварочных установках для питания сварочных цепей используют источники переменного тока (трансформаторы специальных конструкций), источники постоянного тока (сварочные выпрямители и генераторы разнообразных конструкций), источники питания аккумулированной энергией.

Каждый сварочный процесс можно охарактеризовать некоторым числом обобщенных координат (параметров сварочного процесса), между которыми существуют определенные связи. Например, между током и напряжением на дуге существует связь, определяемая свойствами источника питания. Частота коротких замыканий дугового промежутка каплями расплавленного металла зависит от тока и напряжения на дуге, но эта зависимость не однозначна, она имеет вероятностный характер и может быть представлена в виде соответствующей корреляционной функции.

Все многообразие параметров процесса сварки можно условно разделить на три группы:

энергетические, характеризующие вклад энергии в процесс образования сварного соединения;

кинематические, характеризующие пространственное перемещение или положение источника нагрева относительно изделия;

технологические, характеризующие условия формирования и кристаллизации сварных швов, переноса электродного металла.

В производственных условиях технологический процесс сварки подвержен воздействиям — возмущениям, нарушающим его нормальное протекание и приводящим к отклонениям показателей качества сварного соединения от требуемых значений. Возмущения могут быть приложены к любому из трех компонентов сварочного процесса, однако классифицировать их удобнее не по месту приложения, а по аналогии с параметрами сварочного процесса.

Источниками энергетических и кинематических возмущений являются промышленная сеть и в основном собственно сварочное оборудование: источники питания, аппаратура управления, приводы подачи электрода, перемещений и т. д. Источник технологических возмущений — несовершенство технологии подготовки заготовок и их сборки.

Непосредственное решение общей задачи автоматизации сварочных процессов затруднено многомерностью объектов автоматизации, поэтому эта задача обычно расчленяется на отдельные частные, в которых система «источник питания — источник нагрева — изделие» рассматривается в виде упрощенной совокупности одномерных объектов. При этом в качестве переменных принимаются только параметры, в той или иной степени характеризующие процесс образования сварных соединений и подлежащие в связи с этим стабилизации или изменению по заранее выбранному закону.

Качественный анализ сварочных процессов как объектов автоматического управления и четкое понимание происходящих в них явлений позволяют перейти к определению количественных характеристик этих объектов. Решение этой задачи в общем случае называется идентификацией объекта. При этом реальный объект отождествляют некоторой принятой априори формализованной модели.

Для одномерных объектов управления связь между входной и выходной величинами в установившемся состоянии определяется статической характеристикой. При исследовании объектов из множества их статических характеристик в каждом конкретном случае используется только та, которая связывает параметры процесса, подлежащие управлению. Наиболее широкое применение статические характеристики находят при исследовании устойчивости системы «источник питания — источник нагрева» [4].

В большинстве случаев сварочные процессы можно описать с достаточной точностью нелинейными дифференциальными уравнениями, анализ и решение которых сложны.

Сварочные процессы как объекты регулирования при правильном подборе их статических и динамических характеристик являются энергетически устойчивыми, т. е. обладают положительным самовыравниванием. Однако переход их под действием возмущений из одного энергетического состояния в другое сопровождается изменениями параметров режима сварки (тока, напряжения, скорости плавления и т. д.), т. е. появлением статических ошибок.

Если эти ошибки невелики и их влиянием на качество сварки можно пренебречь, то наиболее удобным способом управления оказывается программное по разомкнутому циклу. Программирующее устройство (ПУ) изменяет управляющее воздействие х_у по заранее известному закону, в соответствии с которым необходимо изменять управляемую величину х_вых в объекте управления (ОУ).

Разомкнутые системы программного управления (СПУ) получили широкое применение прежде всего из-за самой специфики сварочного производства, вытекающей из необходимости использования универсального оборудования для изготовления разнообразной номенклатуры изделий. СПУ, обеспечивая возможность быстрой перестройки сварочного процесса при переходе от одного типоразмера к другому простой сменой программы, наиболее полно отвечают требованиям индивидуального и мелкосерийного производств.

Временное программирование последовательности основных операций сварочного цикла широко применяется при автоматизации различных способов сварки. Объектами программного управления могут быть перемещения источника нагрева, подача присадочного материала при сварке плавлением, изменения сварочного тока при контактной сварке, перемещения свариваемых деталей. Операции возбуждения дуги и заварки кратера программируются при согласованном изменениискорости подачи электрода и моментов включения и выключения источника питания. В некоторых случаях программирование сварочного режима вызывается нестационарностью температурного поля в изделии и разветвлением теплового потока дуги (например, при сварке кольцевого стыка) на основной, движущийся вместе с дугой и встречный, движущийся навстречу дуге. Встречный поток изменяет условия формирования шва по сравнению с условиями сварки на непрогретом металле. Корректирование теплового режима осуществляется программным регулированием скорости сварки и тока дуги.

Рациональной областью применения СПУ без обратных связей является также наплавка сложных поверхностей штампов и штам-повых матриц [4]. В этом случае программируется перемещение наплавочной головки по трем пространственным координатами ее поворот вокруг каждой из осей в соответствии с профилем наплавляемой поверхности. Основной недостаток разомкнутых СПУ — их низкая точность при действии на объект регулирования разного рода возмущений, поскольку жесткое программирование исключает учет влияния возмущающих воздействий на регулируемую величину. Это влияние можно уменьшить, применяя разомкнутые системы компенсации. При отсутствии возмущения В регулируемая величина х_ВЬ1Х изменяется в соответствии с законом, задаваемым управляющим воздействием х_у. При возникновении возмущения последнее измеряется измерителем возмущений (ИВ), формирующим компенсирующее воздействие х_к, устраняющее влияние возмущения на х_ВЬ1Х.

Если обеспечивается полное устранение этого влияния, то рассматриваемая система оказывается инвариантной по отношению к данному возмущению. Практическое осуществление полностью инвариантных систем управления сварочными процессами затруднено, так как необходимо измерять и компенсировать все действующие возмущения. Поэтому применяют системы компенсации только одного, основного, возмущения.

Системы компенсации используют для стабилизации э. д. с. источников питания в условиях колебаний сетевого напряжения, для компенсации постоянной составляющей тока в вентильных прерывателях при точечной и шовной сварке и т. п.

Разомкнутые системы управления обладают существенным недостатком принципиального характера — закон изменения управляющего воздействия не учитывает действительного (фактического) изменения регулируемой величины под действием неучтенных возмущений, изменений характеристик объекта регулирования и т. п. В тех случаях, когда использование разомкнутых систем малоэффективно, применяют замкнутые системы автоматического регулирования (САР).

Наиболее простые программы управления сварочными циклами выполняются при механизированной дуговой сварке под флюсом и в защитных газах. Программа работы этих устройств заложена жестко уже на этапах разработки и изготовления оборудования и поэтому какие-либо изменения ее в процессе эксплуатации затруднены, поскольку это связано с перестройкой электрической и кинематической схем. Самый распространенный способ представления программы — описаниеШирокое распространение для описания программы работы оборудования получили циклограммы. Циклограммы аналогичны временным диаграммам и отличаются от последних лишь тем, что их вычерчивают без соблюдения масштаба времени. Программу работы оборудования можно представить также в виде блок-схемы алгоритмов, графа функционирования [5].

Список литературы:

1. Патон Б.Е. Проблемы комплексной автоматизации сварочного производства.: Докл. на междупвр. семинаре по автоматизации сварочного пр-ва.— К., 1980.— И с.
2. Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции: Технология изготовления, автоматизация пр-ва и проектирование сварных конструкций.— М.. Высш. шк., 1983.— 344 с.
3. Севбо П.И. Комплексная механизация и автоматизация сварочного производства.— К.: Техшка, 1977.— 416 с.
4. Патон Б.Е., Лебедев В. К. Электрооборудование для дуговой и шлаковой сварки.— М.: Машиностроение, 1966.— 359 с
5. Гаген Ю.Г., Таран В.Д. Сварка магнитоуправляемой дугой.— М.: Машиностроение, 1970.— 160 с.