автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Метод снижения сварочных деформаций тонкостенных панелей теплообменных аппаратов путем регулирования податливости кромок при выполнении круговых швов

/9

Грицына Александр Николаевич

МЕТОД СНИЖЕНИЯ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ТОНКОСТЕННЫХ ПАНЕЛЕЙ ТЕПЛООБМЕННЫХ

I

АППАРАТОВ ПУТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОДАТЛИВОСТИ КРОМОК ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ КРУГОВЫХ швов

Специальность 05.02.10 - «Сварка, родственные

процессы и технологии»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1*7 ЛГП »;"л

/ 0.и ¿он

Ростов-на-Дону 2011

4854369

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Донской государственный технический университет» (ДГТУ) на кафедре «Машины и автоматизация* сварочного производства»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Людмирский Ю. Г. (ДГТУ, г. Ростов-на-Дону)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Морозкин И.С. (РГУПС, г. Ростов-на-Дону)

Ведущая организация: ОАО «Резметкон» (г. Батайск)

Защита состоится 01 марта, 2011 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д212,058.01 Донского государственного технического университета по адресу: 344010, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина 1, ауд. 252

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донского государственного технического университета.

Автореферат разослан 27 января 2011 года.

кандидат технических наук Головин В.П. (ООО НПП «ЭКОС», г. Ростов-на-Дону)

Учёный секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Среди всего многообразия металлоконструкций, изготавливаемых с применением дуговой сварки, особое место занимает большая группа изделий, для которых характерна малая жёсткость и наличие большого количества близко расположенных круговых швов. Для дуговой сварки таких конструкций характерно: во-первых, развитие значительных временных перемещений в процессе сварки, во-вторых, образование остаточных деформаций из плоскости, которые искажают форму и размеры готового изделия. Это значительно осложняет внедрение неадаптивных роботов и автоматов в сварочное производство маложестких конструкций с близко расположенными круговыми швами.

При выполнении ручной дуговой или механизированной сварки, временные перемещения, как правило, не осложняют процесса сварки, так как сварщик ориентируется на действительное положение кромок и позиционирование электрода относительно стыка не вызывает затруднений. Напротив, при сварке с использованием неадаптивных сварочных роботов или автоматов, позиционирование свариваемых кромок и конца электрода для каждого очередного шва требует учёта как временных, так и остаточных перемещений.

Большой вклад в развитие теории сварочных напряжений и деформаций и методов предупреждения их негативного влияния на качество сварных конструкций внесли работы таких ученых, как: Г.А. Николаев, В.А. Винокуров, Н.О. Окерблом, К.Х. Гатовский, С.А. Куркин, А.Г. Григорьянц, В.И. Махненко, и других. Разработке способов, уменьшения деформаций и перемещений, при сварке круговых швов, посвящены.' исследования В.М. Сагалевича, А.В, Вершинского, B.C. Касаткина, Л.М. Лобанова, Г.И. Ткачук, В.П. Моисеенко, А.С.Куркина, A.B. Коновалова и др. исследователей.

При сварке конструкций с близким расположением швов, деформации и перемещения, возникающие после выполнения части швов, могут изменять первоначально заданное расположение ещё не сваренных элементов, т.е. приводить к отклонению положения стыка от запрограммированной траектории движения электрода. Это в некоторых случаях ставит под сомнение принципиальную возможность применения неадаптивных роботов.

Цель работы: выявить закономерности образования сварочных деформаций и перемещений в тонкостенных пластинах при выполнении близко расположенных круговых швов и разработать конструктивно-технологические мероприятия, обеспечивающие возможность получения качественных сварных соединений и конструкций заданных размеров при их выполнении автоматической сваркой или неадаптивными сварочными роботами.

Для реализации поставленной цели необходимо решить ряд задач:

1. Провести анализ деформаций и перемещений возникающих при изготовлении сварных тонкостенных конструкций;

2. Выполнить анализ видов деформаций и перемещений, возникающих в тонкостенных панелях, при выполнении близко расположенных круговых угловых швов при изготовлении теплообменных аппаратов;

3. Выявить закономерности возникновения деформаций и перемещений в тонкостенных панелях при выполнении круговых швов по отбортовке;

4. Обосновать и проверить возможность уменьшения величины деформаций и перемещений тонкостенных конструкций путем изменения податливости свариваемых кромок кругового шва, и выявить закономерности влияния основных конструктивных и технологических параметров при выполнении круговых швов по отбортовке на остаточные перемещения и деформации тонкостенных панелей;

5. Разработать многофакторную имитационную модель процесса накопления отклонений от проектного положения положения стыка при сборке и сварке панели теплообменника, позволяющую оценить возможность применения неадаптивных роботов, и создать для нее базу данных.

Методы исследования

Натурные исследования различных вариантов конструктивного оформления соединения «труба - пластина».

При исследовании сварочных деформаций использовали экспериментальные и расчётные (численные и аналитические) методы.

Математическое 'моделирование перемещений в конструкции производилось методом конечных элементов (МКЭ) в программном комплексе А^УБ.

Метод визуально-измерительного анализа, макрошлифов.

Методы математической статистики.

Научная новизна заключается в теоретическом обосновании возможности регулирования; величины временных и остаточных деформаций тонкостенных конструкций при выполнении круговых швов путем изменения податливости свариваемых кромок кругового шва благодаря применению сварки по отбортовке.

Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что при сварке круговых швов по отбортовке возрастает податливость свариваемых кромок. Это уменьшает * влияние усадочных сил, возникающих в шве, на тонкостенную панель, что снижает временные и остаточные деформации панели до уровня, позволяющего применять сварку неадаптивными автоматами или роботами.

Аналитическое и ' численное' моделирование механизма процесса образования деформаций при сварке позволило установить общие закономерности влияния конструктивных параметров сварного соединения на величину деформаций. Установлено, . что с увеличением высоты отбортовки и уменьшением диаметра кругового шва, при сохранении расстояния между центрами соседних круговых швов, деформации и перемещения уменьшаются как в плоскости, так и из плоскости панели.

Экспериментально выявлены следующие основные конструктивные и технологические параметры, которые влияют на точность позиционирования электрода по отношению к траектории шва при роботизированной сварке близко расположенных круговых швов. К ним относятся: точность позиционирования электрода роботом, зазор в стыке, случайные колебания размерных параметров элементов, входящих в систему «Робот - оснастка - изделие» и перемещения, возникающие от ранее выполненных круговых швов.

Разработана многофакторная имитационная модель отклонения стыка рт запрограммированного пути движения электрода, которая позволяет оценить возможность выполнения круговых швов на тонкостенных пластинах автоматической или роботизированной сваркой без адаптации.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Разработан конструктивно - технологический метод, обеспечивающий возможность получения качественных сварных швов и конструкций, обладающих малой жёсткостью и содержащих близко расположенные круговые швы, при их выполнении автоматической сваркой или неадаптивными роботами.

Выполнение круговых, швов на тонкостенных панелях по отбортовке теоретически 'обоснованной высоты обеспечивает

требуемую точность конструкции, снижает долю ручного труда, создаёт условия для их сварки неадаптивными роботами, при этом растёт производительность труда.

Создана база данных необходимая для работы имитационной модели, содержащая область качества для сварных соединений толщиной 2-3 jMM, выполняемых по отбортовке; расчётные схемы базирования деталей в сборочно-сварочной оснастке.

Разработана и передана в производство предприятия ЗАО «Соединительные детали трубопроводов» (филиал г. Таганрог) технология выполнения круговых швов сварного узла «теплообменник». Акт внедрения от 22 ноября 2010г.

Полученные результаты работы использованы в учебном процессе ДГТУ на кафедре «Машины и автоматизация сварочного производства» при подготовке специалистов по специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства».

На защиту выносятся:

- метод регулирования величины временных и остаточных деформаций тонкостенных конструкций при выполнении круговых швов путем изменения податливости свариваемых кромок за счёт отбортовки, выполняемой по контуру соединения;

- имитационная-модель процесса сборки и сварки маложёстких конструкций, содержащих близко расположенные круговые швы, оценивающая возможность применения неадаптивных роботов по количеству выхода изделий, отвечающих ТУ на выпускаемую продукцию; 1

- результаты экспериментальных и теоретических исследований.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- научных семинарах кафедры «Машины и автоматизация сварочного производства» ДГТУ, 2006-2010.

VIII международной научно-технической конференции по динамике технологических систем, ДГТУ, г. Ростов-на-Дону, 2007. Тема доклада: «Анализ возможности роботизации тонкостенных конструкций с круговыми швами на примере сборочной единицы газового оборудования «огневая коробка» с позиции конструкторско-технологических решений, направленных на снижение уровня сварочных деформаций».

- XIV международной открытой научной конференции «Современные проблемы информатизации» по направлению моделирование

сложных систем и технологических процессов, 2009г. Тема доклада: «Имитационная модель прогнозирования качества сварных соединений при их выполнении неадаптивными роботами на примере тонкостенных конструкций с большим количеством круговых швов».

ежегодных научно-технических конференциях студентов и профессорско-преподавательского состава ДГТУ, 2006-2010.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работы, в том числе три работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объём I и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 75 наименований. Работа изложена на 118 страницах машинописного текста, содержит 14 таблиц, 57 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой гласе обоснована актуальность и необходимость решения проблемы снижения сварочных деформаций при выполнении круговых швов, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Показано, что наиболее сложной проблемой при дуговой сварке . неадаптивными роботами остаётся учёт сварочных деформаций и перемещений и уменьшение их до требуемого уровня.

В качестве примера выбран узел бытового газового обогревателя - теплообменник, содержащий большое количество близкорасположенных круговых швов см. рис.1.а.

Экспериментально показано, что при выполнении круговых швов в тонких панелях образуются деформации в плоскости (д), из плоскости (/) и'потеря устойчивости см рис. 1.6.

Деформации являются результатом двух одновременно протекающих физических процессов - теплового расширения металла и силового взаимодействия соседних неодинаково нагретых зон. Деформации бывают двух видов: деформации временные и деформации остаточные. Временные деформации существенно осложняют процесс сварки. Остаточные приводят к нарушению размеров и форйы готовой конструкции. Получить качественные сварные соединения и конструкции удаётся в тех случаях, когда существенно уменьшены и временные и остаточные перемещения и деформации.

а)

б)

Рис, 1 - Узел бытового газового обогревателя а - схема теплообменника; б - «панель трубная» после сварки

Анализ состояния вопроса показал, что после сварки кругового соединения возникает усадочная сила, которая действует в плоскости панели (см. рис,4.а.). В шве и в зоне пластических деформаций возникают остаточные напряжения растяжения. За пределами зоны пластических деформаций возникают в радиальном направлении напряжения растяжения, а в тангенциальном напряжения сжатия. Такое состояние приводит к появлению деформаций в плоскости и перемещений из плоскости панели. Если напряжения сжатия превышают критическое значение окр, то происходит потеря устойчивости и пластина с круговым швом теряет

V • 92

свою первоначальную плоскую форму: и =-----1--,, где Е -

"" 4Я2-(\-м2)

модуль упругости, ).1 - коэффициент Пуассона, Б - толщина пластины, - радиус шва.1

При близком расположении сварных круговых швов происходит

ч панель трубная

наложение полей деформаций и напряжений, что приводит к изменениям формы и к практической невозможности внедрения неадаптивных роботов в производство маложёстких конструкций.

Известно, что уменьшить вероятность потери устойчивости тонкостенных элементов конструкций и снизить сварочные деформации, возможно различными приёмами:

- увеличением жёсткости конструкции;

- уменьшением погон ной энергии при сварке;

- уменьшением площади зоны пластических деформаций;

- выполнением сварки по растянутым волокнам.

Однако, они не всегда эффективны или технологически возможны при наличии близко расположенных круговых швов.

Во второй главе представлены исследования перемещений, возникающих в соединении «труба - пластина», при выполнении углового кругового шва.

Величина перемещений в плоскости пластины в результате выполнения одного кругового шва показана на рис.2. Видно, что на расстоянии более 7 мм от стыка эта величина составляет около ОД мм.

Е 0.18 ■ —----------1.........—

^ у— 0,1867- 0,ОШх-З'Ю"6*2

3 уравнение регрессии

х ' ----------

(3 ш с;

С 0.14 - -------------

ь

0 с; с

Щ 0.10 к

X

1

ф

г ш

0,08 - -

С 3.00 4.00 5.00 6.00 7,00 8.00

Растоянйе от стыка до исследуемых реперных точек, ми Рис.2 - Радиальные перемещения в пластине на разном расстоянии от

кругового шва

Выполнение даже одного кругового шва 0 60 мм на

у— 0,1867-0,0117х-3-10'"6х2

уравнение регрессии

пластинах 200x200 мм2 толщиной 2 мм приводило к потери устойчивости, что подтверждается формой пропеллера рис.3.

Рис.3 - Потеря устойчивости пластины в результате выполнения кругового шва

В работе высказана гипотеза о возможности регулирования величины деформаций в пластине путём выноса усадочной силы за пределы её плоскости. В связи, с чем предложен .и исследован конструктивно-технологический метод снижения сварочных деформаций и перемещений при выполнении круговых швов на тонкостенных панелях. Предложено заменить круговой угловой шов (рис.4,а) на торцовый, выполняемый по отбортовке (рис.4,б). Конструкция в районе расположения сварного шва стала более податливой. Это уменьшает влияние усадочных сил, возникающих в шве, на тонкостенную панель. При определённой высоте отбортовки сварной круговой шов, имеет возможность уменьшаться в диаметре, практически не влияя на тонкостенную панель, что снижает временные и остаточные деформации панели до уровня, позволяющего применять сварку неадаптивными автоматами или роботами.

Рис.4 - Конструктивное оформление кругового шва а - угловое соединение; б - соединение торцовое по отбортовке

Исследования перемещений в зависимости от конструк-тивных параметров соединения т.е. высоты отбортовки, диаметра кругового шва и толщины пластины, выполнены МКЭ в программном комплексе АЫБУБ. На рис.5, представлена расчётная модель соединения «Труба + Пластина».

ЛГГСУЗ!

ь

ххххгг

Рис.5 - Расчётная модель МКЭ сварки трубы с пластиной по отбортовке

Она строилась, как осесимметричная задача в плоской постановке, при поведении материала в упругой области. В исследуемой з<рне размер сетки конечных элементов сгущался до размера 0,5 мм. Перемещения узлов элементов по линии нижнего торца трубы и углы их поворота равны 0, т.е. моделируется условие жёсткой заделки. Такие же условия накладываются и на свободный край пластины. На внутреннем ободе трубы высотой 2 мм (глубина проплавления) прикладывали равномерно-распределённую нагрузку, которая.является аналогом фиктивной усадочной силы. Величина нагрузки 250 МПа, что по литературным данным соответствует остаточным напряжениям в сварном шве.

Результаты исследований представлены на рис.6. Видно, что с увеличением высоты отбортовки перемещения в плоскости пластины уменьшаются (рис.б.а). Даже при величине отбортовки 3 мм они составляют не более 0,04 мм.

. С целью возможности прогнозирования величины перемещений в плоскости в зависимости от высоты отбортовки, были рассчитаны уравнения регрессии для исследуемых величин отбортовок:

■ отбортовка 3 мм: у = 0,0423-0,001л; К=0,99

■ отбортовка 5 мм: у = 0,0254-0,0006*, К=0,99

■ отбортовка 7 мм: у= 0,0133-0,0003*, К=0,99

• отбортовка 10 мм: у = 0,0038-9Е-05*, К=0,99

На перемещения из; плоскости пластины конструктивные параметры соединения влияют следующим образом: с увеличением высоты отбортовки, увеличением толщины пластины и с уменьшением диаметра кругового шва перемещения из плоскости пластины уменьшаются.

5 ил***

°0,03

з

о

о

о

с 0,02

ш

«0,01

0) о. 0)

С 0

-ОтбортоекаЗмм -*-Отбортовка5мм —ь— Отбортоока 7мм -^«СИОорювка Юн»

0,8

""••VI "V, ¿••ли:

и

о.км

—

ОЛЮЗ

..... —

г г

>;

0,6

'/г/. !

0,4

I Ф

■3

о/л? ч>

г

' о о»: щ Е

0,2

"0.757 Г*. "•к.-,

Ш —А-.

.........

М81

4.0

а)

6.0 8,0 10,0 12,0 Расстояние от стыка до исследуемой точки, мм

б)

4,0 6,0 8.0 10,0 12,0 Расстояние от стыка до исследуемой точки, мм

0.7

°'0.6 о о о

к 0,5

X Щ

о 0,4

ш о. О)

С 0,3

«И- — I —-

1

Ь.'УЯ ни Толщина ¡мм

: 'ИМ Том 1ИНЗ 5мм

Л..

1

1 ^ ! о <ииа '4мм

5

51,0 >; О

х0,8

о

о

8о,б

Л к

|о,4

.. 3" а>

4.0 6,0 8,0 10,0 12.0 Расстояние от стыка до исследуемой точки, мм

с о

1» -л,;;- Диамегр ВОим ' 4

'Л

«р.. мл» Дна; Днаь ¡етр (50мм йтр 40мм 1_7Т

!

!

4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 Расстояние от стыка до исследуемой точки, мм

в). до исследуемой точки, мм г)

, Рис.6 - Влияние конструктивных параметров соединения пластины на перемещения узловых точек:

а) влияние высоты отбортовки на перемещения в плоскости;

б) влияние высоты отбортовки на перемещения из плоскости;

в) влияние толщины пластины на перемещения из плоскости;

г) влияние диаметра отверстия на перемещения из плоскости

В третьей главе получено аналитическое решение величины прогиба тонкостенной панели при выполнении кругового шва по отбортовке. Приводятся результаты решения, которые хорошо согласуются с результатами, полученными МКЭ.

Аналитический расчет позволяет находить величину прогиба пластины, в зависимости от совокупного влияния всех конструктивных параметров сварного соединения. При этом с целью упрощения расчета модель принималась осесимметричной

и решалась в упругой постановке. Рассматриваемый материал оболочки считали однородным, изотропным. Расчётная модель показана на рис.7. Методами строительной механики определялся прогиб, возникающий в пластине. Для чего сварное соединение представлялось в виде модели «короткая оболочка - кольцевая пластина» (Рис.7.). Теория осесимметричных цилиндрических коротких оболочек, опирается на гипотезы Кирхгофа-Лява: - гипотеза неизменности нормалей;

гипотеза о ненадавливании одного слоя на другой.

! рч Г ' ■-ч л2 Л , , _,-—

о! 1 IV V V ,] —■1 г-Ть

I Д

1 б)

Рис. 7 - Расчётная модель «корЬткая оболочка - кольцевая пластина» (а), механическая постановка задачи (б) П - радиус оболочки; /)< - толщина стенки; /з2 - толщина пластины; х -координата, отсчитываемая от нейтральной линии пластины в направлении оси оболочки; / - высота оболочки; IV - перемещения произвольной точки срединной поверхности оболочки; Р - приложенная фиктивная усадочная сила; Э=Э(г)-угоп поворота нормали срединной поверхности пластины

I - Представляет собой цилиндрическую оболочку, толщина которой равна толщине отбортовки панели плюс толщина трубы.

Оболочка считается короткой, если /?/2 < 3, где р - ).

V

II - Представляет собой кольцевую пластину с отверстием.

Математически эта задача сводится к решению дифференциальных уравнений. Составляются уравнения оболочки и пластины, а так же уравнения краевых условий (условия на границе и уравнения совместности деформаций). Дифференциальное уравнение оболочки:

+ 4/3^ = -, (1)

ах и

где У/=1Л{х) - радиальное смещение срединной оси оболочки,

г/,-1

О -_________- цилиндрическая жесткость

12(1 ~//2)

Граничные условия:

Момент на границе М \ =0 О-в точке!:

Приложенная р\ _ р

нагрузка в точке 1: "

- 0 (2)

Лх2

= Р (3)

сЬс' х=1

(4)

йхг

Момент на границе Мх\ = Х^^ £>-в точке 2:

Поперечная сила в 1 0 ^ 0 (

точке 2: 1*=о 0 1

Получаем математическую постановку из уравнения (1) и граничных условий (2)-(3).

Решение уравнения (1) имеет вид:

ж (х) = (Ж„ - )Г, (Ах) + ]г(.0о- )У2 (А*) +

Р (б)

где: - начальное положение пластины, 90 - начальный угол поворота, М0 - приложенный момент, Р0 - приложенная фиктивная усадочная сила, Уь У2, Уз. У4 ~ функции Крылова,

йот. »>, №"оч. УУ"'0Ч - значение частного решения и его производных при х=0. Далее УК, - О т.к. на оболочку не действует распределённое давление р= О, М0 = 0.

Далее рассматривается II участок конструкции - кольцевая пластина с отверстием.

Дифференциальное уравнение пластины:

с1г& 1 аэ 1 _ е

■ + -----= —

г

^ (7)

D

dr2 г dr г2 D Q=0 - поперечная нагрузка в произвольном сечении. Э=& (г) - угол поворота нормали срединной поверхности Р = 0 (Для точки 4)

Решение уравнения (7) имеет вид:

i9=Cir+Сг/г, ' (8)

где с1( с2 константы интегрирования.

Граничные условия:

Момент на границе в точке 3: Мг\^г =-Х\) (9)

Момент на границе в точке 4: «9 = 0 ; (10)

где Mr = D{3'+fi—) - радиальныи момент >'

Условие совместности деформаций: dx

Подставляя в условия (2) - (5), (9) - (11) решение (6) и (8) получаем систему пяти уравнений (2), (3), (9), (10), (11) с пятью неизвестными: Xlr Pq, *80/ су с* Тогда величина прогиба пластины будет определятся выражением:

(12).

гг

С помощью компьютерной программы символьных математических расчётов «MAPLE», выполняется расчёт величины прогиба в зависимости от высоты отбортовки, диаметра шва, толщины пластины и приложенной нагрузки, являющейся аналогом фиктивной усадочной силы Р0.

В результате решения общий характер полученных перемещений, ёозникающих в панели, оказался такой же, как и при решении МКЭ. На рис. 8. показано влияния высоты отбортовки на изгиб панели, полученные МКЭ и аналитическим расчётом.

15

Таким образом, численным (МКЭ) и аналитическим методами показано, что для уменьшения деформаций пластины в плоскости и из плоскости сварку кругового шва целесообразно выполнять по отбортовке кромок, требуемая высота которой зависит от толщины пластины, диаметра круговых швов, и расстояния между ними.

С увеличением высоты отбортовки и уменьшением диаметра кругового шва, при сохранении расстояния между центрами круговых швов, деформации уменьшаются как в плоскости, так и из плоскости пластины.

4,0 6.0 8,0 ' 10,0 12,0 Расстояние от стыка до исследуемой точки, мм

Рис. 8 - Влияние высоты отбортовки на перемещения пластины из плоскости в результате сварки, полученные МКЭ и Аналитическим

расчётом

С целью подтверждения эффективности предложенного конструктивно-технологического метода была вновь сварена трубная панель, по отбортовке кромок рис.9.

Рис.9 - Сварка «трубной панели» торцовым швом по отбортовке кромок.

Аналитический метод

После сварки панель сохранила свою первоначальную плоскую форму. Таким образом, высказанная гипотеза о возможности предотвращении возникновения сварочных перемещений, деформаций и потери устойчивости путём регулирования податливости сварного шва, за счёт сварки по отбортовке кромок тонкостенной панели получила экспериментальное подтверждение.

В четвёртой главе разработана модель оценки возможности получения качественных соединений при роботизированной дуговой сварке неадаптивными роботами (см. рис.10).

Рис.10 - Схема уценки возможности получения качественных соединений неадаптивными роботами.

К круговым сварным швам теплообменных аппаратов предъявляются требования обеспечения их герметичности, заданной геометрии швов и конструкции в целом. Требования к геометрии сварных швов определяет ГОСТ 14771-76 «Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры». В стандарте приводятся номинальные размеры и их предельные отклонения в зависимости от толщины свариваемых кромок. Для свариваемых кромок трлщиной Б1+52 (мм) = 3+2:

величина зазора Ь (мм) = 0+1, ширина шва е (мм) = 5+3, глубина проплавления Ь (мм) = 1+1.

При правильно определённых энергетических параметрах режима сварки качество соединения, выполняемого роботом, в основном зависит от величины зазора в соединении и от точности взаимного позиционирования оси электрода и свариваемого стыка.

На точность направления оси электрода по стыку оказывает влияние большое количество факторов. Наиболее значимые из них следующие: отклонение формы и линейных размеров деталей, входящих в рассматриваемую сборочную единицу; точность выполнения сборочно-сварочной оснастки; точность позиционирования робота; отклонения связанные с оснасткой робота (качество рихтовки проволоки); величины деформаций и перемещений, возникающих в процессе сварки, а также величины зазора Ь в стыке. Отклонения, вызывающие смещение линии сопряжения свариваемых кромок от проектного положения Б и величина зазора в стыке Ь, в основном зависят от выбранной схемы базирования деталей и точности их изготовления. Параметры всех перечисленных выше отклонений имеют случайный характер.

Таким образом, задача оценки возможности сварки роботом рассматривается как задача обеспечения заданного качества сварного соединения, сформулированная в терминах допустимых отклонений электрода от линии свариваемого стыка.

Факторы, влияющие на получения качественных соединений, выполняемых роботом, разделены на три группы:

- отклонения, связанные с работой робота, снабжённого сварочной горелкой и приводящие к смещению электрода от проектного положения изделия (обозначены А);

- отклонения, вызывающие смещение линии сопряжения свариваемых кромок от проектного положения (обозначены Б);

- отклонения свариваемых стыков от проектного положения, вызванные деформациями и перемещениями от выполнения предыдущих сварных швов (обозначены С).

Взаимное положение оси электрода и линии стыка определяется суммой этих отклонений б = А+Б+С.

Величина! А является функцией случайных величин, завися-щих от робота, его сварочной ¡оснастки и квалификации оператора-программиста:

А - Ач, Аэ), где:

- отклонение Др, связанное с точностью позиционирования роботов, предназначенных для дуговой сварки, и в том числе роботов ПР161/15, использованных в данной работе, по паспортным данным составляет ±0,2 мм;

- установлено, что отклонение проволоки от стыка Ач подчиняется нормальному закону распределения, который можно характеризовать так: М=-0,237 мм; о=0,335 мм;

- отклонение конца электрода Лэ от оси горелки колеблется в пределах ±0,15 мм при вылете электрода 12-15 мм.

Величина Б является функцией случайных величин. Она зависит от выбранной схемы базирования, отклонений размеров деталей, точности изготовления сборочно-сварочной оснастки.

Б= Г (АО, Ас/, А1, А/, АТ, Ас/Ф), где:

- Ай, Ас! - отклонения, характеризующие точность выполнения внутреннего диаметра отверстия в пластине и наружного диаметра трубы и определяющие величину зазора Ь,

- А1., А1, - отклонения линейных размеров деталей, влияющих на точность расположения круговых швов;

- АТ, Аёф - отклонения расположения круговых швов, вызванные погрешностями изготовления сборочно-сварочной оснастки {АТ -отклонения между центрами фиксаторов и Ас1ф - отклонения диаметров фиксаторов).

Величина1 С является функцией количества и диаметра круговых швов, расстояния между ними и величины отбортовки.

Для исследованных величин отбортовки величина С описывается следующими функциями:

для Л= 3 мм С='{п-1)- [0,0423-0,001- {и-С?тв)] мм для /7=5 мм С= (п-1)• [0,0254-0,0006- (¿1-0"°)] мм для /7=7 мм С= (п-1)- [0,0133-0,0003- (¿-г-/?™)] мм для /т=10 мм С= {п-1)- [0,0038-9-10"°5- Щ-[Г*)] мм где п - количество круговых швов; Ц - расстояние между центрами круговых швов; СР™ - диаметр отверстия в панели. Величину возможного смещения свариваемых кромок от проектного положения Б и величину зазора Ь в соединении можно рассчитать, зная схему базирования изделия в приспособлении. В связи с этим в работе рассмотрено несколько альтернативных схем базирования панели. После их анализа выбрана схема, показанная на рис. 11, которая обеспечивает наибольшую точность установки панели в пространстве.

1

19

Ь ¿у2 Расстояние между цопрам» фиксаторов

Рис. 11 —. Схема базирования панели в приспособлении а - проектное расположение относительно фиксаторов, б - максимально возможное отклонение.

При установке панели по двум цилиндрическим пальцам необходимо обеспечить два условия:

- допуски на размеры и расположение фиксаторов должны обеспечивать возможность установки на них всех панелей;

- зазоры между фиксаторами приспособления и отверстиями в панели должны! определяться расчётом.

Для выполнения этих условий необходимо чтобы: Фактическое наибольшее отклонение размера на межцентровое расстояние в панели У1 не превышало 0,4 мм (согласно статистических данным, представленным в работе); наибольшее отклонение размера на межцентровое расстояние между фиксаторами в приспособлении у2 должно составлять 0,1 мм.

Таким образом, наибольшее отклонение отверстий относительно фиксаторов за счёт допусков на межцентровое расстояние Дта* составит у!+ уг = 0,4+0,1 = 0,5 мм. ,

Наименьший зазор между отверстием заготовки и фиксатором

Anv.ll ~

отв. Ш1п "^пальцев тах

)/2 = (60-59,5)/2 = 0,25 мм.

Итак, для того, чтобы все панели устанавливались на фиксаторы, их диаметр должен быть выполнен с размером 60 " ■ По

консервативной оценке наибольшее смещение свариваемых кромок от проектного положения Б составит:

Б = D0TB, гаах - Опальцев. п,|П = 60,5-59,6=0,9 мм, величина зазора между трубой и панелью может достигать: b = D0Ta. max - DTpy6bl. min = 60,5 - 59,5 = 1,0 MM. Качество сварных соединений будет обеспечиваться при условии, что отклонение электрода от реального положения стыка 5и зазор в соединении b не будут превышать некоторых предельных значений [<5] и [/?].

Для выявления предельно допустимых сочетаний величин £>и 5, была разработана методика и изготовлено приспособление, позволяющие \на ограниченном количестве образцов получить «область качества» соединений, выполняемых по отбортовке.

Методика исследования заключалась в следующем. Сварное соединение, имитирующее отбортовку кругового шва, собирали в приспособлении, позволяющем устанавливать полосы толщиной 2мм (толщина панели) и Змм (толщина трубы) в строго определённое положение и удерживать их в процессе сварки с заранее заданным зазором. Исследуемые параметры b и 5 изменяли в определённых пределах. Зазор b изменяли ступенчато (Ь=0; Ь=0,5мм; Ь=1,0мм) путём постановки между полосами калиброванных пластин.

Для выявления предельно допустимых сочетаний величин b и 5, была разработана методика и изготовлено приспособление, позволяющие на ограниченном количестве образцов получить «область качества» соединений, выполняемых по отбортовке.

Методика исследования заключалась в следующем. Сварное соединение, имитирующее отбортовку кругового шва, собирали в приспособлении, позволяющем устанавливать полосы толщиной 2мм (толщина панели) и Змм (толщина трубы) в строго определённое положение и удерживать их в процессе сварки с заранее заданным зазором. Исследуемые параметры b и 5 изменяли в определённых пределах. Зазор b изменяли ступенчато (Ь=0; Ь=0,5мм; Ь=1,0мм) путём постановки между полосами калиброванных пластин.

На рис.12,а, и рис.12,б штрих-пунктирной линией указаны траектории перемещения электрода относительно свариваемых стыков На рис. 12,а соединение собрано без зазора, на рс.12,б зазор в соединении равен 1,0 мм

Траектория движения электрода обеспечивала плавное

изменение величины смещения электрода 5 от стыка. Собранное соединение сваривали по отбортовке кромок, в смеси газов (85%Аг, 20%С02, 5%02) проволокой марки Св-08Г2С диаметром равным 1,0 мм на режимах, обеспечивающих минимальную погонную энергию: сила тока I (А) = 110±5, напряжение II (В) = 25-26, скорость сварки Усв (м/ч) = 28, расход газа (2 (л/мин)= 14.

После сварки образец разрезали на отдельные .темплеты. В местах реза вычисляли смещение электрода на одну из деталей, изготавливали макрошлифы и измеряли геометрические парамет-ры

Рис.12 - Образцы для определения «области качества» при сварке соединения по отбортовке: (а) - без зазора; (б) - с зазором 1,0 мм

Отбраковывали те соединения, которые не удовлетворяли требованиям качества, изложенным ранее.

По результатам анализа шлифов и измерения параметров шва была построена «область качества» сварных соединений, выполняемых по отбортовке, которая показано на рис.13.

В качестве исходной информации для имитационного моделирования использовали статистические данные по изменению основных размеров изделия и представили их в виде соответствующих законов распределения, а также воспользовались законами распределения параметров, которыми ' обусловлено отклонение электрода от реального положения стыка.

Рис.13 - Область формирования качественных соединений, выполняемых по отбортовке - [Я].

В тех случаях, когда расчёт возможности обеспечения качественной сборки под роботизированную сварку производится на ранних этапах проектирования, или когда имеются только чертежи деталей с номинальными размерами и их отклонениями, следует принять, что геометрические погрешности распределены нормально с математическим ожиданием, равным номиналу размера, а средние квадратические отклонения о следует рассчитывать по приближённой зависимости о- = (Дд-дн)/б,

где Дв и Дн - соответственно верхнее и нижнее отклонения. Работа имитационной модели заключается в следующем:

- выбирают схему базирования изделия в приспособлении;

- создают для неё алгоритмы расчёта отклонения стыка от проектного положения и зазора при сварке;

- задают законы распределения отклонений величин АО, Ас/, АС, А/, АТ, Дёф,

- задают закон распределения отклонения проволоки от запрограммированного положения оси сварочной горелки;

- наполняют банк данных для области формирования качественных соединений - [Я].

Имитационная система случайным образом, но в рамках законов распределения, генерирует величины отклонений (Ар, Ач, Аэ, АО, Ас!, А1., А/, АТ, Ас1ф) и рассчитывает величину зазора в стыке Ь и отклонение проволоки от стыка 5. Расчет этих величин производится 104 раз. Они сравниваются с допустимыми отклонениями |Ь| и |5 Если полученный массив данных находится внутри области [Я], то возможность получения качественных сварных соединений при заданных значениях исходных отклонений размеров обеспечивается. Одновременно модель позволяет определить вероятность получения

качественных сварных соединений при заданных условиях.

Рис.14, демонстрирует работу модели в виде её экранной формы.

' h=3 D 60 i AD :0,5 ADcpkb 0,08333 • Г

•• h-5 i

■ - ^ <i 60 :Ad :-0,5 j Ad cp.KB 0,08333 ¡ "" "

1 h=10 üdíiiKcarop:-0,37 ; Ad cp.KB..0,025

AP Ó " ]■.'..■■■üPcp.KB. :0,06666

ЛЧ -0.23 ........j .ЛЧсрю JO,! 1666 "!;-,' ' ;;

; " i5......1 AL'ÍM................. . Ai сред O.mxi ¡ >:

;.t Al 0,1 j: Al сркв 0,03333 . i '

. ' АЭ С АЭср.кв. 0,05

b I

ы '6.5

-o -1,8 ¡-<3/4,8 --el -1,3 .01 ,0,3 • 02 5,8 С I .¡ I Старт Количество годных из 10000:9986

Рис.14 - Экранная форма работы имитационной модели

Такая форма даёт наглядное представление о введённой исходной информации, количестве назначенных прогонов модели, «области качества» для соединений, выполняемых по отбортовке, и о результатах расчёта, по которым можно судить о целесообразности использования роботизированной сварки.

Таким образом, разработанный конструктивно-технологический способ. выполнения круговых сварных соединений на тонкостенных: панелях позволил успешно решить .большой комплекс вопросов, , связанных с обеспечением высокой точности изготовления тонкостенных конструкций и уменьшением их деформаций и перемещений в зоне круговых швов. Кроме того, он обеспечил, возможность автоматизации сварочного процесса, ' уменьшение ручного труда, снижение трудоёмкости и повышение качества сварных швов и конструкции в целом.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ:

1. Выполнение круговых угловых швов на тонкостенных панелях теплообменных аппаратов вызывает деформации и перемещения сварного узла, обусловленные потерей устойчивости тонкостенного элемента, что является следствием действия усадочных сил в плоскости пластины. .

2. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность регулирования величины временных и остаточных деформаций тонкостенных конструкций путём изменения податливости кромок кругового шва благодаря применения сварки по отбортовке.

3. Выполнение отбортовки кромки отверстия панели в месте расположения кругового шва на расчетно-обоснованную величину позволяет увеличить податливость соединяемых кромок и вынести действие усадочных сил из плоскости панели, благодаря чему появилась возможность снизить временные и остаточные деформации тонкостенного 'элемента до .уровня, позволяющего применять для сварки неадаптивные автоматы или роботы.

4. Выявлены основные конструктивно-технологические параметры, влияющие на величину остаточных деформаций и перемещений при выполнении круговых швов по отбортовке на тонкостенных пластинах:

численным (МКЭ) и аналитическим методами доказано, что требуемая высота отбортовки кромок зависит от толщины панели, диаметра круговых швов и расстояния между швами;

с увеличением высоты отбортовки и уменьшением диаметра кругового шва при сохранении расстояния между центрами круговых швов деформации уменьшаются как в плоскости, так и из плоскости пластины.

5. Возможность применения неадаптивных роботов для выполнения близко расположенных круговых швов зависит от точности взаимного позиционирования стыка и электрода, случайных колебаний размерных параметров элементов, входящих в систему «Робот - оснастка - изделие» и от перемещений, возникающих от ранее выполненных круговых швов.

6. Разработана многофакторная имитационная модель, учитывающая отклонения оси электрода и свариваемых кромок от проектного положения, перемещения, возникающие в зоне сварного соединения, а также величину зазора при выполнении сборки и

сварки соединений по отбортовке. Данная модель позволяет на вероятностной основе оценить целесообразность использования для сварки неадаптивных сварочных роботов или сварочных автоматов.

7. Создана база данных по допускаемому сочетанию величин зазора b и смещения оси электрода от стыка ör при которых обеспечивается требуемое качество швов, выполняемых по отбортовке.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Людмирский Ю.Г. Принципы организационно-технологического проектирования роботизированных сварочных комплексов / Ю.Г. Людмирский, М.В. Солтовец, А.Н. Грицына // Вестник ДГТУ. - 2007. -Т. 7. №1(32). - С.47-53. (В списке ВАК № 204)

2. Людмирский Ю.Г. Реализация принципов организационно-технологического проектирования роботизированных комплексов / Ю.Г. Людмирский, М.В. Солтовец, А.Н. Грицына // Вестник ДГТУ. -2007. -Т. 7, №2(33). -С.191-199. (Всписке ВАК № 204)

3. Грицына А.Н. Снижение сварочных деформаций тонкостенных панелей теплообменных аппаратов путём регулирования податливости кромок при выполнении круговых швов Ц Инженерный вестник Дона, 2010. №4. http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2010/ (доступ свободный) — Загл. с экрана. — Яз. рус. (В списке ВАК № 938)

4. Грицына А.Н. Конструетивно-технологическое проектирование тонкостенных конструкций с учётом их сварки на роботизированных комплексах / А.Н. Грицына, C.B. Тихонов, А.Г, Артёменко // Сварочное производство: сб. тр. молодых учёных/ДГТУ. - г. Ростов н/Д, 2008. -С.97-103.

5. Грицына А.Н. Имитационная модель прогнозирования качества сварных соединений при их выполнении неадаптивными роботами / А.Н. Грицына, C.B. Тихонов, A.C. Колмогоров // Сварочное производство: сб. тр. молодых учёных/ДГТУ. - г. Ростов н/Д, 2009. -С.51-64

В печать 2i.01.ll.

Объём £ усл. п. л. Офсет. Бумага тип № 3.

Формат 60x84/16. Заказ № 3 7 . Тираж 100 экз. Бесплатно

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1

Введение

1 Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Проблемы использования неадаптивных роботов при автоматиза- 9 ции процесса сварки

1.2 Деформации и перемещения в тонкостенных панелях при выпол- 13 нении на них круговых швов (на примере сварки теплообменных аппаратов)

1.3 Напряженно-деформированное состояние пластины содержащей 26 круговое сварное соединение

1.4 Существующие методы борьбы со сварочными деформациями и 33 перемещениями

Выводы по главе

2 Анализ деформаций и перемещений возникающих при сварке 47 круговых швов1, на тонкостенных панелях

2.1 Методика и измерение перемещений, возникающих в результате 47 сварки круговых элементов на плоской панели

2.2 Разработка конструктивно - технологического метода снижения 54 сварочных деформаций при выполнении круговых швов на тонкостенных панелях.

2.3 Расчёт деформаций и перемещений, возникающих в результате 59 выполнения кругового шва на тонкостенной панели

2.3.1 Методика численного моделирования деформаций и переме- 59 щений методом конечных элементов

2.3.2 Результаты исследования деформаций и перемещений, возни- 67 кающих при сварке круговых швов, на тонкостенных панелях методом конечных элементов

Выводы по главе

3 Закономерности образования деформаций и перемещений в тонкостенных панелях при выполнении кругового шва по от-бортовке, путём аналитического расчёта.

3.1 Аналитический расчёт деформаций и перемещений

3.2 Результаты расчёта и моделирования перемещений, в панелях при 83 выполнении круговых швов по отбортовке в зависимости от её высоты, диаметра шва и толщины

4 Оценка возможности обеспечения качества сварных соедине- 91 ний типа «труба-панель» при использовании неадаптивных роботов или автоматической дуговой сварки

4.1 Определение допустимых величин зазора и смещения проволоки 91 от стыка в соединении «труба-панель», выполняемом по отбортовке

4.2 Вероятностная оценка возможности обеспечения качества 100 сварки роботом круговых швов, выполняемых по отбортовке

Выводы по главе

Основными направлениями развития машиностроения являются повышение качества выпускаемой продукции и автоматизация производственных 1 процессов. Для сварочного производства высшей степенью автоматизации является роботизация. Несмотря на то, что автоматизация изготовления сварных конструкций постоянно являлась центральной проблемой сварочной науки и техники, и в этом направлении достигнуты значительные успехи, автоматизация дуговой сварки встречает серьёзные трудности. Использование промышленных роботов для автоматизации дуговой сварки плавлением относительно простых, точных и жёстких деталей, как правило, способствует получению продукции высокого качества.

Среди всего Многообразия конструкций особое место занимает 1 большая группа изделий, для которых характерна малая жёсткость и наличие большого количества круговых швов, выполняемых на тонкостенных панелях. В качестве примера в работе рассмотрена возможность сварки на роботизированном комплексе узла бытового газового обогревателя, содержащего большое количество круговых швов, выполняемых на тонкостенной панели.

Для дуговой сварки таких конструкций характерно:

- во-первых, развитие значительных временных деформаций и перемещений, которые затрудняют процесс сварки;

- во-вторых образование остаточных деформаций, которые искажают форму и размеры готового изделия.

При выполнении ручной или механизированной сварки, временные перемещения, как правило, не осложняют процесса сварки, так как сварщик ориентируется на действительное положение кромок и позиционирование электрода относительно стыка не вызывает затруднений. Напротив, при сварке с использованием неадаптивных роботов, позиционирование свариваемых кромок и конца электрода для каждого очередного шва требует учёта временных и остаточных напряжений, что существенно затрудняет процесс сварки.

Огромный вклад в развитие теории сварочных напряжений и деформаций и методов предупреждения их негативного влияния на качество сварных конструкций внесли работы таких ученых, как: Г.А. Николаева, В.А. Винокурова, Н.О. Окерблома, К.Х. Гатовского, С.А. Куркина, А.Г. Григорьянца, В.И. Махненко, В.М. Сагалевича и других. Разработке способов уменьшения деформаций и перемещений при сварке круговых швов, посвящены исследования В.М. Сагалевича, A.B. Вершинского, Б.С. Касаткина, JI.M. Лобанова, Г.И. Ткачук, В.П. Моисеенко, А.С.Куркина, A.B. Коновалова и др. исследователей. Однако, вопросы точности маложёстких сварных конструкций, содержащих круговые, близко расположенные сварные швы не нашли своего решения в< существующих исследованиях.

Деформации, возникающие после выполнения части швов, могут изменять первоначально заданное расположение ещё не сваренных кромок, т.е. приводить к отклонению положения стыка от запрограммированной траектории движения электрода, что в некоторых случаях ставит под сомнение принципиальную возможность применения неадаптивных роботов.

Данная работа преследует цель выявить закономерности образования сварочных деформаций и перемещений в тонкостенных пластинах при выполнении близко расположенных круговых швов и разработать конструктивно-технрлогические мероприятия, обеспечивающие

I u возможность получения качественных сварных соединений и конструкции заданных размеров при их выполнении автоматической сваркой или неадаптивными сварочными роботами.

Для реализации поставленной цели необходимо решить ряд задач:

1. Провести анализ деформаций и перемещений, возникающих при изготовлении сварных тонкостенных конструкций;

2. Выполнить анализ видов деформаций и перемещений, возникающих в тонкостенных панелях, при выполнении близко расположенных круговых угловых швов при изготовлении теплообменных аппаратов;

3. Выявить закономерности возникновения деформаций и перемещений в тонкостенных панелях при выполнении круговых швов по отбортовке; • 1

4. Обосновать и проверить возможность уменьшения величины деформаций и перемещений тонкостенных конструкций путем изме-нения податливости свариваемых кромок кругового шва, и выявить закономерности влияния основных конструктивных и технологических параметров при выполнении круговых швов по отбортовке на остаточные перемещения и деформации тонкостенных панелей;

5. Разработать многофакторную имитационную модель процесса накопления отклонений от проектного, положения положения; стыка, при сборке и сварке- панели ^теплообменника,, позволяющую оценить возможность применения неадаптивных роботов; и> создать для нее базу данных.

Научная новизна заключается в теоретическом обосновании возможности регулирования величины временных и остаточных деформаций тонкостенных конструкций при выполнении круговых швов путем изменения податливости свариваемых кромок кругового шва благодаря применению сварки по отбортовке.

Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что при I сварке круговых швов по отбортовке возрастает податливость свариваемых кромок. Это уменьшает влияние усадочных сил, возникающих в шве, на тонкостенную панель, что снижает временные и остаточные деформации панели до уровня, позволяющего применять сварку неадаптивными автоматами или роботами.

Аналитическое! и численное моделирование механизма процесса образования деформаций при сварке позволило установить общие закономерности влияния конструктивных параметров сварного соединения на величину деформаций. Установлено, что с увеличением высоты отбортовки, толщины пластины и уменьшением диаметра кругового шва, при сохранении расстояния между центрами соседних круговых швов, деформации и перемещения уменьшаются как в плоскости, так и из плоскости панели.

Экспериментально выявлены следующие основные конструктивные и технологические 1 параметры, которые влияют на точность I позиционирования электрода по отношению к траектории шва при роботизированной сварке близко расположенных круговых швов. К ним, относятся: точность позиционирования электрода роботом, зазор в стыке, случайные колебания размерных параметров элементов, входящих в систему «Робот - оснастка - изделие», а также деформации, возникающие от ранее выполненных круговых швов.

Разработана многофакторная имитационная модель отклонения стыка от запрограммированного пути движения электрода, которая позволяет оценить возможность выполнения круговых швов на тонкостенных 1 пластинах автоматической или роботизированной сваркой без адаптации. На защиту выносятся: метод регулирования величины временных и остаточных деформаций тонкостенных конструкций при выполнении круговых швов путем изменения податливости свариваемых кромок за счёт отбортовки, выполняемой по контуру соединения; имитационная модель процесса сборки и сварки маложёстких конструкций, содержащих близко расположенные круговые швы, оценивающая возможность применения неадаптивных роботов по количеству выхода изделий, отвечающих ТУ на выпускаемую продукцию; - результаты экспериментальных и теоретических исследований.

Практическая ценность и реализация результатов работы 1

Разработан конструктивно-технологический метод, обеспечивающий возможность получения качественных сварных швов и конструкций, обладающих малой жёсткостью и содержащих близко расположенные круговые швы, при их выполнении автоматической сваркой или неадаптивными роботами.

Выполнение круговых швов на тонкостенных панелях по отбортовке определённой высоты обеспечивает требуемую точность конструкции, снижает долю ручного труда, создаёт условия для их сварки неадаптивными роботами, при этом растёт производительность труда.

Создана база данных необходимая для работы имитационной модели, содержащая: область качества для сварных разнотолщинных соединений (труба толщиной 3 мм и панель толщиной 2 мм), выполняемых по отбортовке; расчётные схемы базирования деталей в. сборочно-сварочной оснастке.

Разработана и передана в производство предприятия ЗАО «Соединительные детали трубопроводов» (филиал г. Таганрог) технология выполнения круговых швов сварного узла «теплообменник». Акт внедрения от 22 ноября 2010г.

Полученные результаты 'работы использованы в учебном процессе ДГТУ на кафедре «Машины и автоматизация сварочного производства» при подготовке специалистов по специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства».

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 118 страницах машинописного текста, содержит 14 таблиц, 57 рисунков.

Выводы по главе 4

1. Разработанная имитационная модель позволяет на различных этапах конструктивно-технологического проектирования роботизированного комплекса оценить докю сварных соединений, не соответствующих техническим требованиям, обусловленную неточностью направления электрода по стыку.

2. Разработана многофакторная имитационная модель, учитывающая отклонения оси электрода и свариваемых кромок от проектного положения, перемещения, возникающие в зоне сварного соединения, а также величину зазора при выполнении сборки и сварки соединений по отбортовке. Данная модель позволяет на вероятностной основе оценить целесообразность использования для сварки неадаптивных сварочных роботов или сварочных автоматов. 1

3. Создана база данных по допускаемому сочетанию величин зазора b и смещения оси электрода от стыка 8, при которых обеспечивается требуемое качество швов, выполняемых по отбортовке. I

Заключение (Выводы по работе)

1. Выполнение круговых угловых швов на тонкостенных панелях I теплообменных аппаратов вызывает деформации и перемещения сварного узла, обусловленные потерей устойчивости тонкостенного элемента, что является следствием действия усадочных сил в плоскости пластины.

2. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность регулирования величины временных и остаточных деформаций тонкостенных конструкций путём изменения податливости кромок кругового шва благодаря применения сварки по отбортовке. I I

3. Выполнение отбортовки кромки отверстия, панели в месте расположения кругового шва на расчетно-обоснованную величину позволяет увеличить податливость соединяемых кромок и вынести действие усадочных сил из плоскости панели, благодаря чему появилась возможность снизить временные - и остаточные деформации тонкостенного элемента, до уровня, позволяющего применять для сварки неадаптивные автоматы или роботы.

4. Выявлены основные конструктивно-технологические параметры, влияющие на величину остаточных деформаций и перемещений при I выполнении круговых швов по отбортовке на тонкостенных пластинах:

- численным (МКЭ) и аналитическим методами доказано, что требуемая высота отбортовки кромок зависит от толщины панели, диаметра круговых швов и расстояния между швами;

- с увеличением высоты отбортовки и уменьшением диаметра кругового шва при сохранении расстояния между центрами круговых швов деформации уменьшаются как в плоскости, так и из плоскости пластины.

5. Возможность применения неадаптивных роботов для выполнения близко расположенных круговых швов зависит от точности взаимного позиционирования стыка и электрода, случайных колебаний размерных параметров элементов, входящих в систему «Робот - оснастка - изделие» и от перемещений, возникающих от ранее выполненных круговых швов. I

6. Разработана многофакторная имитационная модель, учитывающая отклонения оси электрода и свариваемых кромок от проектного положения, перемещения, возникающие в зоне сварного соединения, а также величину зазора при выполнении сборки и сварки соединений по отбортовке. Данная модель позволяет на вероятностной основе оценить целесообразность использования для сварки неадаптивных сварочных роботов или сварочных автоматов.

7. Создана база данных по допускаемому сочетанию величин зазора Ь и смещения оси электрода от стыка д, при которых обеспечивается требуемое качество швов, выполняемых по отбортовке.

8. Использование конструктивно-технологического метода позволяет успешно решать большой комплекс вопросов: уменьшает деформации и перемещения в зоне круговых швов, обеспечивает автоматизацию сварочного процесса, повышает точность изготовления тонкостенных конструкций, уменьшает долю ручного труда, снижает трудоёмкость изготовления изделия.

1. Азимов Б.П. Влияние жёсткости конструкций и погонной энергии сварки на усадочную силу / Б.П.Азимов, В.А. Винокуров, А.Г. Григорянц // Сварочное производство. 1973г. - №2, С.5-7.

2. Акулов А.И. Влияние режима и пространственного положения на размеры шва при сварке в С02/ А.И. Акулов, В.В. Спицын // Сварочное производство. 1971г. -№4, С. 16-19.

3. Акулов А.И. Технология и оборудование сварки плавлением: Учебник для студентов вузов / А.И. Акулов, Г.А. Бельчук, В.П. Демянцевич М.: Машиностроение, 1977г. -432с

4. Бояршиков C.B. Основы строительной механики машин. Учеб. пособие для вузов / C.B. Бояршиков -М.: Машиностроение. 1973г. - 456 с.

5. Брагин В. Б. Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы/Брагин Ю. Г.и др.; Под общ. ред. Е. П. Попова, В. В. Клюева. М.: Машиностроение, 1985. —256 с.

6. Васильев В.М. Конструктивные мероприятия по уменьшению сварочных деформаций при изготовлении судовых конструкций / В.М. Васильев, М.К. Глозман, Р.Ф. Поникаровский Л.: -1983.246с.

7. Вентцель Е.С. Теория вероятности. М., «Наука», 1964. 564 с.

8. Вечтомова Д.Г. Подготовка производства к внедрению промышленных роботов / Д.Г. Вечтомова. -М.:НИИмаш, 1982г.- 36 с.

9. Виноградов С.Н. Конструирование и расчёт элементов тонкостенных сосудов. Учеб. пособие. / С.Н. Виноградов, К.В. Таранцев Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та. -2004г.-136 с.

10. Винокуров В.А. Сварочные деформации и напряжения / В.А. Винокуров М.: Машиностроение. - 1974г. - 248 с.

11. Выбор и расчёт теплообменников: Учебное пособие/ С.Н. Виноградов,К.В. Таранцев, О.С. Виноградов. Пенза: Электронное издание, 2001г. -100 с.

12. Гамзаев Ю.Д. Пути уменьшения деформаций тонколистовых конструкций из легких сплавов при аргонодуговой сварке / Ю.Д. Гамзаев. Л.: б. и., 1961г. -169с.

13. Гатовский K.M. Теория сварочных деформаций и напряжений/ К.М Гатовский, В.А. Кархин Л.: Изд. ЛКИ. - 1980г. - 331 с.

14. Геттерт В. Сварочные роботы / В. Геттерт и др. Под ред. Г. Гердена. Пер. с нем. -М.¡Машиностроение. 1988г. -288 с.

15. Горшков А.И. Особенности образования остаточных сварочных напряжений при сварке импульсной дугой / А.И. Горшков, В.А. Матюшкин, Г.А. Славин // Сварочное производствр. 1971г., - №1, С.24-29

16. ГОСТ 14771-76. Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры. Введ.1977-01.07. -М.: Изд-востандартов, 1991.

17. Григорьев A.A. Местные сварочные деформации тонколистовых конструкций и мероприятия по их уменьшению / A.A. Григорьев, А.Н. Сидоренко. Л.: Судпромгиз.,1957. - 1 Юс

18. Грицына А.Н. ИмитациЬнная модель прогнозирования качества сварных соединений при их выполнении неадаптивными роботами / А.Н. Грицына, C.B. Тихонов, A.C. Колмогоров // Сварочное производство: сб. тр. молодых учёных/ДГТУ. г. Ростов н/Д, 2009г. - С.51-64

19. Гуань Цяо. Бездеформационная сварка с использованием эффектов термического растяжения для соединения материалов малой толщины / Гуань Цяо, Д.Л. Гуо, С.Х. Жанг, Дж.Ли // Автоматическая сварка. 2006г. -№12, С.3-13.

20. Гурский К.П. Система автоматизированного проектирования и аналити-ческого программирования роботизированных рабочих мест для дуговой сварки/ К.П. Гурский и др. // Автоматическая сварка. 1995г, №2, С. 43-51

21. Загребальный В.И. Анализ условий точности при использовании роботов с жесткой программой для автоматизации дуговой сварки / В.И. Загребальный, О.А.Губина, А.И. Рако^ // Автоматическая сварка. 1978г. - №4, С. 37-39.

22. Загребельный В.И. Влияние условия точности перемещения электрода по стыку на качество соединения при использовании роботов для дуговой сварки/ // Автоматическая сварка. 1978г. -№ 2, С.20-23

23. Зевин А.Д. Расчетное определение величины стрелки обратного упругого выгиба. Сб. "Конструкторско-технологическое проектирование сварных конструкций" /

24. A.Д. Зевин 41, Л.- 1970г.-с. 31-35.

25. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир - 1975. - 541с

26. Игнатьева B.C. Расчет усилия прижима кромок изделий при сварке /

27. B.С.Игнатьева// Автоматическая сварка. -1965г. №1. С.33-37.

28. Каплен А.Б. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство / А.Б. Каплен, Морозов Е.М. и др. М.: Едиториал УРСС, 2004г. - 272 с.

29. Касаткин Б.С. Исследование поляризационно-оптическим методом напряженного состояния круговых швов на плоскости / Б.С. Касаткин, JI.M. Лобанов, Г.И. Ткачук // Автоматическая сварка. 1970г. -№12, С.40-42.

30. Катаев Р.Ф. Расчёт основных параметров режима механизированной дуговой сварки плавящимся электродом: методические указания к курсовому и дипломному проектированию/ Р.Ф. Катаев. Екатеринбург: УГТУ-УПИ. 2009г. -37 с.

31. Кириенко В.М. Унификация режимов сварки в С02/ В.М.Кириенко, Ю.П. Царик // Автоматическая сварка.'-1994г. № 4. С. 45 48

32. Кленов Г.И. Импульсно-дуговая полуавтоматическая сварка неплавящимся электродом алюминиевых сплавов. / Г.И. Кленов // Сб. "Сварка цветных металлов и сплавов" М.: 1968г., С. 124-129.

33. Козырев Ю.Г. Промышленныероботы: Справочник./ Ю.Г. Козырев М. Машиностроение. 1988г. - 391 с.

34. Кононенко В.Я. Сварка в среде защитных газов плавящимся и неплавящимся электродом. Справочник./ В.Я. Кононенко Киев: Ника-Принт - 2007г. - 266 с.

35. Кузьминов С.А. Сварочные деформации судовых корпусных конструкций / С.А. Кузьминов Л."Судостроение"., 1974г. 286с.

36. Куркин A.C. Оценка предельных отклонений при дуговой роботизированной сварке тавровых соединений / A.C. Куркин, В.Е. Дриккер // Сварочное производство. 1989г. 4 №2.-С.8-10

37. Куркин С.А. Деформации тонколистовых элементов при*сварке и борьба с ними / С.А.Куркин, В.А. Винокуров // Сварочное производство. 1958г. - №2, С.28-31.

38. Лобанов Л.М Регулирование теплодеформационных циклов при сварке листовых конструкций с применением теплопоглотителей /Л.М Лобанов, В.И. Павловский, В.П Логинов и др.// Автоматическая сварка 1990г. -№9. с.39-46

39. Лобанов Л.М. Исследование особенностей образования напряжений и деформаций при выполнении круговых сварных соединений в оболочках из алюминиевых сплавов / Л.М. Лобанов, В. И. Павловский, Б.С. Касаткин // Автоматическая сварка. 1983 г, № 4, с. \ - 10

40. Лобанов Л.М. Применение теплоотводящих паст для регулирования теплодеформационных процессов при сварке / Л.М. Лобанов, Б.С. Касаткин, В.И. Павловский // Информ. материалы СЭВ. Сер. Сварка. Киев: Наук, думка. - 1980. Вып.2. -С.10-17

41. Лукьянов В.Ф. Производство сварных конструкций (изготовление в заводских условиях) / В.Ф. Лукьянов, В.Я. Харченко, Ю.Г. Людмирский. Ростов-на-Дону: ООО «Терра Принт» - 2006г. -336с.1., 117I

42. Лукьянов В.Ф. Устранение деформаций при сварке каркаса подбарабанья комбайна «Дон-1500»/ В.Ф. Лукьянов, Ю.Г. Людмирский, В.А. Софьянников // Сварочное производство.-1989г.- №3. G 32.

43. Людмирский Ю.Г. Принципы организационно-технологического проектиро-вания роботизированных сварочных комплексов / Ю.Г. Людмирский, М.В. Солтовец,

44. A.Н. Грицына // Вестник ДГТУ. 2007г. - Т. 7. №1(32). - С.47-53.

45. Людмирский Ю.Г. Реализация принципов организационно-технологичес-кого проектирования роботизированных комплексов / Ю.Г. Людмирский, М.В. Солтовец, А.Н. Грицына // Вестник ДГТУ. 2007. - Т. 7, № 2(33). - С. 191-199.

46. Людмирский Ю.Г. Роботизация производства маложестких сварных конструкций / Ю.Г. Людмирский Ростов-н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ. -2002. -140 с.

47. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, A.B. Волосникова, С.А. Вяткин и др.; Под. общ. ред. В.Г. Сорокина -М.: Машиностроение. 1989г.- 640 с.

48. Мусеев И.М. Допустимые геометрические отклонения системы робот — свариваемые детали при дуговой сварке рам мотоциклов/ И.М. Мусеев,В.А. Корнилов, В.М. Князев // Сварочное производство. -1989г. № 2, С. 10-12.

49. Николаев Г.А. Сварные конструкции, расчет и проектирование/ Г.А. Николаев,

50. B.А. Винокуров -М.: Высшая школа. 1990г. - 310 с.

51. Оборудование и технология дуговой автоматической и механизированной сварки: Учеб. для проф. учеб. завед./ B.C. Виноградов.-М.: Высш.шк.; Изд. центр. Академия, 1997г. 319ci.

52. Попков A.M. Расчёт оптимальных режимов сварки в углекислом газе.// Сварочное производство. 1983г. № 1. С. 29 30'

53. Потапьевский А.Г. Сварка в защитных газах плавящимся электродом / А.Г. Потапьевский М., Машиностроение,. 1974г. -240с

54. Практикум по метролога и стандартизации/ И.Г. Кошлякова, В.А. Ваганов, А.Ф: Хлебунов. Ростов -на-Дону: Издат. центр ДГТУ -2009г. - 214 с.

55. Сагапевич В.М. Методы устранения сварочных напряжений и деформаций / ВМ. Сагалевич. -М.: Машиностроение, 1974г. 248 с.

56. Сагалевич В.М. О прижатии кромок тонких пластин и оболочек для предотвращения депланации при нагреве / В.М. Сагалевич, В.И Калинкин // Сб."Остаточные напряжения и прочность сварных конструкций".М.: Машиностроение 196 Jr. - с. 102-107.

57. Сагалевич В.М. Остаточные деформации и напряжения круговых сварных швов пластин и оболочек / В.М. Сагалевич, A.B. Вершинский // Сварочное производство. 1967г. - №2, С. 19-21.

58. Сагалевич В.М. Расчёт остаточных деформаций и напряжений круговых сварныхшвов в пластинах. / В.М. Сагалевич, A.B. Вертинский // Известия вузов, Машиностроение. 1968г. - №6, С. 189-194.

59. Сагалевич В.М. Расчётное определение деформаций и напряжений в круговых сварных соединениях / В.М. Сагалевич, С.А. Мезенцева// Сварочное производство. 1974г. - №9, С.7-10.

60. Сагалевич В.М. Устранение сварочных деформаций от круговых швов в сферических оболочках / В.М. Сагалевич, В.Н. Горицкий, А.И Серебряков, С.А. Мезенцева // Сварочное производство. 1985г. - №10, С.38-39.

61. Сварка в машиностроении: Справочник: в 4 т. /Редкол.:Г.А. Николаев (пред) и др. / Т.2-Под ред. А.И. Акулова. М.Машиностроение, 1978.-462.С.

62. Секулович М. Метод конечных элементов / Пер. с серб. Ю.Н. Зуева; Под ред. В.Ш. Барбакадзе. М.: Стройиздат, 1993. - 664с.: ил.

63. Смирнов Н.В. Курс теории вероятности и математической статистики для технических приложений / Н.В. Смирнов, И.В. Дунин-Барковский М.: Наука. -1965г.

64. Современные роботы в машиностроении: Учебное пособие / A.C. Климов, О.В. Бойченко, А.Г Схиртладзе. Тольятти: ТГУ, 2005.-132с.

65. Справочник сварщика строителя / Бондарь В.Х., Шкуратовский Г.Д. 3-е изд., перераб. и доп. - Киев: Бущвелышк, 1982. - 240 с.

66. Тимченко В.А. Оценка технологичности сварных конструкций как объектов роботизированной дуговой сварки / В.А. Тимченко, C.B. Дубовецкий, П.Ф. Федотов// Автоматическая сварка. -1985.-№5.-С.29-39

67. Тимченко В.А. Роботизация сварочного производства / В.А. Тимченко, A.A. Сухомлин. Киев: Тэхника, 1988.-173с.

68. Тимченко В.А. Роботы В'производстве сварных конструкций: современное состояние и перспективы / В.А. Тимченко // Автоматическая сварка. -1998.-№5.-С.55-63

69. Тимченко В.А. Современное состояние и тенденции развития роботизации сварочного производства /В.А. Тимченко, В.Н Вернадский // Автомати-ческая сварка. -1997.-№3.-С.23-27

70. Тимченко В.А., Дубовецкий C.B., Федотов П.Ф., Гурский К.П. Методика определения допустимого отклонения линии соединения от заданного положения при сварке. // Автоматическая сварка. 1988г. - № 4. с.32-35.

71. Чвертко А.И. Оборудование для дуговой сварки и наплавки / А.И. Чвертко, В.Е. Патон, В.А.Тимченко М.: Машиностроение. -1981. -264 с.

72. Melosh R.J. Basis for Derivation of Matrices for the Direct Stiffness method. // J. Am. Inst. For Aeronautics and Astronautics. 1965. - №1. - P.1631-1637

73. Turner M .J., Clouhg R. W., Martin H.C., Topp L.J. Stiffness and Deflection Analysis of Complex Structures // J. Aeronaut. Sei. 1956. - №23. - P.805-824

74. Middle J.E. Sury R.I. Advancing the application of robotic welding. Production Engineer, 1984, 63, № 7, ip. 38-41.

75. Утверждаю» / Проректор по НИР и ИДря 2010 г.1. Акт вкгёЙрения1. Комиссия в составе:

76. ЗАО «Соединительные детали трубопроводов»:

77. Разработанный способ снижения сварочный деформаций позволяет использовать автоматические способы дуговой сварки при выполнении близко расположенных круговых швов по отбортовке кромок.

78. При выполнении на тонкостенных панелях сварных круговых швов по отбортовке кромок увеличивается скорость сварки на 20-25%.

79. Технология выполнения круговых швов теплообменных аппаратов рекомендована для последующего внедрения.1. Инженерлто сварке1. К.С. Филонов1. Представители

80. А.Н. Грицына Ю.Г. Людмирский