Устройство сопутствующего местного нагрева кольцевых сварных стыков

 

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для систем сопутствующего местного нагрева кольцевых стыков крупногабаритных цилиндрических изделим Цель изобретения повышение качества сварки путем повышения точности поддержания теплового режима процесса Устройство содержит нагреватели, сварочный автомат, переключатель режимов работы , коммутатор силовых цепей питания нагревателей с их источниками питания Система питания нагревателей выполнена многоканальной, а устройство обеспечено системой управления с микропроцессорным вычислительным блоком По информации с датчиков температуры, скорости вращения, мощности сварочного автомата и мощности нагревателей стабилизируется термический цикл сварки Изобоетение позволяет снизить вероятность образования трещин в сварном соединении путем стабилизации термического цикла 4 ил

союз совг.гских социялистических

Р F- О1У БЛ И К (51ls В 23 К 13/00

FOC ЛЯРСT RF ill ll>lli1 по изог.г тг»-пиям и откг-ьииям ппи Г vl lт ссср

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4698930/27 (22) 31.05.89

346) 15.11.91, Вюл. (Ф 42 (; l) Институт технической теплофиэики AH

УС(P (72) В.М,Борэаковский, А.B.ÊîçëîB и

А.И.Петров (53) 621.791,77 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

N. 812472, кл. В 23 К 13/00, 1979. (54) УСТРОЙСТВО СОПУТСТВУЮЩЕГО

МЕСТНОГО НАГРЕВА КОЛЬЦЕВЫХ СВАРНЫХ СТЫКОВ (57) Изобретение относится к машиностроению и предназначено для систем сопутствующего местного нагрева кольцевых стыков крупногабаритных цилиндрических иэдеИзобретение относится к машиностроению и предназначено для систем сопутствующего местного нагрева кольцевых сварных стыков крупногабаритных цилиндрических изделий, Цель изобретения — повышение качества сварки путем повышения точности поддержания теплового режима процесса.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства; на фиг.2 — идеальный терл»ичегкий цикл сварка — охлаждение — подогрев; на фиг.3 и 4 — реальные термические циклы, обеспечиваемые устройством на кольцевых сварных стыках большего диаметра.

Устройство содержит первую 1, вторую

2 v третью 3 группы нагревателей, соединенные первой 4, второй 5 и третьей 6 силовыми линиями с силовыми выходами коммутатора 7. пеовый 8, второй 9 и третий

10 силовыР вхпДы которого соРДи нРН ы с со

50,», 1691007 А1 лий. Цель изобретения - повышение качества сварки путем повышения точности поддержания теплового режима процесса, Устройство содержит нагреватели, сваро 3ный автомат, переключатель режимов работы, коммутатор силовых цепей питания нагревателей с их источниками питания. Система питания нагревателей выполнена многоканальной, а устройство обеспечено системой управления с микропроцессорным вычислительным блоком, По информации с датчиков температуры, скорости вращения, мощности сварочного автомата и мощности нагревателей стабилиз,.руется термический цикл сварки. Иэобоетение позволяет снизить вероятность образова3 ия трещин в сварном соединении путем стабилизации термического цикла. 4 ил ответствующими силовыми выходами переключателя 11 режимов работы. Первый, вiорой и третий силовые входы переключателя

11 режимов работы соединены с выходами первого 12, второго 13 и третьего 14 источников питания, снабженных первым 15, вторым 16 и третьим 17 регуляторами напряжения на первичных обмотках их трансформаторов, Последние подключены силовыми линиями к сети с образованием отдельных каналов питания первой 1, ВТ0рой 2 и третьей 3 групп нагревателей. Переключатель 11 режимов работы включен четвертым выходом в цепь сварочного автомата 18 сл»лг3вь м31 линиями 19 Микропроцессооныи вы«ислительный блок 20 первыл» входол» связан по информационным каналам 21 с выходами первого 22, второго 23 и третьего 24 измерителеи могц3-3ос1и групп нагрева»елей 1, 2 и 3 вторыл» входол» г.

1691007 измерителем 25 мощности сварочного автомата 18, третьим входом связан с первым

:!6, нторым 27, третьим 28 измерителями напряжения на первичных обмотках трансформаторов источников питания 12, 13 и 14 рупп нагревателей 1, 2 и 3 соответственно, четвертым входом с датчиком 29 температуры, пятым входом с датчиком 30 скорости вращения, а первым выходом с блоком 31 регистрации данных. Вычислительный блок

20 по к-налам 32 управления вторым выходом связан также с управляющим входом сна речного автомата 18, третьим выходом с переключателем 11 режимов работы, четвертым выходом с четвертым входом коммутатора 7, пятым выходом с регуляторами напряжения 15, 16 и 17, шестым выходом с блоком 31 регистоации данных, а по каналам 33 обратной связи — шестым входом с коммутатором 7 и седьмым входом с переключателем 11.

Устройство работает следующим образом, Устанавливают изделие на поворотный, например роликовый стенд, группы нагревателей 1, 2 и 3 устанавливают на свариваемый стык изделия, вь1числительный блок

20 по информационным каналам 21 опрашивает датчики 29 температуры и 30 скорости вращения, измерители 22 — 28, поскольку емпература изделия ниже заданной, то вычислительный блок 20 подает сигналы по каналам 32 управления на коммутатор 7, переключатель 11 режимов работы, регуляторы 15, 16 и 17 напряжения источников 12, 13 и 14 и коммутирует силовые цепи 4, 5 и 6 каналов питания групп нагревателей 1, 2 и

3, При этом микропроцессор устанавливает и поддерживает мощность источников 12, 13 и 14 питания на уровне, определяемом оптимал ьн ым протеканием металлургических процессов в металле изделия. При выходе температуры стыка изделия на уровень, достаточный для начала сварки, вычислительный блок 20 по каналам 32 управления подает команду на сварочнь|й авомат 18 и leðåêëþ÷àòåëü 11, включаются соответствующие контактные группы, коммутируется силовая линия 19 сварочногоав..омата 18. и начинается процесс сварки.

Поскольку при этом к свариваемому стыку изделия начинает подводиться дополниельная мощность, контролируемая нычис ительным блоком 20 по измерителю 25 мощности сваоочного автомата, то но избе:кание г1онышения температуры изделия выше предусмо грен ной технологическим процессом после опроса микропроцессорным Bhl÷èñëëòåëüíûì блоком 20 состояния переключателя 11 и коммутатора 7 по кана10

55 лам 33 обратной связи он ггрдает по каналам

32 управления команду на регуляторы 15, 16 и 17, переключатель 11 и коммутатор 7, по которой регуляторы 15, 16 и,7 устананлинают требуемые уровни мощности источников

12, 13 и 14, переключатель 11 подает питание на силовые входы 8, 9 и 10 коммутатора

7, а последний коммутирует соответствующие силовые цепи групп нагревателей 1, 2 и

3 таким образом, что уровень и профиль температуры s изделии, контролируемые микропроцессорным вычислительным бло ком 20 непрерывно с помощью датчиков 29 температуры и 30 скорости движения, соответствовали оптимальному технологическому режиму, В процессе формирования управляющего сигнала микропроцессорный вычислительный блок 20 решает н реальном времени задачу теплопронодности на основе данных. поступающих по информационным канала 4 21, и вырабатывает команду управления с учетом теплового состояния иэделия и информации, поступающей по каналам 33 образиной связи. Текущая информация о технологическом процессе поступает н блок 31 регистрации данных по информационному каналу 21 и регистрируется этим блоком по командам, формируемым вычислительным блоком 20 с учетом данных о состоянии системы, поступающих по каналам 33 обратной связи.

В процессе сварки металл поднергается локальному резкому нагреву и последующему довольно быстрому охлаждению вследствие интенсивного оттока теплоты от зоны сварки вглубь изделия, Неорганизованные процессы резкого локального нагрева и охлаждения изделия приводят к образованию микро- и макротрещин в сварочном шве, к нежелательным металлургическим и ревращениям в металле, граничащем с зоной сварки, Эти процессы усугубляются при сварке толстостенных крупногабаритных изделий, когда производится многослойная сварка. Предупредить возникновение и развитие нежелател oíûõ из.менен.ий .н сварочном шне и окружающем его металле можно путем предварительного, сопутствующего и последующего нагренон сварных стыков изделия. При сопутствующем нагреве стыков с помощью электрических нагревателей для стабилизации температурного режима изделия важно поддерживать неизMeHной мощность подвода энергии к иэделию. R ходе прерывистого процесса сварки при резком изменении условий окружающей среды при внезапном отключении сварочного автомата неизменность подвода мощности к изделию осуществляется включением или отключением групп нагрн1691007 вателей 1, 2 и 3, а при плавном изменении мощности сварочного автомата 18 или условий окружающей среды — изменением мощности нагревателей. Задача выбора оптимального температурного режима изделия в создавшихся условиях при минимально возможных энергозатратах решается в реальном времени микропроцессорным вычислительным блоком 20 на основе анализа данных измерений температуры свариваемых стыков изделия, скорости движения поверхности изделия относительно сварочного автомата и нагревателей при его вращении на роликовом поворотном стенде, мощностей нагревателей и сварочного автомата, Основной зада ей местного подогрева при сварке низколегированных сталей является поддержание в течение процесса сварки и заданного времени после его окончания значений температуры всех точек сварного шва и околошовной эоны в пределах t>-t»«(get,2). Эти ограничения температуры связаны по t.. " требованием предотвращения появления холодных трещин в сварных соединениях. по 1макс — с необходимостью сохранения требуемых свойств металла сварных соединений, Идеальным будет термический цикл сварка— охлаждение — пэдогрев, который обеспечивает вид зависимости температуры шва от времени t (т ), см. фиг.2.

Подогрев в идеальном цикле вырождается 8 термостабилизацию (участок А-Б на фиг.2) и лишь компенсирует охлаждение околошовной зоны и шва за счет теплоотдачи в окружающий воздух и теплопроводности в металле, Для обеспечения такого цикла нагреватели должны охватывать почти весь периметр сварного соединения за исключением небольшого участка после сварочного автомата. Такой цикл обеспечивает минимум затрат энергии на подогрев, К нагревателям предьявляются два требования: величина предельной удельной поверхностной мощности нагревателей не должна приводить к превышению допустимого для металла градиента температуры; суммарная мощность нагревателей должна быть достаточной для обеспечения неравенства t (r)>tn(см, . ф .2,3иа), На практике, особенно при сварке изделий больших диаметров, обеспечение полного схватывания периметра нагревателями требует сложной оснастки, Для упрощения последней нагревателями подогревают только часть периметра. При этом затраты энергии на подогрев возрастают (фиг.3).

Тепловые процессы при подогреве, сварке и охлаждении были подробно исследованы, получена экономическая математическая модель тепловых процессов, 5 реализуемая в микропроцессорном вычислительном блоке 20 в реальном масштабе времени.

Сущность алгоритма заключается в стабилизации темпеоатуры сварного соедине10 ния. Такие алгоритмы известны в теории автоматического регулирования. Модель используется для определения и необходимых уточнений коэффициентов, используемых в выбранном алгоритме, 15 Поддержание требуемых значений температуры обеспечивает необходимые прочностные свойства.

Применение изобретения обеспечивает высокую точность соблюдения технологиче20 ского процесса, оптимальные режимы сварки, что, соответственно, ведет к повышению качества сварки независимо от внешних условий для широкого диапазона толщин свариваемых изделий.

Формула изобретения

Устройство сопутствующего местного нагрева кольцевых сварных стыков, содер30 жащее датчики температуры зоны и скорости перемещения сть;ка, нагреватель с его источником питания, сварочный автомат, микропроцессорный вычислительный блок, первый выход которого соединен с блоком

35 регистрации данных, второй выход — с входом управления сварочного автомата, первый вход — с датчиком температуры, второй вход — с датчиком скорости перемещения, от л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью

40 повышения качества сварки путем повышения точности поддержания теплового режима процесса, оно снабжено п нагревателями с их источниками питания, и измерителями мощности нагревателей, а

45 также и каналами, включающими последовательно соединенные регулятор напряжения, измеритель напряжения источника питания, а также переключатель режима работы, коммутатор и датчик мощности сва50 рочного автомата, причем каждый канал через последовательно соединенные переключатель режима работы и коммутатор подключен к соответствующему нагревателю, причем третий вход микропроцессорно55 го вычислительного блока соединен с измерителями напряжения источника питания, четвертый вход — с датчиком мощности сварочного автомата, пятый вход — с измерителями мощности нагревателей, а третий выход — c управляющим входом переключа1691007 еля режимов работы, четвертый выход — с управляющим входом хоммутатора, пятый выход — с управляющими входами регуляторов напряжения, 1691007

Составитель В.Бродягин

Редактор Л.Веселовская Техред M.Óoðãeíòàë Корректор М.Демчик

Заказ 3888 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород, ул.Гагарина, 101