автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка экспертной системы "Проектирование технологии дуговой сварки сталей под флюсом"

г'6 ■ .'-с-И

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ Институт- электросварку им. Е. О. Патона

На правах рукописи

САПРЫКИНА Галина Юрьевна

/ ^ \ • ■ - - V ■■-

РАЗРАБОТКА . ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЁМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДУГОВОЙ СВАРКИ . СТАЛЕЙ ПОД ФЛЮСОМ" "

, ч 05.03.06 —

технология и оборудование для сварки и родственных

. процессов -

- " ч '

- ' ' / \ -АВТОРЕФЕРАТ • , диссертации на соискание ученой степени ' кандидата. технических наук

Киёв 1995

h.

. Работа выполнена в Институте электросварки им.Е.О.Патона HAH Украины ' ', " -

Научный^руководитель: Академик KAjl Украины, доктор,технических • наук, профессор' \ • Махненко В.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ' _ Ледижжий JI.K.; _ ' " ■' ' '

^'заведующий отделом, кандидат технических наук - ГалиниЧ-В.И:~ . " ■

' ' . "** - ' — ' Ведущее предприятие - Национальны^, технический - университет "Киевский политехнический инс-_ / . тйтут". " • <

Защита состоится 1995 г, на заседании специализированного совета (К 50.02.02) прй>Институте электросварки им.Е.О.Патона.. ' ; ч-.. 1' ■ " "

- С диссертацией --. можно ознакомится в научно-технической

библиотеке института. , /V

, Автореферат-разослан \ 1995 г. г . . ' ' Ученый секретарь специали--аированного-ученого совета

- докт., техн, наук ^ Р/^ "Г А.А.Бондарев

г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность гшмы.

Анализ современного состояния сварочного производства свидетельствует о том, что СЕарка сталей плавлением занимает ведущую позицию ео Есех промышленно развитых странах. Один из распространенных способов сварки плавлением - сварка под флюсом. Высокое качество,_ стабильность свойств сварных соединений, большая производительность и благоприятные санитарно-гигиенические условия труда - важные преимущества, которые утвердил за собой этот метод за многие годы.

Постоянно растущий объем производства сварных конструкций, расширен»«? номенклатуры свариваемых сталей и сварочных, материалов, повышение требований к качеству сварных соединений, стремление к увеличению производительности труда ставит перед разработчиками технологических процессов все более сложные задачи, решение которых требует соответствующих эффективных подходов.

Применение для сварных конструкций высокопрочных низколегированных сталей позволяет создавать инженерные сооружения, машины и механизмы с качественно новыми показателями долговечности, несущей способности и производительности. Однако при сварке указанных стачей в целом ряде случаев возникают серьезные проблемы свариваемости, т.е. с проблемы предупреждения образования холодных и горячих трещин и обеспечения заданного уровня механических свойств. Ванным моментом разработки технологии яелястся оптимизация режиме"! и условий сварки в соответствии с критериями свариваемости и минимизации технологических затрат с учетом допустимой техническими условиями вариацией химического состава указанных сталей.

"спеино решить эти задачи мохно применив при проектировании технологии сварки сталей под флюсом экспертную систему, которая аккумулирует опыт и современные знания в этой области сварки.

Создание экспертной системы, предназначенной для проектирования технологии дугоёой сварки сталей пол флюсом позволит не только значительно сократить время на разработку новых технологических процессов и -экономить средства за счет

о

уменьшения объема экспериментальных исследований, но и существенно повысить качество и уровень рекомендаций при проектировании рациональной технологии СЕарки, передавая знания экспертов широкому кругу потребителей.

Целью диссерт-тионнеЯ работе; • является разработка . экспертной системы технологии дуговой сварки сталей под флюсом применительно к низколегированным сталям повышенной и высокой прочности. Система должна обеспечивать оперативную генерацию оптимальных вариантов технологического процесса с учетом вариации исходных параметров.

Для достижения этой цели требовалось решить ряд научно-технических залпу:

1. Проанализировать информацию по проектированию технологии дуговой сварки сталей под флюсом и определить содержание экспертной системы, сформулировать основные этапы разр''охки технологии, на основе ' которых разработать структурную схему функционирования системы.

Г:. Создать информационные базы системы, включая структуру и содержание.соответствующих разделов, разработку алгоритмов и программного обеспечения для их функционирования. Провести поиск, анализ и систематизации информации, предназначенной для внесения в базы. Выполнить насыщение этих Саз.

3. Выбрать количественные критерии оценки склонности некоторых групп сталей к образованию горячих и холодных ■трещин и разработать алгоритм поиска рациональных условий сварки с учетом вариации химического состава свариваемых сталей.

4. Исследовать влияние химического состава и условий .сварки на обеспеченность расчета свариваемости низколегированных сталей высокбй и повышенной прочности из условия отсутствия холодных трещин и получения заданного комплекса механических свойств.

5. Провести апробацию системы для ряда низколегированных сталей повышенной и высокой прочности (типа дтааи 14Х2ГМР).

6. Разработать программное обеспечение экспертной системы для проектирования технологии сварки сталей под флюсом и реализовать систему на персональном компьютере.

Научная новизна:

Впервые разработан подход для комплексного проектирования технологии дуговой сварки сталей под флюсом,' позволяющий на уровне квалифицированного эксперта решать вопроси формирования шва, свариваемости стали, выбора оборудования и' минимизации расходов.

Разработаны принцип построения, схема функционирования,-алгоритмы, информационные базы, математическое и программное обеспечение экспертной системы, особенностью которой является принципиально новая возможность решать не только традиционные технологические задачи, но и осуществлять экспертный анализ альтернативных вариантов технологии.

Исследовано влияние Бариации химического состава свариваемой стали и условий сварки на обеспеченность расчета свариваемости низколегированных высокопрочных статей.

Показано, что для некоторых низколегированных сталей ■ повышенной и высокой прочности таких.как 14Х2ГМР, 14ХГКМД, 14ХГ2С1Щ и т.п. при повышении температуры предварительного , подогрева до величины, когда вероятность образования холодных. трещин очень мала, в околошовной зоне сварного соединения могут снижаться механические характеристики, в частности, ударная вязкость.

Апробация работы.

Основные результаты исследований отражены в публикациях и доложены на научных конференциях и семинарах: " 1-я международная конференция молодых ученых, в области сварки и смежных технологий" (ИЗС им.Е.О.Патояа, Киев, 1989), Второй Всесоюзный Симпозиум по проблемам информатизации общества и развития науки (Обнинск, 1990), научно-техническая , конференция "Применение математических методов и САПР в сварке" (Ленинград, 1991), научно-технический семинар "Моделирование физико-химических процессов, создание банков данных, расчетно-информационных и экспертных систем 8 области сварки и родственных технологий" (Алушта, 1993), семинар "Компьютерное материаловедение и информатизация создания новых веществ и материалов" (Алушта, 1995), всероссийская научно-техническая конференция с международным участием "Компьютерные.' технологии в. соединении материалов" (Тула. 1095). .. . .'.•".-''''■'• У/

Практическая значимость.

Разработанная экспертная система может быть эффективно использована при проектировании принципиальной технологии .дуговой сварки под флюсом высокопрочных низколегированных сталей в условиях промышленного производства. Рабочая версия экспертной системы, внедрена и успешно используется в учебном процессе на кафедрах .сварочного производства Киевского политехнического института и Воронежского Государственного технического университета при чтении курсов "Технология и оборудование сварки плавлением" и "Сис-. темы автоматического проектирования в сварке" , что подтверждается соответствующими актами внедрения.

На зwiumv выносятся:

- методический подход для комплексного проектирования технологии дуговой сварки сталей под флюсом, позволяющий одновременно на высоком уровне квалифицированного эксперта резать вопросы формирования, свариваемости, выбора оборудования , и минимизации.затрат ;

- алгоритм оценки обеспеченности расчета свариваемостх низколегированных высокопрочных сталей с учетом вариацш химического состава. - 1

- математическое и программное обеспечение экспертное системы, принцип ее. построения, . схема функционирования, алгоритмы, информационные базы экспертной системы,

Публикации. '

По теме диссертации опубликовано восемь,работ.

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, трех глад, общих выводов списка литературы и приложений. Общий объем работы 14 . страница машинописного . текста, 36 рисунков, •. 6 таблиц список литературы, включающей 11" наименований,-

Во введении обоснована'актуальность создания экспертнс системы для проектирования технологии сварки сталей пс флюсом. Показана научная новизна и практическая ценность рз боты.

..'Впервой главе рассмотрено существующее 'программ®: ..обеспечение, применяемое - инженерами-сваршйками при проект! - ровании технологии сварки. -Дано определение экспертной сис / .тему. Приведены классификация и краткие описания существу?

щих экспертных систем. Предложена базовая структура и содержание экспертной системы.

Во еторой главе проанализированы особенности электродуговой сварки под флюсом, изложены требования, предъявляемые к экспертной системе для проектирования технологии сварки сталей : зд флюсом, описана структура и содержание баз данных 'и знаний экспертной системы. Летально изложены сложившиеся к настоящему времени представления о различных функциях флюса при свар.-:* сталей, иреставлены составы сварочных флюсов, содержащая в информационной базе экспертной системы. Рассмотрены основные задачи, возникающие при разработке технологии сварки сталей под флюсом,

В третьей главе. рассмотрены . вопросы оценки обеспеченности расчета свариваемости сталей. Выбрала методика оценки свариваемости сталей. Показаны основные этапа работы экспертпертной системы и результаты тестовых проверок.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ, РАВОТЫ

Постоянно растущий объем производства сварных конструкций, расширение, номенклатуры свариваемых сталей и сварсчвш материалов, повышение требований к качеству сьаркш соединений затрудняет построение рациональных _ г^гиодогий сзарки. •

Усяегко решить эти, задачи можно, применив при п'ро*к?:грс&;№П1 технологии* сварки эксяертну» систему, которая жтег/лирует опыт и современные -знания в данной области сварки, - делает их доступными широкому кругу цользо-

К настоящему времени разработано ' много разновидностей, свайка вод флюсом: сварка электродной проволокой и лентой, сварки с принудительным и свободным формированием шва и т.д. Некоторые- но них имеют, ограниченное применение, например -- сварка лентой , свар|*а с принудительным формированием и т.п. Наиболее распространенным методом автоматической и механизи-рованкой сварки ст.алек под флюсом остается сварка одцой: .дугой в .нижнем положении. В связи с этим, экспертная система была ориентирована на этот метод сварки, что не исключает

возможности ее расширения и распространение на другие методы сварки под Флюсом.

В настоящее время создание экспертных систем для сварки - достаточно пригнанное направление компьютеризации инженерной деятельности. Вопросами создания подобных систем занимаются многие ведущие научные центры и фирмы, такие как Британский институт сварки. Мюнхенский технический . университет, фирма "С-5РЕС" (США), фирма "ВАВСОСК POWER" (Великобритания) и др. .

Аналитический обзор литературы по вопросам разработки и применения программного обеспечения и экспертных систем в сварке показал, что до настоящего времени не разработаны подобные системы для проектирования технологии дуговой сварки . сталей под флюсом. Но, следует отметить, что с 1989 года в • Германии на фирме THYSSEN DRAHT AG ведутся интенсивные работы по созданию экспертной системы по сварочным материалам, применяемым для сварки под Флюссм. .

Для построения рационального технологического процесса, необходимо решить ряд задач:

- по заданным толщине и типу сварного соединения определить оптимальные геометрические параметры сварного шва и разделки кромок;

- определить подходящий способ сварки■ под флюсом (по ГОСТ 87.13-79);

- выбрать сварочные материалы (проволоку, флюс);

- назначить рациональные параметры режима сварки;

- оценить свариваемость стали с учетом требуемых механических свойств для сварного соединения и необходимости экономии материальных затрат;

- выбрать сварочное оборудование; '

• • .т рассчитать материальные и трудовые затраты на выполнение сварного шва.

/Следовательно, создание экспертной системы для , проектирования технологии дуговой сварки сталей под флюсом • должно базироваться на комплексном решении задач инженерного и исследовательского характера: - ■ - 1) проанализировав информацию, касающуюся,этого.способа сварки, необходимо определить. базовое содержание экспертной системы; "" ' •

2) разработать детальную структуру экспертной системы;

3) разработать схему функционирование! экспертной системы (выделить основные этапы работы системы при проектировании технологии сварки);

4) разработать й создать базу данных системы:

; 5) разработать и создать багу знаний экспертной системы; ■ '

6) разработать подход для выбора рациональных режимов сварки сталей в связи с вариацией исходных денных;

.7) исследовать , влияние химического состава и условий сварки на обеспеченность расчета свариваемости (отсутствие трещин и обеспечение заданных механических свойств);

3) создать ■ математическое, информационное " и программное обеспечение. экспертной системы для проектирования технологии сварки сталей под флюсом и реализовать систему на персональном компьютере.

Разработка экспертной- системы базировалась на классических подходах, используемых при построении экспертных систем. Это создали« трех традиционных ■ ■ компонентов: Сазы данных; базы знаний и программного обеспечения. На рйсунках 1 и 2 показаны базовое содержание и структурная схема разрабатываемой, системы, а рисунок 3 отражает блок-схему рассматриваемой экспертной, системы. В начале работы пользователь Формирует блок исходных данных -задает марку стали^ указывает толщину свариваемых деталей и . тип сварного соединения. Затем переходит к выбору формы и геометрических параметров разделки кромок, способов сварки под флюсом к параметров режима. После этого оцеиизает свариваемость , выбирает сварочное, оборудование и.определяет технико-экономические показатели процесса. '

• Для реализации рассматриваемой ■" системы,' необходимо ■ ' детально разработать структуры ■ двух основных компо-' нс-нтов экспертной системы - базы знаний и базы данных, структуры которых представлены на рисунке.4. • . ' • •

Структура.каждого '.раздела инфоймационного пространства ,' системы была разработана, исходя из'следующих. предпосылок: .

. быстрый поиск нужного информационного материала'прл работе систейы;1 :■'.:.;, ,

:. - простота насмаенияразде.гаин<&рмащей;

- возможность наращивания раздела (например, для расширения спектра марок сталей, флюсов и проволок, и т.п.)

База данных содержит семь разделов, в которые к настоящему времени занесена информация относительно свариваемых и сварочных материалов, видов соединений, способов сварки под Флюсом, параметров режима, оборудования, норм расхода сварочных материалов и времени.

Раздел "СТАЛИ" включает информацию о та-, ких группах сталей: сталь конструкционная,

сталь конструкционная углеродистая качественная, сталь конструкционная низколегированная, сталь конструкционная легирования. Общее число марок сталей - 188. Для каждой марки представлены сведения справочного характера о химическом составе, некоторых механических свойствах, основных технологических свойствах и примерном назначении (рис.5).

Раздел "СВАРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ" объединяет два класса сварочных материалов - флюсы и проволоки, toc значительно влияет на надежность защиты зоны сварки от доступа воздуха, устойчивость процесса электродуговой сварки, качество формирования швов их химический состав, стойкость против образования пор и отделимость шлаковой корки от поверхности шва. Для каждой марки флюса в разделе приведены химический . состав и сварочные свойства флюса, которые определяют качество.сварных швов (рис.6). Общее число флюсов содержащихся в разделе к настоящему времени - 26." К настоящему времени в разделе собрана информация о плавленных флюсах, однако это не исключает дальнейшее расширение рассматриваемой информационной базы за счет флюсов других типов.

Правильный выбор проволоки для сварки является одним из главных элементов технологии, так как химический состав проволоки определяет состав металла шва, что обусловливает механические и другие свойства. Данный раздел включает сведения о химическом составе каждой марки проволоки и ее диаметр. В данном разделе содержатся сведения о 78 марках сварочной проволоки в соответствии с ГОСТ 2246-70.

Правильный выбор-вида сварного соединения очень важен с точки зрения обеспечения качества (прочности и работоспособности), экономичности производства сварной конструкции. Для реализации решения этой задачи был создан

раздел базы данных "СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ", содержащий сведения о формах разделки и рекомендуемых геометрических размерах в зависимости от толщины свариваемых элементов.

Это наиболее сложный раздел по способам представления ' информации, так как содержит разнотипные по способу хранения и отображения данные: геометрические параметры соединений, сварных швов и их конструктивные особенности.

При создании концептуальной модели данных руководствовались рекомендациями стандарта (ГОСТ 8713-79), регламент- • рующего форму и размеры подготовленных кромок для дуговой автоматической и механизированной сварки сталей под флюсом.

. Для получения рекомендаций по возможным способам сварки под флюсом для- сварки конкретных соединений в системе используется раздел базы данных "СПОСОБЫ СВАРКИ ПОД ФЛЮСОМ" (ГОСТ 8713-79).

Раздел "ПАРАМЕТРЫ РЕЖИМА СВАРКИ" предназначен для • хранения информации по параметрам режима сварки в зависимости от марки свариваемой стачи, толщины свариваемых деталей, . типа соединения.

Раздел "СВАРОЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ" к настоящему времени включает наиболее распространенные в промышленности сварочные аппараты для сварки под флюсом, выпускаемые в странах СНГ. ' ' .

Раздел "НОРМЫ РАСХОДА 'СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ" содержит нормы расходов сварочных материалов при сварке стали под флюсом, соответствии с нормативами расхода сварочных материалов. . -Ь

В базу знаний экспертной системы включены четыре разде-. * да: -','' ■

- "ФОРМИРОВАНИЕ ШВА", . > "СВАРИВАЕМОСТЬ"',

- "ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ", ■ ;

- "РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНЫХ И ТРУДОВЫХ ЗАТРАТ".

: При сварке плавлением обязательным требованием к сварным швам является их рациональная форма, размеры и внешний вид; которые в значительной степени предопределяют его стойкость против возникновения дефектов, а также экономическую - ( эффективность.процесса, .

Известно, что форма провара и размеры шва: зависят от

параметров режима сварки: величины сварочного тока, напряжа-•ния дуги, диаметра электродной проволоки и скорости сварки. Следовательно, основная задача сводится к определению такого сочетания элементов режима, при котором будет обеспечено. требуемое формирование соединения при максимальной производительности процесса..

При разработке" технологии оптимальный режим устанавливается экспериментальным или расчетным путем. В усматриваемой системе, параметры режима сварки назначаются на основа- ' нии информации, собранной в разделе "ПАРАМЕТРЫ РЕЖИМА*' базы данных. А раздел "ФОРМИРОВАНИЕ ШВА" базы, знаний привлекается в том случае, если для свариваемой стали рекомендации по ре-, жимам окажутся недостаточными,-либо требуют уточнения.

Известно несколько методик расчета параметров режима сварки в соответстгии с геометрическими'параметрами сварного соединения. В системе использован алгоритм расчета'параметров режима на основе методики Б.П.Лемянцевича.

При разработке технологии сварки сталей под флюсом основное внимание следует уделяеть,собственно выбору сварочных флюсов, так как химический состав и сварочные свойства фяо-'сов в значительной степени определяют качество сварочных ; швов; Это обуславливается значительным влиянием фдюга на надежность защиты зоны сварки.'от воздуха, устойчивость процесса электродуговой сварки, качество формирования швов, их химический состаз и стойкость против образования пор.

. При сварке плавлением обязательным требованием к сварным швам является их оптимальные форма и внешний вид. В значительной степени это ' зависит ■. от ' свойств и состава сварочного флюса. :. ■' : •

V, . .По ГОСТ 26001-34:. "Свариваемость это свойство металлов ' или ; сочетания' металлов образовывать' при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям.. ' обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия".

■ Основными показателями свариваемости принято считать: • - ■ сс противдяемость' образован;») •.горячих тресдан;

- сопротивляемость ' образованно холодны?; трещин;

- обеспечение.'.,:.". ^требуемого. г , уровня механических свойств соецице^шя.'

Для решения';вопросов,^.^й^н^^с^'т^.щитц'аи при сварке

различных сталей, в системе предусмотрены средства оценки склонности к образованию горячих и холодных трещин и соответствующие рекомендации по их предупреждению.

Проблемами изыскания количественных зависимостей склон--ности сталей к образованию горячих трещин занимались многие Еедущие отечественные и зарубежные ученые: Б.Ф.Якушин, Н.Н.Прохоров, Ю.А.Стеренбоген. И.Гривняк, М.Х.Шоршоров и др.

Анализ существующих количественных критериев для оценки склонности различных ' групп сталей к горячим трещинам обусловил ' . целесообразность использования в системе параметрических уравнений, апробированных различными авторами, которые позволяют оценить склонность отдельных групп сталей к этому виду трещин (табл.1). Это дает возможность пользователю при проектировании технологии сварки под флюсом предусмотреть соответствующие мери для предотвращения образования дефектов типа горячих трещин.

Для низколегированных сталей повышенной и высокой проч-. нссти вопрос горячих трещин является второстепенным в проблеме свариваемости, поэтому рекомендаций по предупреждению горячих трещин в системе не'г, но предусмотрено наполнить. базу знаний сист.емы такими рекомендациями при рассмотрении сталей других классов. Основное внимание уделено вопросу предупреждения, образования холодных трещин. -

Предложен алгоритм поиска таких условий сварки, при которых заданная вероятность отсутствия холодных трещин будет согласовываться г: необходимым уровнем механических' свойств, поэтому в систему включен расчет оптимальной температуры предварительного подогрева (Тп), как наиболее распространенного способа предотвращения холодных трещин. - Расчет Тп пост-, роен на основе методики определения величины параметра тре-щинообразоваиия, разработанной японскими исследователями У.1Ьо и К.Веззуо, и позволяет учитывать вариацию химического, состава свариваемых сталей. Так как колебание химического состава свариваемых сталей, можно отнести к категории случайных явлений, то для расчета опималь'ного интервала Тп были привлечены методы теории вероятности, в частности нормальный закон распределения вероятностей в сочетании с гипотезой малых отклонений.- Это позволило ограничить величину'допустимой '. Тя( так'как в ряде случаев, особенно при сварке высокоироч-

ных низколегированных сталей, высокая температура предварительного подогрева приводит к усложнению технологического процесса, резкому ухудшению условий труда, ,а также может обусловить снижение механических свойств сварного соединения, в частности, ударной вязкости. Назначение достаточно высоких Тп приводит к удорожанию сварных конструкций.

Для оценки механических свойств сварного 'соединение применены регрессионные модели, . разработанные О.Г.Касаткиным, устанавливающие зависимости основных показателей механических свойств от химического состава стали и длительности охлаждения в диапазоне температур 850...500°С.

Структура раздела "СВАРИВАЕМОСТЬ" базы знаний показана на рисунке 7.

Работа системы осуществляется в насколько этапов :

1) определение геометрических параметров сварного соединения способа сварки (согласно ГОСТ 8713-79);

2) выбор сварочных . материалов;

3) выбор параметров режима;

4) оценка свариваемости;

. 5).выбор сварочного оборудования;

б) расчет материальных й трудовых затрат на выполнение погонного метра шва.

На рисунках 8, 9 и 10 приведены примеры . определения марки стали по химическому составу и выбор сварочных материалов, для сварки этой стали и оценкй механических свойств (по данным к.т.н.Кузьменко В.Г. и д.т.н. Миходуя Л.И,). .

" Возможности современной ■ компьютерной.техники позволяют оперативно генерировать технологию для целого ряда вариантов, определяемых не только альтернативными решениями по способу сварки, подготовке кромок.и т.д., но и учитывать : возможную' вариацию 'химического состава свариваемой стали,', неточность задания режима сварки, "подогрева и т.д. ' Данные возможности ниже, .иллюстрируются: на примере.. • оценки ; свариваемости низколегированных высокопрочных сталей,. когда ; отсутствиеV;'- холодных. " трещин .. и-.: определенный ' .уровень ; .механических'.-:.'/--свойств ^ /(ударная. '-- вязкость) : . -,', требуют, "соответствующих ; компромиссных'.; решений,.; для." которых важным ; -является.' учет .указанных, вариаций состава' и.' технологических'

параметров■(табл.2, 3).

Таким образом, структура экспертной системы для дуговой сварки сталей под флюсом позволяет наряду с генерированием технологических параметров сварки находить компромиссные решения по комплексу требований с учетом вариации исходных параметров. -

Рабочая версия системы доведена до практического, применения. Система внедрена и успешно используется при преподавании курса сварка плавлением на кафедре сварочного произ-■ Еодства киевского политехнического института и курсов "Технология и оборудование сварки плавлением" и "Системы автоматического' проектирования в сварке" на кафедре сварочного производства Воронежского Государственного технического университета'. ,

ОВЩИЕ 8ЫВ0ЛЫ

, 1. Разработана структура экспертной системы для проектирования технологии дуговой,сварки сталей йод флюсом,, позволяющая наряду с генерацией традиционных технологических параметров,решать проблемы свариваемости (в частности, возможность предотвращения .возникновения холодных трещин) с учетом вариации исходных данных и обеспечение. заданного уровня механических свойств.

2. Проведена систематизация и обобщение информации, предназначенной'для,работы экспертной системы; Показано; что баги данных и знаний целесообразно формировать из отдельных , разделов, в которых содержатся сведения, касающиеся ключевых вопросов сварки сталей под флюсом (например - сварочные материалы, сварные соединения, параметры режима, свариваемость , формирование и т.д.) и представляющих собой законченные информационные блоки.

3. Показано, что раздел Сазы знаний "СВАРИВДШОСТЬ", позволяет не1 только оценить склонность сталей к ' образованию холодных- и горячих , трещин, как наиболее опасных и распространенных проявлений недостаточной свариваемости, а , . также определить уровень .. механических (служебных) свойЬтв сварного соединения - и: согласовать ■ их, • с требованиями, обусловленными эксплуатацией, изделия. '" ' :

4. В качестве количественных критериев для оценки склонности различных групп сталей к горячим трещинам, в системе применены параметрические уравнения, основанные на данных о химическом составе свариваемой стали и апробированные различными авторами (Сэ, НСЗ, 113С, Сг/Н1э, Ь) и позволяющие оценить склонность отдельных групп сталей к этому виду трещин.

5. В экспертную систему включен алгоритм поиска условий сварки, при которых заданная вероятность отсутствия холодных трещин согласуется с необходимым уровнем механических свойств с учетом вариации химического состава. Это позволяет определять величину оптимальной температуры предварительного подогрева (Тп), которую определяют на основе известной методики расчета величины параметра' трещинооб-■ разоавания (Р*), дополненной методами 'теории вероятностей в сочетании с гипотезой малых отклонений.'

6. Экспертная система для проектирования технологии дуговой сварки сталей под флюсом позволяет разработать объективный технологический процесс, в котором наряду с ;генерированием технологических * параметров сварки можно находить компромиссные решения по комплексу требований с учетом вариации исходных параметров." Система ориентирована на персональные компьютеры,, что позволит повысить' ее .доступность и широкое применение. За счет соответствующего сервисного обеспечения экспертная система позволяет оперативно получать необходимую информацию, не требуя от пользователя специальных знаний,, и _ навыков работы с персональным компьютером.

. . 7, Впервые разработан подход для комплексного проектирования технологии дуговой сварки сталей,под флюсом, позволяющий на уровне квалифицированного эксперта решать вопросы формирования, свариваемости, выбора оборудования и минимизации расходов.

• 8. Разработанная . экспертная, система может быть эффективно использована при проектировании принципиальной технологии дуговой сварки , под1 флюсом высокопрочных низколегированных . сталей в условиях. .. промышленного производства; Рабочая :версия.экспертной системы внедрена и

успешно используется при преподавании' курса сварки плавлением на кафедре сварки Киевского политехнического института и курсов "Технология и оборудование сварки плавлением"', и "Системы автоматизированного проектирования в сварке" на кафедре сварочного производства Воронежского Государственного технического университета.

Основные положения диссертации опубликозаны в работах:

1. Сапрыкина Г.Ю. Экспертные системы в сварочной технологии // 1-я Международная конференция молодых ученых в области сварки и смежных технологий: Тез. докл.- Киев: ИЭС \ им.Е.О.Патона, 1939.- С.120-122.

2. Махненко В.И., Сапрыкина Г.Ю.Построение экспертных систем в. сварочной технологии /7 Датчики систем контроля и управления технологическими процессами: Сборник науч.тр.- ■ Киев: ИЭС им.Е.О.Патона, 1991,- С.44-4Э.

3. Сапрыкина Г.Ю.Перспективы '•' создания экспертной системы "Технология дуговой сварки под флюсом" // Датчики систем контроля и управления технологическими процессами: Сборник науч.тр.- Киев: ИЭС им.Е.О.Патона, 1991.- С.41-43.

4. Экспертные системы в СЕарке: Аналитический обзор../ В.И.Махненко, Ю.А.Скоснягин', Г.Ю.Сапрыкина, И.Г.Лавринец.-Киев: ИЭС им.Е.О.Патона, 1991.^ 52 с.

5. Махненко В.И., Сапрыкина Г.Ю. Экспертная система "Технология дуговой сварки сталей под 1 флюсом" // Автоматическая сварка. - 1994.- N 12. - С.30-34'. '

6. Сапрыкина Г.Ю. Разработка экспертной системы "Проектирование технологии дуговой сварки сталей под флюсом" // Компьютерное материаловедение и информатизация создания новых веществ и материалов:. Сб. тезисов докладов. Киев; ИЭС им.Е.О.Патона HAH Украины, 1995.- С.38.

7.А.с. 1579693 (СССР) МКИ В 23 К 37/04. Способ автома-тическоий сварки плоских рамных конструкций и устройство . для его осуществления /В.А.Тимченко, С.В.Дубовецкий, Г.Ю.Сапрыкина и др.// Б.И.- 1990.- N27.

8. Сайрыкина Г.Ю. Проектирование технологии дуговой сварки сталей под флюсом с применением! экспертной системы;:. V/ Всероссийская научно-техническая конференция ^.¿-'с ..-/международным участием ^"Кбмпьютерйые тёхншгргииГв .с^ материалов";. Тез. докл. в печати. ■* ; . V > ;• - :

■ АИОТАШЯ ■

СаприкТна Г.Ю. Розробка' експертно'1 системи "Проектування технологи дугового зварювання сталей п1д •флюсом". Рукопис. Дисертац1я на здобуття вченого ступени кандидата техн!чних наук за спец1альн1стю 05.03.06 "ТехнолоПя та устаткуЕачня для зьарювання та спор1днених . процес1в". 1нститут електрозварювання 1м.6.0.Патона НАН УкраЗни. Клав.- 1995 р. •

. Метою дисертал!йН01 роботи е розробка експертно! систе-, ми. технологи дугового зварювання сталей п!д флюсом. У робо-т1 висв!тлено так! проблеми: огляд програмного забезпечення . .. у галузх зварювання, структура та склад експертно! системи '• для проектування технолог! S дугового зварювання стал! п!д флюсом, ■ деяк! питания зварюваност!, а такой наведено стислий • . опис функц1пвання експертно'! системи. РозробленУ' експертну систему можна ефектиЕНо застосовувати при проекту ванн! прин-■. ..ципоеоЗ технологи дугоеого зварювання Шд флюсом низьколе-. гованих сталей п1двищено'1 та високо! м!UHOcTi в умовач про-• мислоеого виробництва.

■ №WQBI СЛОВА: експертна -система, база даних. база ' знань, програмне забезпечення, технолоПя, дугове зварювання .сталей п1д-флюсом, рацюнальн1 умови зварювання.

ANNOTATION '.'■"''

Saprykina Q.Yu. The development of expert system "The Designing Techonlogy for Submerged-arc Welding of . Steels". Typescript. Thesis of dissertation for scientific . Degree of Candidate of Technical Sceinces on speciality • " 05.03.06 - "Technology and Equipment for Welding and Allied Processes". E.O.Paton Electric Welding Institute of NAS of . Ukraine. Kiev. 1995. •

The aim of, the dissertation work is development of expert system - 'the design technology for submerged-arc welding of- steels. .The following problems have been considered: review of software for welding, structure and . contents of the expert system, some problems relating the weldability, as well as.a short description of functioning of expert system. The developed expert system can be efficient used at designing a principal technology for submerged-arc welding of hign-strength low-alloyed steels ' for industry. . . . '

ШШРА И СОДЕРЖАНИЕ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ДУГОВОЙ СВАРКИ СТАЛЕЙ ПОД ФЛЮСОМ.

Mi ДННЫХ

i -- 4 ■

UcxzHuja. дсэичесхи*:. ■- --Si£cgc&- - - *

, Мелуль лриофгтеииз

JH3ÜÜQ

БАЗА ЗНАНИЙ

Модуль советов и объяснений

ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИЙ ИНТЕРФЕЙС

• Наюдиаз. Ъдалатё

йкфордациг

• для-ямдеоател?

Дополнительная информации

ЭКСПЕРТ

а) Сп ь/ г jj* зкепгргпноа системы.

I. БАЗА ДАННЫХ

. 1. Стала

Раздел 2. ßapommc материалы.

Раздел 3. Сваргше соединения.

Раздел 4. Споссби с&архи ¡юд флюсом.

Раздел 5. Параметры режима ейарки

Раздел 6. • Оарочнсе оборудование

Раздел 7. Нормы расхода материалов и энергии

II. БАЗА ЗНАНИЙ

Раздел 1.- Фордиробание (¿арного шба

Раздел 2. Свариваемость.

Раздел 3. Выбор оборудо&ания.

Раздел 4. Расчет jampam.

III. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Раздел 1. Рада 2. Раздел 3.

Интерфейс

Математическое- обеспечение

УпраЬление 6ajam б) Содержание экспертное! систелы

Рис. 1

СТРУКТУРНАЯ СХЕМ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИЙ СВАРКИ

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

л Марке ( 1 ) свариваемой ' стали - ^ Толщина (г)свариваемых деталей Тип (3)сварного ^—' соединения

-1 /ТЛ Химические СОСТШ1 1 Ч^у ' смршаапк стали

ПРОЦЕДУРНЫЙ БЛОК

БАЗА ДАННЫХ

Раздел I.

Раздел 2.

Раздел 3.

Раздел 4.

Раздел 5.

Раздел в.

Раздел 7.

БАЗА ЗНАНИЙ

Раздел I. Раздел 2. Раздел 3. Раздел 4.

СО

РЕЗУЛЬТАТ РАБОТЫ СИСТЕМЫ

ч. Тезнологм сварки с ( 1 } ыахсииапчюЯ — лроизводмтелшостио Техиологма сварки с ( 2 ) чхннкеткии* — эатратаын .—^ Оптимальный (З ) вариант технологе« сварки

' БЛОК- СХЕМА X "ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДУГОВОЙ СВАРКИ СТАЛЕЙ ПОД ФЛЮСОМ"

Рис.3:

СТРУКТУРА БАЗЫ ЗНАНИЙ ЭС

Программное обеспечение базы знаний системы

Разделы базы знаний

0>

К

К

(0

п р< к шва

. Я

а,

о

о

м

>4 Е"

О

о

Я о а) Я 55 Р, <0 И О

СО ^

рц

о *о

н

л

т

м к я

аз т о

5

Л о чэ о

ЕЧ

<и «3

' ^ о а

<0

съ £0

СТРУКТУРА БАЗЫ ДАННЫХ ЭС

Программное обеспечение базы данных системы

Разделы базы данных

Чзшшг

РисТГ

i.1

Флюс плавленный марки ФЦ-9

ГОСТ 9087-81 Тип - МЗ

Назначение.

для механизированной дуговой сварки углеродистых и низколегированных сталей небольших толщин (до 40 мм) при протяженных швах

Состав флюса, Z

Кремния (IV) оксид 3102 38 - 41

Марганца (II) оксид МпО 38-41

Кальция оксид СаО < 8

Магния оксид MgO <2.5

Алюминия оксид А1*03 10 - 13

Кальций фтористый . СаР2 2-3

(Кали.1+натрия) оксид Na20 (КоО)

Титана (IV) оксид Т102

Циркония (IV) оксид Zr02

Железа (III) оксид РегРз < 2.0

Сера S < 0.1

Фосфор Р <0.1

Углерод • С к

Сварочно-технологические свойства. ;

Устойчивость дуги хорошая. '

Разрывная длина дуги до 13 мм. '

Формирование шва хорошее. ^

Склонность металла к образование пор и трещин низкая. Отделимость шлаковой корки вполне удовлетворительная. Затруднения при сварке корневых швов.

Рис.5. Пример информации по флюсу ФЦ-9 из раздела базы данных "СВАРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ"

' Сталь 0ЙГ2С Аналог - стали: 09Г2, 09Г2ДТ, 09Г2Т, 10Г2С

Назначение

различные детали и элементы сварных металлоконструкций, работающих, при температуре от -70 до +425°С под давлением

Состав спали, X

С ] < 0.12

21 • 0.5 - 0.8 .

МП ' ^ ,1 со

Сг . <.0.30 .

N1 <: 0.30

Си < 0.30

'Р ; < 0.035

3 . < 0.040

Аэ <0.08

К . ■: 0.008 '

Механические свойства

; гост . Состояние поставки Сечение, мм бв,МПа бой.МПа

19281-73 Сортовой и фасонный До 10 . •: 350 <490

прокат .

19282-73 Листы и.полосы (Об- 10-20 . < 325 <■ .470'

разцы поперечные) . 20-32 < 305 < 460

32'- ЬО ■< 450

60 - €0 . - Ч 275 < 440

80'- 160 . £65 ■ ' . - 400'

Рис.6. Пример информации по стали марки 09ГЙС из раздела базы даннач "СТАЛИ"

ПОКАЗАТЕЛИ СКЛОННОСТИ СТАЛЕЙ К ГТ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В БЗ " СВАРИВАЕМОСТЬ" Таб™ 1

N Параметрическое уравнение Критерий Область примениения

1 C3~C+2S+P:3+(Si-0,4):10+(Mn-0,8): • ■ ; 12+Ni: 12+Си: 15+(Сг-0,8): 15 Сэ>0,45 -склонна к ГТ для низкожгнромнш тлен (С - ОМ-ОМ) ■

г: C3=C+2S+P:3+(Si-0,4):7+(Mn-0,8): : 8iNi: 8+Си: 10+(Cr-0,8): ¡0 для нттсгиротиих тлей (С - ОД..0,25)

з: C^C+2,5S+P: 2,5+(Si-0,4): 5+(Mn-0,8} ; 6+Nk 6+ Си: 8+(Cr-0,B): 8 для яизшептоваиш сталей (С - 0/U.35)

4. C(S+P+Si: 25+Ni: 100)40 3 ЗЫп+Cr+Mo+V НСБ<2 -устойчива к ГТ НС8<4 -устойчива к ГТ для сталей с б >700 Млз для сталей с б <700 Уяа

5. UCS=230C+190S+75P+45Nb~ -IMSiSjMn-l Ш<Ю - . устойчива к /Г иСБ>80 -склонна к ГТ для сталей тропегировзкних НЬ .

б. СГЭ Cr+l37Mo+l,5Si+2№+3Ti ¡fi3 ' Ni+0,31Mn+22C+14,2N+Cu 15 - /стогам г ГТ * (щяртт т) Ц-<15- смани г /Т (вря №М} для Cr-Ni аустштш сталей

7. L=299C+ BNi+142Nb-5,5(% della-Fe)2 - 105 1 >0 склонна к ГТ для зустешяо-■ ферритх сталей.

СТРУКТУРА РАЗДЕЛА "СВАРИВАЕМОСТЬ"

ОЦЕНКА СКЛОННОСТИ К ГТ

Ларштчеет уртеяих для вяре-хшжих еюкяяоста егаяеи к оф*»«-. ИЯ7ГЯ ГфХЧИХ г?щяв_

ОЦЕНКА СКЛОННОСТИ К ХТ

й

ь

а о '

о *

Й

§ ^ ад Ь

§ I

Р-1 62 ^

11

Определение вариации исходных данных..

I

Определение склонности х образованию ХТ

I

Определение опим&льнок Величины . Тв

I

Расчет дллтгяьяосян охлаждения та

I

зття гщшп трав® го/щщ треця

Рис, 7!'

Таблица S

ХЙШЧЕШ® COCÍAS ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СТАЛЕЙ

МЛРКА С m Sí ---1- Cr ¡ Ma Hi V П í AL iib { Cu S P (Ю

■'î2rm®m 0.090.16 0.91.3 0.30.5 1 0.2-10.150.5 0.25 Í-.4-1.75 - ' - jo.oslo. 1 - <0.3 '<0.035 <0.035 0.020.03

14ХГШ.1Д 0.120.17 1.11.4 0.17 -0.5 o.s-1.3 0.20.3 1.72.2 0.10.2 - 0.030.1- 0.030.08 ü.s-0.6 <0.0-08 <0.02 0.01,0.035

i2XTU2tt$SJ¡n 0.09-С.16 0.91.9 0.30.5 0.50.9 0.3 -0.4 1.4- ¡.0.05 1.75-0.1 - C.05-0.1 _ <0.035 <0.035 0.020.03

0.1Й-0.18 i.4-i 0.41.9 ¡0.7 O.S-0.8, - 0.06 0.16 0.0110.03-0.05¡0.07 - 0.30.5 <0.02 <0.025 0.010.02

: - : ' Таблица 3

йэгаийчэадшэ сиойства оиолошовноЯ гоны сварньи соединений

6 /•Со, С X „сп., °С

-30 -50 -70 +20

' КСУ.ВДж/м2 бв,МПа б02,МПз 8, Г. <¡>1*

гггнгиФхю • "

55.0 0.015 9.10 0.4413 0.3221 0.2350 1012.85 734.83 >17.553 Е3.332

85.0 0.284 10.63 0.4181 0.3013 0.2172 959.48 721.77 17.665 53.109

95.0 0.499 11.33 0.4097 0.2939 0.2109 994.49 716.89 17.707 53.025

130.0 0.965 13.80 0.3832 0.2707 0.1912 <577 34 700.73 17.847 52.749

165.0 0.999 16.09 0.3628 0.2539 0.1772 955.09 633.18 17.955 52.534

14ХГНУЛ

200.0 0.014 21.68 0.3310 0.237410.1703 1196.27 832.38 14.769 46.327

225.0 0.311 25.95 0.3183 0.2252)0.1594 1177.46 815.44 15.067 46.620

222.2 0.499 27.38 0.3146 0.221610.1561 1171.82 810.36 15.156 46.708

265.0 0.987 35.46 0.2975 0.2053 0.1417 1144.78 785.01 15.535 47.130

280.0 0.999 40.21 0.2894 0.1979 0.1352 1131.62 774.15 15.794 47.336

тГИЖЕАЮ

100.0 0.015 11.60 0.3741 0.2727 0.1989 1114.89 780.58 15.303 49.744

135.0 0.288 14.22 0.3510 0.2519 0.1808 1097.02 763.23 15.512 49.596

147.3 0.499 15.33 0.3429 0.2446 0.1745 1090.43 755.83 15.589 49.541

195.0 0.935 20.94 0.3111 0.2166 0.1508 1063.11 730.30 15.908 49.314

215.0 0.999 24.11 0.2977 0.2050 0.1412 1050.73 718.28 16.052 49.212

135.0 14ХГ2САЩ

0.013 14.22 0.4617 0.3110 0.2095 104Б.98 704.06 17.428 49.663

155.0 0.147 16.09 0;4422 0.2950 0.1968 1035.69 692.92 17.714 48.257

а 0.499 18.05 0.4247 0.2808 0.1356 1026.10 682.54 17.380 47.878

200'.б 0.944 21.68 О;3983 0.2536 0.1691 1010.31 665.99 18.404 47.274

230.0 0.999 26.92 0.3691 0.2365 0.1516 992.69 646.38 18.907 46.559

го

ОТ

СИСТЕМА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ СТАЛИ ПОЛ ПЛЮСОМ

■ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СТАЛИ-

С Сг V N5 Со р в

0.150 0.000 0.000 0.000 О.ССО 0.000 0.000

0.190 0.300 0.000 0.000 0.000 0.030 0.000

Мп Мо 71 V 1т N

1.150 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

1.600 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

31 N1 А1 Си з . 0

0.400 •о.ооо 0.000 ■0.000 0.000 0.000

0.600 0.300 0.00 г-

Испольгуеиая сталь типа 17Г1С

Сленг строки - < . Ввод - . Выход - ан+С.

Рис.8. Определение марки стали по химическому составу свариваемого материала

СИСТЗ/А ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ СТАЛ!! ПОЛ ФЛЮСОМ

СТАЛЬ - 17Г1С

ФЛЮС - АН-60 ПРОВОЛОКА - СВ-08ГА

ТОЛЩИНА ДЕТАЛЕЙ: 3-12.0 км . СТЫКОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ

ФЛЮСЫ

ФЦ-6 АНЦ-1 ФЦ-9 АН- 65

лн-ео

ОСИ-45 АН-348-В АН-348-А

ПРОВОЛОКИ

Св-ОЗА Св-СЗГА

Сдвиг строки выбора - Выбор - . Выход - ди+С.

Рис.9. Меню выбора сварочных материалов

СИСТЕМА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ СТАЛИ ПОД ФЛЮСОМ

СВАРИВАЕМАЯ СТАЛЬ - 12псашэ

1п 47.0 55.0 84.0 120.0 125.0 6 0.0230 0.0570 0.4990 0.9690 0.9990 Т,С 9.100 10.520 11.330 13.800 16.094 КСУ.МЯж/м2 0.2350 0.2172 0.2109 0.1912 0.1772 бв.МПа бог.МИа 1012.85 734.83 999.48 721.77 994.49 716.89 977.94 700.73 965.09 683.18

Ввод - . ' Выход - А1Ь+С. ' 1

Рис.10. Оценка механических свойств (свариваемая , сталь 1гГН2МШ))-

; Швп. во аоуку 01.11.95. йоонач 60x8¡i/I6. /Ъл офс. V 2. 0<te. доух.

Ум. BOYK. зек. I« 16. Ум. фао6о-в1дб. 1,62. Обл.-вид. авк. 1,31.

.! ; - Тирам 100 пой«. Зам. 5-297.__

I IE3 1м. Е.О.Патоиа. 252650 Км!в 5, МСП, аул. Гооьхого, 69.

I ПОВ ТЕЗ 1м. Е.О.Пагсн», 252650 КиТв 5, МСП, вул. Горького, 69.