Устройство сопутствующего местного нагрева кольцевых сварных стыков

(19)1117 А л 11 В 23 К 13/ ГСКУДЯРСТ РЕ 1111 ЫЙ КО 1 У 1 И".ЕТ ПО И:ЗОТ 1 РЕ 1 Е 11 ИЯМ И ОТКРЬ 11 И 11 М ПГИ Т К 1 ГТ СГГР ТЕНИ АВТОРСТ,ОУУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ юл, ТхР 42ехнической те заковский, А В ов и(088,8)свидетельство ССВ 23 К 13/00, 1979 4) УСТРОЙСТВОЕСТНОГО НАГ РЕВЫХ СТЫКОВ7) Изобретение относится к машиностроеию и предназначено для систем сопутствущего местного нагрева кольцевых стыков рупногабаритных цилиндрических иэдеИзобретение относится к машиностроению и предназначено для систем сопутствующего местного нагрева кольцевых сварных стыков крупногабаритных цилиндрических изделий,Цель изобретения - повышение качества свари путем повышения точности поддержания теплового режима процесса.На фиг 1 приведена структурная схема устройства; на фиг 2 - идеальный терл 1 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 и третью 3 группы нагревателей, соединенные первой 4, второй 5 и третьей 6 силовыми линиями с силовыми выходами коммутатора 7 ивовый 8, второй 9 и третий 10 силовые входы оороо соединены с со(21) 4698930/2(56) АвторскоеМ 812472, кл,СОПУТСТВУЮЩЕГО А КОЛЬЦЕВЫХ СВАРлии, 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 Иэобоетение позволяет снизить вероятность обрззовае ия трещин в сварном соединении путем стабилизации термического цикла, 4 ил ответствующими силовыми выходами переключателя 11 режимов работы. Первый, второй 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, второй 2 и третьей 3 групп нагревателей. Переключатель 11 режимов работы включен четвертым выходом в цепь сварочного автомата 18 силовыми линиями 19 гликропроцессооныи выиглительный блок 20 первыл входол 1 связан по информационным каналам 21 с выходами первого 22, второго 23 и третьего 24 иэмерителеи мощности групп нагревателей 1 2 и 3 вторыл 1 входол г.измерителем 25 мощности сварочного автомата 18, третьим входом связан с первым 26, вторым 27, третьим 28 измерителями напряжения на первичных обмотках трансформаторов источников питания 12, 13 и 14рупп 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 каналам 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, вычислительный блок 20 по информационным каналам 21 опрашивает датчики 29 температуры и 30 скорости вращения, измерители 22 - 28, поскольку емперэтура 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 б каналов питания групп нагревателей 1, 2 и 3, При атом 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 сварочный авомат 18 и переключатель 11, включаются соответствующие контактные группы, коммутируется силовая линия 19 сварочногоав.омата 18. и начинается процесс сварки. Поскольку при зтом к свариваемому стыку изделия начинает подводиться дополниельная мощность, контролируемая вычислительным блоком 20 по измерителю 25 мощности сваоочного автомата, то но избежание повышения температуры изделия выше предусмогренной технологическим процессом после опроса микропроцессорным вычислительным блоком 20 состояния переключателя 11 и коммутатора 7 по кана 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 лам 33 обратной связи он г рдает по каналам 32 управления команду на регуляторы 15, 16 и 17, переключатель 11 и коммутатор 7, по которой регуляторы 15, 16 и 17 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 в 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 каналам 21, и вырабатывает команду управления с учетом теплового состояния изделия и информации, поступающей по каналам 33 обратной связи. Текущая информация о технологическом процессе поступает в 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 превращениям в металле, граничащем с зоной сварки, Эти процессы усугубляются при сварке толстостенных крупногабаритных изделий, когда производится многослойная сварка. Предупредить возникновение и развитие нежелательных изменений 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 неизменной мощность подвода энергии к изделию, В ходе прерывистого процесса сварки пр резком изменении условий окружающей среды при внезапном отключениисварочного автомата неизменность подвода мощности к изделию осуществляется включением или отключением групп нагрн 1691007вателей 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 оносительно сварочного автомата и нагревателей при его вращении на роликовом поворотном стенде, мощностей нагревателей и сварочного автомата,Основной задачей 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 Ь-макс (фиг,2). Эти ограничения температуры связаны по гл с требованием предотвращения появления холодных трещин в сварных соединениях. по 1 макс - с необходимостью сохранения требуемых свойств металла сварных соединений, Идеальным будет термический цикл сварка - охлаждение - пэдогрев, который обеспечивает вид зависимости температуры шва от времени с (г), см. фиг.2Подогрев в идеальном цикле вырождается в 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 с (т)тп (см фиг.2, 3 и а),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 масштабевремени.Сущность алгоритма заключается в стабилизации темпеоатуры сварного соедине 10 ния. Такие алгоритмы известны в теорииавтоматического регулирования, Модель используется для определения и необходимыхуточнений коэффициентов, используемых ввыбранном алгоритме,15 Поддержание требуемых значений температуры обеспечивает необходимые прочностные свойстваПрименение изобретения обеспечиваетвысокую точность соблюдения технологиче 20 ского процесса, оптимальные режимысварки, что, соответственно, ведет кповышению качества сварки независимо отвнешних условий для широкого диапазонатолщин свариваемых изделий,25Формула изобретения Устройство сопутствующего местногонагрева кольцевых сварных стыков, содер 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 повышенияточности поддержания теплового режима процесса, оно снабжено и 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 сва рочного автомата, причем каждый каналчерез последовательно соединенные переключатель режима работы и коммутатор подключен к соответствующему нагревателю, причем третий вход микропроцессорно го вычислительного блока соединен сизмерителями напряжения источника питания, четвертый вход - с датчиком мощности сварочного автомата, пятый вход - с измерителями мощности нагревателей, а третий выход - с управляющим входом переключа 169 1007еля режимов работы, четвертый выход - с управляющим входом коммутатора, пятый выход - с управляющими входами регуляторов напряжения,1691007и.УСоставитель В.Бродягин дэктор Л.Веселовская Техред М,Моргентал Корректор М,Демчи аказ 3888 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 О