Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Сварка является одним из основных технологических процессов на машиностроительных предприятиях и в строительно-монтажных организациях Беларуси. На изготовление сварных конструкций используется более половины металла, перерабатываемого в республике. Состояние сварочных, технологий оказывает существенное влияние на потребительские свойства многих видов продукции.
В настоящее время на предприятиях республики активно идет процесс аттестации сварочных технологических процессов. Их состояние оценивается, как правило, уровнем брака выпускаемой продукции, который определяется приемочным контролем, регистрирующим недопустимые дефекты. Такая оценка не всегда эффективна, она не раскрывает возможности технологического процесса, не указывает причины его нестабильности и факторы, приводящие к снижению качества. Недопустимые дефекты являются только видимой частью сложных процессов, происходящих при сварке.
Необходима разработка не только более точных и оперативных методов оценки сварочных технологических процессов, но и систем их стабилизации, позволяющих обнаружить и предотвратить отклонения параметров техпроцесса, до того как это приведет к браку продукции. Этот вопрос в настоящее время исследован недостаточно. На наш взгляд, в основу систем стабилизации сварочных технологических процессов могут быть положены методы обнаружения малозначительных дефектов, которые, как правило, предшествуют недопустимым и свидетельствуют о начале отклонений хода техпроцесса. В систему должно входить также мощное методологическое обеспечение, позволяющее по характеристикам выявленных дефектов определять причину их появления и направления коррекции режимов сварки. Необходим также поиск других не традиционных параметров сварных соединений, несущих информацию о состоянии технологического процесса сварки.
Исследования в этой области наиболее актуальны в поточном производстве, где даже кратковременные отклонения в ходе техпроцесса могут привести к значительному браку. Основными способами сварки в поточном производстве являются дуговая, контактная и высокочастотная, которые и явились объектом исследований в данной работе.
Связь работы с крупными программами, темами. Научные исследования по теме диссертации с 1975 по 1991 годы постоянно входили в Координационный план ГКНТ СССР по сварочной науке и технике. Постановлением Госкомитета по науке и технике СССР N573/137 от 10.11.1985г. они в ключе-
ны как важнейшие отдельным этапом в задание 05.19.Н "Создать и внедрить межотраслевую комплексную систему управления качеством и технологическими процессами сварочного производства с подсистемами в строительстве АЭС, ТЭС, газонефтепроводов и в машиностроении". (Исполнитель этапа НЗ-7 - Могилсвский машиностроительный институт.). В последние годы работы по теме диссертации включены в республиканскую научно-техническую программу "Сварка", (темы 1.14; 1.15; 1.20; 2.13).
По теме диссертации выполнен ряд научно-исследовательских работ по договорам с крупными предприятиями: ИЭС им. Е.О.Патона; автомобильный завод им.С.М.Кирова; ТНИИТИ г.Тула; ПО "Химволокно" г. Могилев; ВНИИПТМАШ г. Москва; "ПО Лифтмаш" г. Могилев; ПО "Гомссльмаш"; Харцызский трубный завод; Амурский машиностроительный завод; Минский тракторный завод; Выксунский металлургический завод; Новомосковский трубный завод и др.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является теоретическое обобщение и развитие проблемы управления сварочными технологическими процессами на основе неразрушающего контроля, создание систем, методологии и средств коррекции параметров технологических процессов дуговой, контактной и высокочастотной сварки по характеристикам дефектности и решение на этой основе важных народнохозяйственных задач по повышению качества ответственных сварных конструкций.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать принципы математического моделирования состояния технологических процессов сварки по характеристикам дефектности, получить функциональные зависимости между параметрами техпроцесса и вероятностью образования дефектов различных типов и предложить на этой основе методологию поиска причин отклонения техпроцесса и направлений его коррекции.
-
Предложить решение проблемы по оценке состояния и обеспечению стабильности высокоскоростного процесса высокочастотной сварки в поточно-механизированном производстве, позволяющее обнаруживать отклонения техпроцесса на начальной стадии, распознавать причину и обеспечивать оперативную коррекцию режимов сварки до образования недопустимых дефектов.
-
Создать теоретические основы и предложить новые технические решения по использованию магнитных характеристик точечных сварных соединений для оценки состояния и коррекции параметров технологического процесса контактной точечной сварки.
-
Обосновать положение об эффективности оценки состояния технологического процесса дуговой сварки по характеристикам дефектов, выявленных магнитографическим методом. На основе теоретических расчетов и экспериментальных исследований предложить решения, позволяющие применить мапштографшо для контроля крупногабаритных сварных конструкций в условиях поточно-механизированного производства, обеспечив использование ее результатов для коррекции параметров техпроцесса.
-
Обобщить проблему оценки состояния и обеспечения стабильности технологических процессов для различных способов сварки и предложить на этой основе принципы организации и общую структуру построения в сварочном производстве систем стабилизации техпроцессов на основе неразру-шающего контроля.
-
Создать комплексы технических средств коррекции технологических процессов высокочастотной, контактной и дуговой сварки и реализовать их в промышленности.
Научная новизна полученных результатов. С позиций системного анализа осуществлен подход к производственному сборочно-сварочному процессу как объекту научного исследования. На основании обобщения факторов, влияющих на качество сварки в условиях производства, предложена модель оценки состояния технологического процесса сварки, основанная на системном анализе причинно-следственных связей дефектности. Показано, что причинно-следственная модель дефектности представляет собой граф, в котором факторы стабильности техпроцесса расположены в узлах на металлургическом, физико-технологическом и производственном уровнях, алогический маршрут появления дефекта изображен в виде инцидентных им связей, что позволяет функционально описать состояние технологического процесса семью основными факторами стабильности, коэффициенты значимости которых определяются как суммарный вес маршрутов графа от данного фактора к дефекту.
Предложено новое научное решение проблемы стабилизации технологического процесса высокочастотной сварки в условиях поточно-механизированного производства, заключающееся в использовании ультразвуковых волн Рэлея для обнаружения зарождающихся дефектов в наиболее опасной зоне сварного шва, компьютерном распознавании по характеристикам дефектов произошедшего отклонения режимов сварки и автоматизированном поиске направлений их коррекции. Установлено, что недогрев кромок в процессе сварки вызывает появление отраженных ультразвуковых сигналов с относительно стабильной по времени амплитудой, характеризующейся небольшим размахом колебаний, в то время как перегрев свариваемых кромок вызывает резкие колебания сигналов на динамической уль-
тразвуковой осциллограмме. На основании Байесовской стратегии установлены статистические критерии распознавания нарушений техпроцесса и определена достоверность принятия решений по коррекции режимов сварки.
Впервые предложено осуществлять оценку состояния технологического процесса контактной точечной сварки по магнитным характеристикам точечных соединений, определены наиболее значимые из них и установлено их корреляция с типичными нарушениями техпроцесса. Теоретически и экспериментально доказано, что воздействие на металл мощного магнитного поля и термо-механических процессов, характерных для контактной сварки, приводит к специфическому распределению остаточной индукции в зоне соединения с характерным резким скачком на участках металла, нагретых при сварке до температуры Кюри, что позволяет корректировать режимы на основании измерения индукции в изделии после сварки. Установлено, что амплитуда скачка остаточной индукции характеризует силу сварочного тока, а расстояние до центра точки - время сварки. На основании обобщения решений диполыгой теории на случаи расчета магнитных полей в зоне точечного сварного соединения впервые установлен характер распределения магнитного поля в зоне сварной точки. Показано, что экстремумы тангенциальной составляющей магнитостатического поля расположены над границами ядра точки, а расстояние между ними линейно связано с его диаметром и не зависит от других параметров соединения. Установленная закономерность положена в основу нового способа измерения диаметра литого ядра точечного сварного соединения и прогнозирования его прочностных характеристик.
Научно обосновано решение о применении магнитографии для оценки состояния технологического процесса дуговой сварки в поточно-механизированном производстве, подтвержденное теоретическими расчетами магнитных полей в крупногабаритной сварной конструкции, экспериментальными исследованиями выявляемости дефектов и принципиально новыми техническими решениями. Теоретически и экспериментально доказана неэффективность существующих способов и средств намагничивания протяженных сварных швов, предложены новые решения, по секционному намагничиванию, позволяющие отказаться от подвижных намагничивающих устройств. Обнаружен положительный эффект импульсного намагничивания при магнитографии, обеспечивающий устранение помех от неровностей поверхности сварного соединения.
Впервые в отдельный класс выделен круг задач типа "поиск причин отклонения хода технологического процесса сварки по результатам контроля", предложен обобщенный подход и специальные методы их решения для различных способов сварки. Показано, что область поиска решений для лю-
бого способа сварки определяется уровнем организации обратных связей в системах управления. Для оперативных систем типа "советчик оператора" обоснован новый подход к оценке технологического процесса сварки, в основу которого положено синхронное с процессом сварки деление области качества на классы по параметрам контроля, используя вероятностные классификационные модели. Для сложных технологических систем с наличием параллельных и последовательных рабочих мест и перекрестных маршрутов движения деталей, вклад каждой сварочной операции в обеспечение качества может быть рассчитан путем решения системы линейных уравнений, составленных по каждому маршруту движения деталей, в которых последовательные сварочные установки встречаются в различных сочетаниях. Предложенный подход позволяет выделить долго каждой установки из суммарной доли дефектности по маршруту, указав таким образом место коррекции техпроцесса в протяженной производственной линии.
Практическая значимость полученных результатов заключается в создании, научно-методологическом обеспечении и промышленной реализации методов и средств оценки состояния и обеспечения стабильности технологических процессов дутовой, контактной и высокочастотной сварки.
Предложены три гипа систем стабилизации технологических процессов в сварочном производстве: "советчик оператора", "советчик администратора", "советчик технолога", позволяющие обнаружить, распознать и устранить нарушения хода технологического процесса сварки, соответственно, силами исполнителя, администрации или технолога. Разработаны принципы организации обратных связей и структура их построения в сварочном производстве. Предложены методы расчета коэффициентов значимости обобщенных параметров состояния сварочного технологического процесса по данным о количестве и типах дефектов, обнаруженных в сварных соединениях. Это позволяет объективно оценивать состояние дел на сварочном участке и целенаправленно выбирать меры воздействия по одному из каналов обратных связен - техническому, административному или экономическому.
Предложен новый способ коррекции технологического процесса высокочастотной сварки труб непосредственно в зоне сварочного стана /А.С1473929/. Он заключается в прозвучивании верхней зоны шва волнами Рэлея, выявлении момента зарождения дефекта, распознавании его типа и характера нарушения режимов и сообщении об этом оператору сварочного стана для принятия решения. Одновременно система осуществляет счет протяженности дефекта и фиксацию его параметров в памяти ЭВМ с последующей распечаткой результатов работы каждого оператора и расшифровкой
допущенных им ошибок. ЭВМ обеспечивает также накопление данных о работе различных операторов, смен, оборудования в течение длительного промежутка времени для последующего анализа администрацией и технологами цеха. Предложена новая конструкция ультразвукового дефектоскопа, реализующая алгоритм распознавания- нарушений техпроцесса сварки по характеристикам ультразвуковых сигналов /А.С. 1460697/.
Разработаны способы и устройства для оценки качества снятия наружного грата трубы и обнаружения дефектов поверхности типа" перекос кромок", обеспечивающие распознавание характера произошедшего нарушения. /А.С. 1538945, А.С. 17507671/.
На основе перечисленных разработок создан информационно-измерительный комплекс АКТ-УЗК-2 управления процессом высокочастотной сварки труб.
В работе предложены новые методы оценки состояния технологического процесса контактной точечной сварки, основанные на анализе характеристик распределения остаточной индукции в зоне соединения, регистрации тангенциальной составляющей магнитного поля над сварной точкой и измерении магнитных характеристик в зоне соединения. Разработаны средства и методики коррекции технологического процесса контактной сварки, реализованные в производстве для различных типов сварных изделий. /А.С.564583/.
Предложены новые решения по устройствам и методикам магнитографического контроля, позволившие использовать его в качестве средства оценки состояния технологии дуговой сварки, что ранее было невозмож-НО./А.С.418786, А.С.877417, А.С.819681/. Впервые спроектирован, изготовлен и внедрен опытно-промышленный образец автоматизированного магнитографического комплекса для поточно-механизированного производства АКТ-МГК-3. /А.С. 1099267/.
Экономическая значимость результатов. В качестве коммерческого продукта могут быть реализованы изложенные в диссертации разработки, методики и технические решения по оценке состояния и обеспечению стабильности технологических процессов дуговой, контактной и высокочастотной сварки, позволяющие предотвращать брак сварных изделий на ранней стадии их производства, до осуществления приемочного контроля. При производстве целого ряда изделий это дает значительный экономический эффект. Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
1. Новое решение проблемы стабилизации параметров технологического процесса высокочастотной сварки, основанное на ультразвуковом сканировании шва волнами Рэлея в зоне трубосварочного стана, компыо-
терном распознавании типа произошедшего нарушения и реализации функции управления технологическим процессом по трем каналам обратных связей.
-
Новый, теоретически, экспериментально и технически обоснованный подход к оценке состояния технологического процесса контактной точечной сварки по магнитным характеристикам сварного соединения, основанный на реализации трех направлений: измерении остаточной индукции в зоне сварки, оценке структуры по магнитным параметрам и поиске экстремумов тангенциальной составляющей магнитного поля над границами литого ядра сварной точки.
-
Научно-обоснованное решение проблемы применения магнитогра-фии для оценки состояния технологического процесса дуговой сварки по характеристикам дефектов, подтверждение теоретическими расчетами магнитных полей в крупногабаритной сварной конструкции, экспериментальными исследовании выявляемое дефектов и крупными техническими решениями по модернизации средств магнитографии.
-
Разработки в области моделирования причинно-следственных связей сварочных технологических процессов с дефектностью, позволяющие их функционально описать на основе теории графов и количественно оценить степень влияния технологии на качество сварки.
-
Предложения по структурной организации систем стабилизации технологических процессов в сварочном производстве, основанные на различной степени обобщения факторов, влияющих на качество и сформированные по уровню компетентности лиц, принимающих участие в управлении: советчик оператора, советчик администратора, советчик технолога.
-
Методологические приемы решения задач типа - "поиск причин отклонения технологического процесса" для высокочастотной, дуговой и контактной сварки и технические средства, позволяющие реализовать системы управления технологическими сварочными процессами в промышленности.
Личный вклад соискателя. Опубликованные по теме диссертации работы выполнены автором лично или в соавторстве.
Основными соавторами по опубликованным работам являлись Шарова A.M., а также аспиранты автора Белягов A.M., Карпович В.В., Гарышев А.П.
В соавторстве с Шаровой A.M. выполнена часть работ по магнитографическому контролю контактной и дуговой сварки. В области контактной сварки основные обобщения по направлениям развития, теоретические расчеты и предложения сделаны автором лично и имеют истоки в его кандидатской диссертации, первой работе, защищенной в этой области. Впоследствии, одно из направлений - контроль точечных соединений по струк-
туре, активно развивалось Шаровой A.M. Из работ по магнитографии дуговой сварки в диссертацию вошли, в основном, исследования по многослойным крупногабаритным сварным конструкциям, по которым автор являлся руководителем хоздоговорных работ.
В работах, опубликованных совместно с аспирантами, автор осуществлял постановку задач, предлагал направления решения, участвовал в теоретических и экспериментальных исследованиях, формулировке выводов. В диссертации результаты обобщены на различные технологические процессы, расширен круг решаемых задач, сформулированы общие подходы к проблеме.
Таким образом, автором лично предложены: новое решение проблемы стабилизации технологического процесса высокочастотной сварки на основе ультразвукового сканирования шва волнами Рэлея; ранее не известный подход к оценке состояния технологического процесса контактной точечной сварки по магнитным характеристикам сварных соединений; теоретические и принципиально новые технические решения по магнитографическому контролю крупногабаритных сварных конструкций в поточно-механизированном производстве; математические модели причинно-следственных связей дефектности сварных соединений на основе теории графов; принципы организации, структура построения и алгоритмы работы систем управления, позволяющие установить причины отклонения технологических процессов сварки по характеристикам дефектности. Проведенные исследования позволили автору обобщить проблему стабилизации технологических процессов сварочного производства и развить новое направление ее решения, основанное на оперативном неразрушающем контроле сварных соединений, осуществляемом до приемо-сдаточных испытаний.
Апробация результатов диссертации. Основные положения работы доложены и обсуждены на УП, IX, XII Всесоюзных научно-технических конференциях по физическим неразрушающим методам контроля (Киев. - 1974. Минск. - 1981. Свердловск. - 1990); Всесоюзных межвузовских конференциях по электромагнитному контролю (Рига. - 1975; Могилев. - 1995); Белорусских республиканских конференциях по сварке (Могилев. -1972-1991); Уральских региональных конференциях по неразрушающему контролю (Свердловск, Челябинск. - 1985, 1987-1989); Всесоюзных конференциях и совещаниях по управлению качеством (Киев, Ростов на Дону, Северодвинск, Донецк, Минск. - 1985-1991); Международной конференции "Неразрушающий контроль в науке и индустрии" (Москва. - 1994).
Опублнкованность результатов. Основное содержание диссертации опубликовано в 60 научных работах, в том числе 21 статья в журналах и
сборниках, 29 тезисов докладов на конференциях, 10 авторских свидетельств.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, 7 глав, выводов, списка использованных источников и приложения.