17.10.2018
Применение вагонки с целью отделки жилого здания называют наиболее подходящим решением как для внутренних, так и для внешних...


17.10.2018
Производство сборно-разборных ангаров осуществляется на базе каркаса из металла, характеризующегося высочайшим уровнем прочности....


16.10.2018
Грейфер – специализированное приспособление, основной функцией которого является перемещение и разгрузка (погрузка) различных...


16.10.2018
Проведение геодезических изысканий востребовано и актуально, и применяется для решения задач, связанных с постройкой, ремонтом,...


15.10.2018
В наше время известняковый щебень считается весьма востребованным материалом для выполнения строительных процедур. Его залегание...


15.10.2018
Весьма красочным, необычным и практичным элементом любого интерьера может оказаться коврик компактных размеров, для него можно...


Контактная сварка

12.07.2018
В начале 50-х годов прошлого столетия под руководством Б.Е. Патона в ИЭС впервые были начаты работы по контактной сварке. Работы носили комплексный характер: наряду с разработкой различных технологий сварки давлением создавались системы автоматического управления процессом сварки и оборудование для его осуществления. Такая организация научно-исследовательских работ позволила в 1950-60-х гг. создать совершенно новое направление — контактную сварку деталей большого поперечного сечения, не имеющую аналогов в мировой практике. Б.Е. Патон внес значительный вклад в его развитие своими работами в области автоматического управления и энергопитания контактных машин. Эти работы обобщены им в монографии, подготовленной в соавторстве с В.К. Лебедевым.

Исследования физических особенностей нагрева при контактной сварке показали, что применяемый в большинстве известных контактных стыковых машин метод сварки оплавлением с предварительным подогревом сопротивлением характеризуется низкими энергетическими показателями, так как потери энергии в сварочной цепи контактных машин соизмеримы с ее расходом на нагрев свариваемых деталей. Особенно низкие показатели приходятся на период нагрева металла при подогреве сопротивлением в режиме коротких замыканий. В период оплавления энергетические показатели выше, но достигнуть устойчивого оплавления удается только после подогрева до высокой температуры.

Было установлено, что снижение сопротивления короткого замыкания сварочной цепи позволяет значительно уменьшить потери энергии, при этом повышается устойчивость процесса оплавления и появляется возможность его возбуждения без предварительного энергоемкого периода подогрева сопротивлением. Результаты этих исследований на много лет предопределили совершенствование способа контактной стыковой сварки путем создания технологий, базирующихся на использовании сварки непрерывным оплавлением без предварительного подогрева сопротивлением.

На следующем этапе целенаправленно проводились изыскания путей снижения сопротивления короткого замыкания в контактных машинах различного назначения. Определено влияние индуктивной и активной составляющих сопротивления сварочной цепи на процесс нагрева и устойчивость оплавления. Построены и изучены внешние характеристики различных машин для контактной сварки и определены возможные области достижения устойчивого оплавления при сварке деталей с различной площадью поперечного сечения.

Были предложены схемы расчета элементов сварочного контура контактных машин и проведено моделирование различных конструкций сварочной цепи стыковых машин с учетом их специализации. Показано, что создание дополнительных параллельных цепей вторичного контура в сочетании с увеличением количества параллельно работающих сварочных трансформаторов дает наиболее радикальные результаты и обеспечивает снижение сопротивления сварочной цепи в несколько раз. Использование трансформаторов специальной конструкции, магнитопровод которых охватывает весь периметр свариваемых деталей, позволяет снизить сопротивление на порядок и более. Такие трансформаторы особенно эффективны при сварке деталей, имеющих развитое сечение (трубы, листы, профили). Эти разработки стали научной основой конструирования практически всех стыковых машин, созданных в ИЭС, которые отличаются низким сопротивлением сварочной цепи и лучшими энергетическими показателями по сравнению с известными отечественными и зарубежными машинами.

Изыскание путей снижения сопротивления короткого замыкания в сварочных машинах дало возможность значительно расширить области применения сварки непрерывным оплавлением без предварительного подогрева сопротивлением и улучшить энергетические показатели при сварке тонкостенных деталей. При сварке деталей с большой толщиной стенки (5 > 10...12 мм) достигнуть устойчивого оплавления без подогрева не удалось. Кроме того, с увеличением толщины деталей требовалось большее энерговложение, что невозможно в случае непрерывного оплавления. Эти проблемы решены благодаря разработкам систем автоматического регулирования процесса оплавления. Установлено, что устойчивое оплавление деталей с большими поперечными сечениями невозможно при жестко заданных программах изменения основных параметров сварки (скорость оплавления и напряжение холостого хода). Разработанные регуляторы скорости дают возможность автоматически корректировать скорость оплавления, заданную программой, в периоды, когда ток в сварочной цепи превышает установленные значения. Были определены статические характеристики таких регуляторов и требования к быстродействию гидропривода контактных машин. Показано, что с повышением инерционности приводов необходимо изменять параметры статической характеристики регуляторов.

Результатом этих исследований явилось создание научной базы для расчета и выбора компонентов гидроприводов мощных машин для стыковой контактной сварки, вес подвижных колонн которых может измеряться десятками тонн.

Применение регуляторов скорости позволило возбуждать и поддерживать стабильным процесс непрерывного оплавления при сварке компактных и развитых деталей с площадью поперечного сечения до 100 тыс. мм2. Для получения качественных соединений таких деталей требуется интенсивный нагрев свариваемых торцов, которого не удавалось достигнуть при канонических способах сварки оплавлением. Кроме того, при сварке таких деталей ограничены возможности энергоснабжения и необходимо стремиться к снижению потребляемой мощности.

Проведенные исследования подтвердили, что наиболее высокий термический КПД процесса оплавления обеспечивается в тех случаях, когда все стадии процесса оплавления происходят при минимальных значениях напряжения. При этом меньшая часть энергии расходуется на взрывообразное разрушение контактов и потери на испарение, а нагрев деталей увеличивается. Для выполнения этого условия напряжение необходимо равномерно снижать по мере нагрева торцов деталей по заданной программе.

С участием Б.Е. Патона были разработаны различные системы программного снижения напряжения в процессе оплавления. Наиболее эффективным оказалось управление вентилями за счет изменения угла их включения. В этом случае обеспечивается плавное снижение напряжения без длительных перерывов в протекании тока, которые неизбежно возникают при переключении напряжения с помощью коммутаторов механического типа. Исследовано влияние перерывов тока, возникающих при управлении вентилями, на устойчивость процесса оплавления. Установлены допустимые пределы изменения этих параметров, при которых процесс остается стабильным.

Устойчивое оплавление при минимально возможном в каждый его период напряжении обеспечивается только в том случае, когда сопротивление сварочной цепи и напряжение в сети остаются постоянными в течение всего периода сварки.

В реальных условиях эти величины не остаются постоянными, и для устойчивого оплавления необходимо корректировать программы. Разработанные программирующие устройства позволяют задавать любую программу изменения напряжения в функции длительности процесса или припуска на оплавление, стабилизировать первичное напряжение, корректировать изменение напряжения при возрастании сопротивления сварочной цепи.

Как и в регуляторе скорости, в программирующем устройстве применена быстродействующая обратная связь напряжения по сварочному току. В случае спонтанного увеличения сварочного тока напряжение повышается относительно уровня, заданного программой, что приводит к ускорению плавления контактов и уменьшению проводимости контакта между деталями. В первых промышленных системах регулирования напряжения использовались игнитронные вентили, в оборудовании последующих поколений они были заменены тиристорными. Системы непрерывно совершенствовались; в современных образцах используются самонастраивающиеся системы, которые обеспечивают выполнение оптимальных программ снижения напряжения с учетом реальных условий сварки (сопротивления сварочной цепи и напряжения источника электропитания).

Перечисленные фундаментальные работы положены в основу разработки многих поколений машин для контактной стыковой сварки различного назначения, созданных в ИЭС за последние 30 лет. Все машины отличаются оригинальными конструкциями сварочной цепи и сварочных трансформаторов, оборудованы регуляторами скорости оплавления и напряжения, программирующими устройствами. Эти разработки запатентованы во многих странах и входят в состав оборудования, экспортируемого в различные страны, а также являются предметом лицензионных соглашений.

Среди крупных разработок в области контактной сварки, получивших мировую известность, следует выделить технологии и оборудование для контактной сварки труб, рельсов, деталей аэрокосмической техники.

Co времени строительства газопровода Дашава-Киев (первые послевоенные годы) Б.Е. Патон много внимания уделял развитию трубного производства и строительству трубопроводов. При его активном участии была выполнена крупная разработка — создание технологии и комплексов оборудования для контактной сварки трубопроводов различного назначения. Уже начальные работы в этом направлении увенчались созданием и опробованием в производственных условиях первых образцов машин для контактной сварки труб. В их основу была положена идея использования трансформаторов специальной конструкции, обеспечивавшей снижение сопротивления сварочного контура почти на порядок по сравнению с каноническими машинами. Появилась возможность сваривать трубы диаметром до 400 мм с использованием технологии контактной сварки непрерывным оплавлением. В последующие годы технология и оборудование совершенствовались; было разработано несколько поколений трубосварочных машин различного назначения. В частности, создано оборудование для сварки обсадных труб над устьем скважины, что позволило значительно сократить расходы на бурение скважин.

В начале 1970-х гг. в связи со значительным увеличением объемов строительства трубопроводов, в том числе сверхмощных трубопроводов диаметром 1420 м, возникла необходимость создания высокопроизводительного оборудования для автоматической сварки труб в полевых условиях, в том числе в условиях Крайнего Севера.

Было принято решение поддержать идею Б.Е. Патона о создании передвижного трубосварочного комплекса на базе контактной сварки оплавлением; разработан проект уникального трубосварочного комплекса «Север» для сварки трубопроводов диаметром 1420 мм. Сварочная машина представляет собой самоходный внутритрубный снаряд, перемещающийся внутри трубопровода как по готовому пути. Внутритрубное исполнение таких машин позволило значительно уменьшить их массу (отнесенную к единице площади свариваемого сечения) и определить наиболее эффективную схему организации работ при сварке монтажных стыков трубопроводов. При этом удалось значительно (в 20 раз) снизить сопротивление сварочной цепи за счет ее оригинальной конструкции и использования специального трансформатора. Благодаря этому значительно уменьшилась мощность, потребляемая при сварке, что позволило решить проблему энергоснабжения сварочных машин при питании в полевых условиях от мобильных электростанций.

За последние десятилетия выпущено несколько поколений машин для контактной сварки трубопроводов различного назначения, контактным способом сварено более 70 тыс. километров различных трубопроводов в том числе около 6000 км самых мощных трубопроводов (диаметром 1420 мм). Все трубопроводы успешно эксплуатируются по настоящее время.

Первые машины для сварки рельсов в полевых условиях были созданы в начале 1960-х гг. До их появления сварка рельсов выполнялась на заводах. Для этой цели использовались контактные машины мощностью 500...700 кВ-A, имеющие вес 15...25 т. При строительстве бесстыковых путей в стационарных условиях сваривались плети длиной 400...800 м, которые специальными поездами транспортировались к месту укладки, что значительно усложняло строительные работы. Кроме этого, не был решен вопрос ремонта путей, так как равнопрочные соединения рельсовой стали можно было обеспечить только контактной сваркой.

Целью работ, проведенных в ИЭС, было создание легких мобильных машин с минимальным энергопотреблением и высокой производительностью. В основу решения этой задачи, как и в предыдущем случае, была положена технология сварки непрерывным оплавлением с программным регулированием основных параметров процесса. Конструктивные решения основных узлов машины, прежде всего сварочной цепи, выполнены с участием Б.Е. Патона. В машинах использовались два трансформатора, встроенные в корпуса зажимов, а в качестве элементов вторичного контура использованы штоки привода осадки. Такая компоновка позволила в 2,5-3,0 раза снизить сопротивление короткого замыкания, а программное регулирование напряжения и скорости — обеспечить нагрев рельсов, необходимый для качественной сварки без энергоемкого предварительного подогрева сопротивлением.

Благодаря этим новациям мощность, необходимая для сварки, была уменьшена в 3-4 раза, а вес машины — в 8-10 раз по сравнению с известными стационарными рельсосварочными машинами. Разработанные в ИЭС и изготавливаемые Каховским заводом электросварочного оборудования мобильные рельсосварочные машины широко используются при строительстве и ремонте бесстыковых железнодорожных путей и экспортируются во многие страны мира. Разработка технологии и оборудования для сварки рельсов в полевых условиях была отмечена Ленинской премией за 1966 г.

Разработки в области автоматического управления контактной сваркой оплавлением получили дальнейшее развитие в 1970-80-е гг. при создании в ИЭС комплексов оборудования для контактной сварки деталей сложного профиля из высокопрочных сплавов на основе алюминия. Такое оборудование используется до настоящего времени на ведущих предприятиях авиационной и ракетостроительной отрасли. При изготовлении многих ответственных узлов ракетных систем «Энергия», «Зенит», «Циклон» и других использовалась контактная стыковая сварка. Многолетнее применение этой технологии свидетельствует о стабильном качестве соединений; в производственных условиях получают сварные швы, практически равнопрочные с основным металлом. Решение этой сложной задачи стало возможным благодаря созданию систем многофакторного регулирования процесса оплавления деталей сложного сечения, а также оригинальной конструкции сварочной цепи, встроенной в корпус зажимов сварочных машин. Комплекс работ по созданию технологий и оборудования для контактной сварки элементов узлов ракет отмечен Государственной премией России в 1986 г.

В связи с возросшими требованиями, предъявляемыми к качеству сварных конструкций в конце 1950-х гг. в ИЭС под руководством и при непосредственном участии Б.Е. Патона были начаты работы, посвященные комплексной механизации и автоматизации контактной точечной, шовной и рельефной сварки.

Применительно к контактной точечной сварке они развивались в следующих направлениях: разработка локальных систем управления и контроля; разработка устройств для программирования параметров режимов сварки.

Первые работы в области автоматизации были посвящены изучению процесса контактной точечной сварки как объекта автоматического управления и регулирования. Было установлено влияние основных параметров режима (сварочного тока, усилия сжатия электродов, длительности сварки и др.) на основные показатели качества соединений: диаметр ядра сварной точки, глубину проплавления, прочность на срез и разрыв.

Изучение вопросов автоматического регулирования сварочных процессов показало, что для обеспечения высокого качества сварных соединений необходимо применять программирующие устройства и автоматические регуляторы. Определились возможные области применения в сварочном производстве совершенных систем программного регулирования и кибернетики.

Рассматривались возможные системы управления и регулирования точечной и шовной сварки. Проанализированы несколько типов соответствующих систем: жесткого управления, автоматической компенсации, автоматического регулирования и комбинированных. Подтвердилась целесообразность применения комбинированных регуляторов с компенсирующими устройствами для автоматического регулирования быстропротекающих процессов сварки; была разработана схема такого регулятора. Проведенные испытания системы показали, что она имеет высокие статические и динамические характеристики.

Большое внимание Б.Е. Патон уделял разработке и созданию устройств для программирования режимов сварки. Так появились программирующие устройства для автоматического регулирования быстропротекающих и длительных процессов сварки. Программа режима сварки записывается на специальных носителях, предназначенных для многократного использования, что повышает технологическую дисциплину на предприятиях. Следует отметить, что уже в 1950-х гг. в ИЭС для этих целей стали использоваться электронные носители.

Дальнейшее совершенствование программирующих устройств связано с использованием электронных устройств развертки. Развертка во времени осуществлялась с помощью специальных газоразрядных приборов — декатронов, что позволило повысить надежность оборудования при эксплуатации в условиях сварочных цехов.

В начале 1960-х гг. Борис Евгеньевич обосновал перспективность широкого применения автоматических систем управления. Было показано, что контактные машины с программным управлением и регулированием должны сыграть большую роль в сварочном производстве. С их использованием создаются условия для значительного повышения производительности труда. Становятся возможными централизованная подготовка и рассылка родственным предприятиям программ оптимальных режимов сварки. Это позволяет обеспечить стабильное высокое качество сварных соединений. Дальнейший прогресс сварочной техники связан с созданием и широким внедрением совершенных систем программного и кибернетического регулирования.

В связи с появлением новой элементной базы разработаны цифровые системы управления контактными точечными машинами. Преимуществами таких систем являются высокая помехоустойчивость и надежность, абсолютная точность отработки заданных интервалов времени для каждой операции, малая зависимость работы аппаратуры от колебаний напряжения сети и других возмущений. Аппаратура, созданная для точечной и стыковой сварки, имеет высокие технические характеристики.

При сварке деталей малых толщин применяются жесткие режимы сварки, при которых длительность процесса составляет сотые доли секунды. В этом случае система управления должна отличаться значительным быстродействием. Был разработан принцип действия регулятора, заключающийся в принудительном гашении игнитронов, что позволяет корректировать сварочный ток (напряжение) после зажигания игнитрона в том же полупериоде. Такие регуляторы целесообразно применять при очень жестких режимах, например при микросварке материалов малых толщин.

Предложен также способ автоматического регулирования режима контактной сварки, в котором с целью повышения точности управление сварочным током или напряжением осуществляют путем гашения газоразрядного прибора в каждом полупериоде в момент, когда эффективное значение тока или напряжения достигает заданного уровня.

Дальнейшее совершенствование систем автоматического управления и регулирования стало возможным благодаря более глубокому изучению процессов контактной сварки и созданию математических моделей этих процессов. Для этого под руководством и при непосредственном участии Б.Е. Патона в начале 1970-х гг. были созданы первые автоматизированные системы для научных исследований на основе вычислительной техники, включая мини- и микроЭВМ. Такие системы имеют широкие возможности при изучении процесса точечной сварки различных сталей, алюминиевых и магниевых сплавов.

В ряде публикаций описаны принципы построения, структурная схема и состав программного обеспечения автоматизированной системы для экспериментальных исследований сварочных процессов на базе вычислительного комплекса М-6000. Приведен пример использования системы для разработки и исследования математических моделей контактной точечной сварки с целью создания алгоритмов контроля и управления процессом.

С использованием разработанной методики построения математических моделей процесса точечной контактной сварки получены математические модели на основе уравнений регрессии. Модель включает основные параметры процесса и показатели качества — диаметр ядра точки и ее прочность. С помощью таких моделей разработаны алгоритмы для контроля качества. Применение статистических моделей перспективно для систем прогнозирования качества сварки и оптимального управления.

Система контроля качества сварки на основе многофакторной модели реализована в серийном производстве клеесварных панелей узлов самолетов из алюминиевых сплавов.

В последнее время прогнозирование качества сварки происходит с применением принципов искусственного интеллекта, в частности, используются нейронные сети. На основе искусственных нейронных сетей создаются модели сложных нелинейных объектов для контроля качества точечной сварки в широком диапазоне изменения параметров режима и толщин свариваемых деталей.

Уделяется внимание вопросам оценки качества контактной точечной сварки в реальном времени с использованием регрессионных моделей и искусственных нейронных сетей. Проведены исследования структуры нейронной сети, разработана оптимальная для точечной сварки трехслойная нейросетевая модель типа 9-3-1, на входы которой подаются сигналы о сварочном токе, напряжении на электродах и продолжительности сварки, а на выходе предсказывается диаметр ядра сварной точки. После обучения, в результате которого определяются синаптические коэффициенты и пороги, нейронная сеть позволяет проводить оценку качества сварки по диаметру ядра или прочности сварного соединения. Экспериментальные исследования, проведенные при точечной сварке низкоуглеродистой стали различной толщины, показали, что при помощи нейросетей можно прогнозировать размеры сварной точки с требуемой для производства точностью.

Предложенные Б.Е. Патоном принципы построения автоматических систем и оригинальные технические решения легли в основу современных компьютерных систем управления и контроля, которые в настоящее время применяются в сварочном производстве и обеспечивают высокое качество сварных конструкций в различных отраслях промышленности.