Введение к работе
Актуальность работы. В атомной и энергетической отраслях промышленности РФ используется большое количество трубных стыков диаметром более 100 мм из высоколегированных коррозионно-стойких сталей аустенитного класса, позволяющие транспортировать коррозионно-агрессивные высокотемпературные среды. По различным причинам такие свариваемые стыки находятся в неповоротном состоянии, и сварка осуществляется в различных пространственных положениях. При сварке этих труб наибольшее распространение получила автоматическая многопроходная орбитальная сварка неплавящимся электродом (МОС). К размерам сварных швов данных трубопроводов предъявляются жесткие требования.
Анализ технологических особенностей сварки этих трубопроводов при ремонте показал, что причиной несоответствия размеров швов требованиям нормативно-технической документации (НТД) являются случайные отклонения параметров процесса, обусловленные неточностью сборки стыка под сварку, базирования стыка относительно горелки в процессе сварки, нестабильностью работы источника питания и т.д. Кроме того, отклонения размеров шва от нормативных значений обусловлены изменением пространственного положения сварки.
При создании технологии необходимо определить оптимальные параметры режима и допуски на них, при которых удовлетворяются требования НТД. На практике эта задача решается экспериментально, что требует значительных материальных и временных затрат. Особенно эти затраты существенны при создании технологии многопроходной сварки, где параметры необходимо определить для каждого прохода или слоя. Это делает экспериментальную методику крайне неэффективной при определении допусков на параметры и оптимизации процесса по стабильности формирования шва. С другой стороны, развитие методов компьютерной разработки технологий и создание специализированного программного обеспечения позволяют значительно снизить затраты при подготовке новых производств.
Поэтому решение проблемы определения оптимальных параметров режима и допускаемых отклонений на них, а также программирования параметров режима в процессе МОС на основе численного моделирования, обеспечивающих соответствие жестким требованиям НТД на размеры шва, является актуальной задачей.
Целью работы является повышение эффективности разработки технологического процесса орбитальной сварки вольфрамовым электродом трубопроводов диаметром более 100 мм на основе численного моделирования процесса.
Методы исследования
Экспериментальная отработка разработанных расчетных методов и математической модели проводилась с использованием трубосварочного монтаж-
ного автомата ТАМ-2, посредством изготовления макрошлифов поперечных сечений швов с последующим замером геометрических размеров. Решение уравнений разработанной математической модели процесса МОС реализовано численным конечно-разностным методом. Оценка погрешности модели произведена по методике сравнения множеств результатов расчетов с экспериментальными данными, выполненных при разных наборах параметров режима, а также посредством совмещения расчетных и натурных макрошлифов.
Научная новизна работы
-
Разработана нестационарная физико-математическая модель процесса многопроходной орбитальной сварки вольфрамовым электродом в виде системы дифференциальных уравнений тепломассопереноса и равновесия давлений на поверхности расплава, учитывающая наличие присадочной проволоки, форму разделки кромок, координаты положения сварочной горелки относительно разделки кромок, а также форму поверхности металла, сформировавшуюся после сварки предыдущих проходов.
-
На основе разработанной модели создан алгоритм для решения обратных технологических задач по определению оптимальных параметров режима сварки -тока дуги и скорости подачи присадочной проволоки;
-
Созданы методики:
программирования сварочного тока в процессе сварки для получения шва требуемых размеров;
определения допустимых отклонений на нестабильные параметры режима, обеспечивающие получение шва с размерами, находящимися в пределах допуска, установленного в нормативно-технической документации.
Практическая ценность работы
На основе разработанных модели и алгоритмов была впервые создана компьютерная программа «MultiPassTIG v. 1.0» для моделирования формирования многопроходного шва в процессе орбитальной сварки, а также для решения обратных задач по определению тока дуги и скорости подачи присадочной проволоки в ходе имитации формирования шва по заданным его размерам. Разработанные методики расчета геометрических размеров шва при заданных параметрах режима, определения тока дуги и скорости подачи присадочной проволоки для получения шва заданных размеров, а также расчета допусков на параметры режима с использованием программы «MultiPassTIG v. 1.0» были внедрены в ФГУП «ИСК «Росатомстрой» - НИКИМТ, где они были использованы при подготовке технических требований на проектирование автоматов и источников питания для орбитальной сварки, а также технологических рекомендаций для сварки трубных стыков регенеративной установки ПН-1800 атомного реактора РБМК-1000 в ремонтных условиях.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на Четвертой Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в соединении
материалов» (Тула, 2003 г.); на Первой Международной научно-технической Интернет-конференции «Компьютерные технологии в соединении материалов» (Тула, 2005 г.); на заседании кафедры СЛиТКМ Тульского государственного университета (Тула, 2008 г.); на заседаниях кафедры Технология сварочного производства ГОУ ВПО «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского (Москва, 2007, 2008 гг.); на научном семинаре стипендиатов Российско-германской программы «Михаил Ломоносов» 2007/08 (DAAD, Москва, 2008).
Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 11 работах.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 142 страницы машинописного текста, включая 62 рисунка и 17 таблиц. Список использованной литературы включает 110 наименований.
