автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Системы, методы и средства оценки состояния и обеспечения стабильности технологических процессов дуговой, контактной и высокочастотной сварки на основе неразрушающего контроля

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОНЦЕРН ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

ДК 621.791; 620.179

РГб од

КУЛИКОВ ВАЛЕРИЙ ПЕТРОВИЧ

СИСТЕМЫ, МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДУГОВОЙ, КОНТАКТНОЙ И

ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СВАРКИ НА ОСНОВЕ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

Специальность 05.03.06 "Технология и машины сварочного производства" Специальность 05.11.13 "Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий"

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ ДОКТОРА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Минск, 1996

Работа выполнена в Могилевском машиностроительном институте

Официальные оппоненты: доктор технических наук Л.С. Денисов доктор технических наук, профессор М.А. Мельгуй доктор технических наук, профессор B.C. Козлов

Оппонирующая организация: Институт электросварки им. Е.О. Патона

Защита состоится " 30 " августа 1996 г. в 14.00 на заседании совета по защите диссертации Д.02.40.01. Белорусского государственного научно-производственного концерна порошковой металлургии, г. Минск ул Платонова, 41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного научно-производственного концерна порошковой металлургии.

Автореферат разослан" 24 " июня 1996 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертации Д.02.40.01.

В.М. Горохов

Общая характеристика работы.

Актуальность темы диссертации. Сварка является одним из основных технологических процессов на машиностроительных предприятиях и в строительно-монтажных организациях Беларуси. На изготовление сварных конструкций используется более половины металла, перерабатываемого в республике. Состояние сварочных, технологий оказывает существенное влияние на потребительские свойства многих видов продукции.

В настоящее время на предприятиях республики активно идет процесс аттестации сварочных технологических процессов. Их состояние оцениваег-ся. как правило, уровнем брака выпускаемой продукции, который определяется приемочным контролем, регистрирующим недопустимые дефекты. Такая оценка не всегда эффективна, она не раскрывает возможности технологического процесса, не указывает причины его нестабильности и факторы, приводящие к снижению качества. Недопустимые дефекты являются только видимой частью сложных процессов, происходящих при сварке.

Необходима разработка не только более точных и оперативных методов оценки сварочных технологических процессов, но и систем их стабилизации, позволяющих обнаружить и предотвратить отклонения параметров техпроцесса, до того как это приведет к браку продукции. Этот вопрос в настоящее время исследован недостаточно. На наш взгляд, в основу систем стабилизации сварочных технологических процессов могут быть положены методы обнаружения малозначительных дефектов, которые, как правило, предшествуют недопустимым и свидетельствуют о начале отклонений хода техпроцесса. В систему должно входить также мощное методологическое обеспечение, позволяющее по характеристикам выявленных дефектов определять причину их появления и направления коррекции режимов сварки. Необходим также поиск других не традиционных параметров сварных соединений, несущих информацию о состоянии технологического процесса сварки.

Исследования в этой области наиболее актуальны в поточном производстве, где даже кратковременные отклонения в ходе техпроцесса могут привести к значительному браку. Основными способами сварки в поточном производстве являются дуговая, контактная и высокочастотная, которые и явились объектом исследований в данной работе.

Связь работы с крупными программами, темами. Научные исследования по теме диссертации с 1975 по 1991 годы постоянно входили в Координационный план ГКНТ СССР по сварочной науке и технике. Постановлением Госкомитета по науке и технике СССР N573/137 от 10.11.1985г. они в ключе-

ны как важнейшие отдельным этапом в задание 05.19.Н "Создать и внедрить межотраслевую комплексную систему управления качеством и технологическими процессами сварочного производства с подсистемами в строительстве АЭС, ТЭС, газонефтепроводов и в машиностроении". (Исполнитель этапа НЗ-7 - Могилсвский машиностроительный институт.). В последние годы работы по теме диссертации включены в республиканскую научно-техническую программу "Сварка". (темы 1.14; 1.15; 1.20; 2.13).

По теме диссертации выполнен ряд научно-исследовательских работ по договорам с крупными предприятиями: ИЭС им. Е.О.Патона; автомобильный завод им.С.М.Кирова; ТНИИТИ г.Тула; ПО "Химволокно" г. Могилев; ВНИИПТМАШ г. Москва; "IIO Лифтмаш" г. Могилев; ПО "Гомсельмаш"; Харцызский трубный завод; Амурский машиностроительный завод; Минский тракторный завод; Выксунский металлургический завод; Новомосковский трубный завод и др.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является теоретическое обобщение и развитие проблемы управления сварочными технологическими процессами на основе неразрушающего контроля, создание систем, методологии и средств коррекции параметров технологических процессов дуговой, контактной и высокочастотной сварки по характеристикам дефектности и решение на этой основе важных народнохозяйственных задач по повышению качества ответственных сварных конструкций.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать принципы математического моделирования состояния технологических процессов сварки по характеристикам дефектности, получить функциональные зависимости между параметрами техпроцесса и вероятностью образования дефектов различных типов и предложить на этой основе методологию поиска причин отклонения техпроцесса и направлений его коррекции.

2. Предложить решение проблемы по оценке состояния и обеспечению стабильности высокоскоростного процесса высокочастотной сварки в поточно-механизированном производстве, позволяющее обнаруживать отклонения техпроцесса на начальной стадии, распознавать причину и обеспечивать оперативную коррекцию режимов сварки до образования недопустимых дефектов.

3. Создать теоретические основы и предложить новые технические решения по использованию магнитных характеристик точечных сварных соединений для оценки состояния и коррекции параметров технологического процесса контактной точечной сварки.

4. Обосновать положение об эффективности оценки состояния технологического процесса дуговой сварки по характеристикам дефектов, выявленных магнитографическим методом. На основе теоретических расчетов и экспериментальных исследований предложить решения, позволяющие применить мапштографшо для контроля крупногабаритных сварных конструкций в условиях поточно-механизированного производства, обеспечив использование ее результатов для коррекции параметров техпроцесса.

5. Обобщить проблему оценки состояния и обеспечения стабильности технологических процессов для различных способов сварки и предложить на этой основе принципы организации и общую структуру построения в сварочном производстве систем стабилизации техпроцессов на основе неразру-шающего контроля.

6. Создать комплексы технических средств коррекции технологических процессов высокочастотной, контактной и дуговой сварки и реализовать их в промышленности.

Научная новизна полученных результатов. С позиций системного анализа осуществлен подход к производственному сборочно-сварочному процессу как объекту научного исследования. На основании обобщения факторов, влияющих на качество сварки в условиях производства, предложена модель оценки состояния технологического процесса сварки, основанная на системном анализе причинно-следственных связей дефектности. Показано, что причинно-следственная модель дефектности представляет собой граф, в котором факторы стабильности техпроцесса расположены в узлах на металлургическом, физико-технологическом и производственном уровнях, алогический маршрут появления дефекта изображен в виде инцидентных им связей, что позволяет функционально описать состояние технологического процесса семью основными факторами стабильности, коэффициенты значимости которых определяются как суммарный вес маршрутов графа от данного фактора к дефекту.

Предложено новое научное решение проблемы стабилизации технологического процесса высокочастотной сварки в условиях поточно-механизированного производства, заключающееся в использовании ультразвуковых волн Рэлея для обнаружения зарождающихся дефектов в наиболее опасной зоне сварного шва, компьютерном распознавании по характеристикам дефектов произошедшего отклонения режимов сварки и автоматизированном поиске направлений их коррекции. Установлено, что недогрев кромок в процессе сварки вызывает появление отраженных ультразвуковых сигналов с относительно стабильной по времени амплитудой, характеризующейся небольшим размахом колебаний, в то время как перегрев свариваемых кромок вызывает резкие колебания сигналов на динамической уль-

тразвуковой осциллограмме. На основании Байесовской стратегии установлены статистические критерии распознавания нарушений техпроцесса и определена достоверность принятия решений по коррекции режимов сварки.

Впервые предложено осуществлять оценку состояния технологического процесса контактной точечной сварки по магнитным характеристикам точечных соединений, определены наиболее значимые из них и установлено их корреляция с типичными нарушениями техпроцесса. Теоретически и экспериментально доказано, что воздействие на металл мощного магнитного поля и термо-механических процессов, характерных для контактной сварки, приводит к специфическому распределению остаточной индукции в зоне соединения с характерным резким скачком на участках металла, нагретых при сварке до температуры Кюри, что позволяет корректировать режимы на основании измерения индукции в изделии после сварки. Установлено, что амплитуда скачка остаточной индукции характеризует силу сварочного тока, а расстояние до центра точки - время сварки. На основании обобщения решений дипольной теории на случаи расчета магнитных полей в зоне точечного сварного соединения впервые установлен характер распределения магнитного поля в зоне сварной точки. Показано, что экстремумы тангенциальной составляющей магнитостатического поля расположены над границами ядра точки, а расстояние между ними линейно связано с его диаметром и не зависит от других параметров соединения. Установленная закономерность положена в основу нового способа измерения диаметра литого ядра точечного сварного соединения и прогнозирования его прочностных характеристик.

Научно обосновано решение о применении магнитографии для оценки состояния технологического процесса дуговой сварки в поточно-механизированном производстве, подтвержденное теоретическими расчетами магнитных полей в крупногабаритной сварной конструкции, экспериментальными исследованиями выявляемости дефектов и принципиально новыми техническими решениями. Теоретически и экспериментально доказана неэффективность существующих способов и средств намагничивания протяженных сварных швов, предложены новые решения, по секционному намагничиванию, позволяющие отказаться от подвижных намагничивающих устройств. Обнаружен положительный эффект импульсного намагничивания при магнитографии, обеспечивающий устранение помех от неровностей поверхности сварного соединения.

Впервые в отдельный класс выделен круг задач типа "поиск причин отклонения хода технологического процесса сварки по результатам контроля", предложен обобщенный подход и специальные методы их решения для различных способов сварки. Показано, что область поиска решений для лю-

бого способа сварки определяется уровнем организации обратных связей в системах управления. Для оперативных систем типа "советчик оператора" обоснован новый подход к оценке технологического процесса сварки, в основу которого положено синхронное с процессом сварки деление области качества на классы по параметрам контроля, используя вероятностные классификационные модели. Для сложных технологических систем с наличием параллельных и последовательных рабочих мест и перекрестных маршрутов движения деталей, вклад каждой сварочной операции в обеспечение качества может быть рассчитан путем решения системы линейных уравнений, составленных по каждому маршруту движения деталей, в которых последовательные сварочные установки встречаются в различных сочетаниях. Предложенный подход позволяет выделить долю каждой установки из суммарной доли дефектности по маршруту, указав таким образом место коррекции техпроцесса в протяженной производственной линии.

Практическая значимость полученных результатов заключается в создании, научно-методологическом обеспечении и промышленной реализации методов и средств оценки состояния и обеспечения стабильности технологических процессов дуговой, контактной и высокочастотной сварки.

Предложены три типа систем стабилизации технологических процессов в сварочном производстве: "советчик оператора", "советчик администратора", "советчик технолога", позволяющие обнаружить, распознать и устранить нарушения хода технологического процесса сварки, соответственно, силами исполнителя, администрации или технолога. Разработаны принципы организации обратных связей и структура их построения в сварочном производстве. Предложены методы расчета коэффициентов значимости обобщенных параметров состояния сварочного технологического процесса по данным о количестве и типах дефектов, обнаруженных в сварных соединениях. Это позволяет объективно оценивать состояние дел на сварочном участке и целенаправленно выбирать меры воздействия по одному из каналов обратных связен - техническому, административному или экономическому.

Предложен новый способ коррекции технологического процесса высокочастотной сварки труб непосредственно в зоне сварочного стана /А.С1473929/. Он заключается в прозвучивании верхней зоны шва волнами Рэлея, выявлении момента зарождения дефекта, распознавании его типа и характера нарушения режимов и сообщении об этом оператору сварочного стана для принятия решения. Одновременно система осуществляет счет протяженности дефекта и фиксацию его параметров в памяти ЭВМ с последующей распечаткой результатов работы каждого оператора и расшифровкой

допущенных им ошибок. ЭВМ обеспечивает также накопление данных о работе различных операторов, смен, оборудования в течение длительного промежутка времени для последующего анализа администрацией и технологами цеха. Предложена новая конструкция ультразвукового дефектоскопа, реализующая алгоритм распознавания- нарушений техпроцесса сварки по характеристикам ультразвуковых сигналов /A.C. 1460697/.

Разработаны способы и устройства для оценки качества снятия наружного грата трубы и обнаружения дефектов поверхности типа" перекос кромок", обеспечивающие распознавание характера произошедшего нарушения. /A.C. 1538945, A.C. 17507671/.

На основе перечисленных разработок создан информационно-измерительный комплекс АКТ-УЗК-2 управления процессом высокочастотной сварки труб.

В работе предложены новые методы оценки состояния технологического процесса контактной точечной сварки, основанные на анализе характеристик распределения остаточной индукции в зоне соединения, регистрации тангенциальной составляющей магнитного поля над сварной точкой и измерении магнитных характеристик в зоне соединения. Разработаны средства и методики коррекции технологического процесса контактной сварки, реализованные в производстве для различных типов сварных изделий. /А.С.564583/.

Предложены новые решения по устройствам и методикам магнитографического контроля, позволившие использовать его в качестве средства оценки состояния технологии дуговой сварки, что ранее было невозмож-HO./A.C.418786, А.С.877417, А.С.819681/. Впервые спроектирован, изготовлен и внедрен опытно-промышленный образец автоматизированного магнитографического комплекса для поточно-механизированного производства АКТ-МГК-3. /A.C. 1099267/.

Экономическая значимость результатов. В качестве коммерческого продукта могут быть реализованы изложенные в диссертации разработки, методики и технические решения по оценке состояния и обеспечению стабильности технологических процессов дуговой, контактной и высокочастотной сварки, позволяющие предотвращать брак сварных изделий на ранней стадии их производства, до осуществления приемочного контроля. При производстве целого ряда изделий это дает значительный экономический эффект.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Новое решение проблемы стабилизации параметров технологического процесса высокочастотной сварки, основанное на ультразвуковом сканировании шва волнами Рэлея в зоне трубосварочного стана, компыо-

терном распознавании типа произошедшего нарушения и реализации функции управления технологическим процессом по трем каналам обратных связей.

2. Новый, теоретически, экспериментально и технически обоснованный подход к оценке состояния технологического процесса контактной точечной сварки по магнитным характеристикам сварного соединения, основанный на реализации трех направлений: измерении остаточной индукции в зоне сварки, оценке структуры по магнитным параметрам и поиске экстремумов тангенциальной составляющей магнитного поля над границами литого ядра сварной точки.

3. Научно-обоснованное решение проблемы применения магнитогра-фии для оценки состояния технологического процесса дуговой сварки по характеристикам дефектов, подтверждение теоретическими расчетами магнитных полей в крупногабаритной сварной конструкции, экспериментальными исследовании выявляемое™ дефектов и крупными техническими решениями по модернизации средств магнитографии.

4. Разработки в области моделирования причинно-следственных связей сварочных технологических процессов с дефектностью, позволяющие их функционально описать па основе теории графов и количественно оценить степень влияния технологии на качество сварки.

5. Предложения по структурной организации систем стабилизации технологических процессов в сварочном производстве, основанные на различной степени обобщения факторов, влияющих па качество и сформированные по уровню компетентности лиц, принимающих участие в управлении: советчик оператора, советчик администратора, советчик технолога.

6. Методологические приемы решения задач типа - "поиск причин отклонения технологического процесса" для высокочастотной, дуговой и контактной сварки и технические средства, позволяющие реализовать системы управления технологическими сварочными процессами в промышленности.

Личный вклад соискателя. Опубликованные по теме диссертации работы выполнены автором лично или в соавторстве.

Основными соавторами по опубликованным работам являлись Шарова A.M., а также аспиранты автора Белягов A.M., Карпович В.В., Гарышев А.П.

В соавторстве с Шаровой A.M. выполнена часть работ по магнитографическому контролю контактной и дуговой сварки. В области контактной сварки основные обобщения по направлениям развития, теоретические расчеты и предложения сделаны автором лично и имеют истоки в его кандидатской диссертации, первой работе, защищенной в этой области. Впоследствии, одно из направлений - контроль точечных соединений по струк-

туре, активно развивалось Шаровой A.M. Из работ по магнитографии дуговой сварки в диссертацию вошли, в основном, исследования по многослойным крупногабаритным сварным конструкциям, по которым автор являлся руководителем хоздоговорных работ.

В работах, опубликованных совместно с аспирантами, автор осуществлял постановку задач, предлагал направления решения, участвовал в теоретических и экспериментальных исследованиях, формулировке выводов. В диссертации результаты обобщены на различные технологические процессы, расширен круг решаемых задач, сформулированы общие подходы к проблеме.

Таким образом, автором лично предложены: новое решение проблемы стабилизации технологического процесса высокочастотной сварки на основе ультразвукового сканирования шва волнами Рэлея; ранее не известный подход к оценке состояния технологического процесса контактной точечной сварки по магнитным характеристикам сварных соединений; теоретические и принципиально новые технические решения по магнитографическому контролю крупногабаритных сварных конструкций в поточно-механизированном производстве; математические модели причинно-следственных связей дефектности сварных соединений на основе теории графов; принципы организации, структура построения и алгоритмы работы систем управления, позволяющие установить причины отклонения технологических процессов сварки по характеристикам дефектности. Проведенные исследования позволили автору обобщить проблему стабилизации технологических процессов сварочного производства и развить новое направление ее решения, основанное на оперативном неразрушающем контроле сварных соединений, осуществляемом до приемо-сдаточных испытаний.

Апробация результатов диссертации. Основные положения работы доложены и обсуждены на УП, IX, XII Всесоюзных научно-технических конференциях по физическим неразрушающим методам контроля (Киев. - 1974. Минск. - 1981. Свердловск. - 1990); Всесоюзных межвузовских конференциях по электромагнитному контролю (Рига. - 1975; Могилев. - 1995); Белорусских республиканских конференциях по сварке (Могилев. -1972-1991); Уральских региональных конференциях по неразрушающему контролю (Свердловск, Челябинск. - 1985, 1987-1989); Всесоюзных конференциях и совещаниях по управлению качеством (Киев, Ростов на Дону, Северодвинск, Донецк, Минск. - 1985-1991); Международной конференции "Неразрушающий контроль в науке и индустрии" (Москва. - 1994).

Опублнкованность результатов. Основное содержание диссертации опубликовано в 60 научных работах, в том числе 21 статья в журналах и

сборниках, 29 тезисов докладов на конференциях, 10 авторских свидетельств.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, 7 глав, выводов, списка использованных источников и приложения.

Полный объем диссертации 389 страниц. Из них текстовая часть 195 страниц печатного текста через 1,5 интервала, 98 страниц иллюстраций, 10 страниц таблиц, 63 страницы приложения и 23 страницы списка использованных источников из 285 наименований.

Основное содержание работы

Первая глава посвящена литературному обзору, постановке цели и задач исследований.

В настоящее время в сварочном производстве существуют два типа систем, реализующих различные подходы к обеспечению стабильности технологических процессов сварки. Системы автоматического управления режимами и физическими процессами, происходящими при сварке и системы статистического управления технологическими процессами по результатам приемочного контроля сварных соединений. Первое направление развивается в работах Гладкова Э.Л.; Орлова Б.Д., Подолы Н.В. и др. Достоинством автоматических систем является то, что они приближены к процессу сварки и могут оперативно влиять на его результаты. Используя системы автоматического управления удается стабилизировать технологический процесс и обеспечивать качество при производстве многих сварных конструкций.

Однако в сложных условиях, характерных для процессов сварки, существуют факторы плохо поддающиеся измерению и учету при автоматическом управлении. Это затрудняет стабилизацию технологического процесса сварки, что не позволит решать эту проблему полностью за счет средств автоматики.

Второе направление - оценка состояния и стабилизация технологических процессов по результатам статистической обработки данных ОТК о недопустимых дефектах. Благодаря работам Волченко В.II., Денисова Л.С., Троицкого В.И и др. системы статистического управления используются во многих отраслях промышленности и строительства, способствуя улучшению качества сварки.

Их недостатком является то, что они строятся на основе приемочного контроля и позволяют воздействовать на техпроцесс после того, как брак появился. Причем функция управления технологическим процессом для приемочного контроля побочная, он на нее не ориентирован и, как правило, удален от процесса сварки как во времени, так и в пространстве.

На наш взгляд, в сварочном производстве назрела необходимость создания направления, находящегося между двумя областями - статистическим регулированием качества и автоматическим управлением, позволяющего сочетать достоинства обоих.

Системы стабилизации технологических процессов (по аналогии с автоматическими) необходимо максимально приблизить к сварке. Однако, коррекцию режимов вести по данным специально введенного для этой цели неразрушающего контроля, освободив его от приемочной функции, повысив чувствительность, максимально сориентировав параметры на поиск и анализ дефектов, свидетельствующих об отклонении хода техпроцесса до того как это приведет к браку. В ряде случаев необходимо использовать дополнительные характеристики сварного соединения, отражающие состояние техпроцесса. Коррекция режимов сварки осуществляется после обработки информации на ЭВМ, используя ее как "советчик оператора". Одновременно в ЭВМ данные накапливаются для последующей оценки полного технологического цикла производства сварной конструкции. Создание подобных систем особенно актуально в поточном производстве для наиболее распространенных способов сварки: дуговой, контактной, высокочастотной.

Проведенный анализ, систематизация исследований и обобщение опыта работ по управлению сварочными технологическими процессами позволили обосновать необходимость развития нового направления в этой области- управления технологическими процессами сварочного производства на основе неразрушающего контроля, а также сформулировать цель и задачи исследований.

Вторая глава посвящена созданию моделей, позволяющих функционально описать причинно-следственные связи технологии сварки с дефектностью.

Использование неразрушающего контроля для оценки стабильности процесса сварки основывается на том, что уровень состояния операционной технологии проявляется в степени воспроизводимости характеристик дефектности изделия. В научном плане необходимо решение задачи по определению компонентов вектора X, характеризующего состояние техпроцесса, по выходным параметрам контроля У.

Пусть сварное изделие характеризуется набором дефектов У=1,2...К. Выборочные данные, состоящие из N наблюдений вектора У, позволяют количественно оценить величину воспроизводимости в виде обобщенной дисперсии б(У) вектора признаков.

Оценка ¿>(У) вычисляется как определитель ковариационной матрицы

1 т

Щ) СОУ(У,У2)

соу(7„}'.) СОУ Ь'К

щгк)

к11

21 1

С позиции количественного представления воспроизводимости анализ состояния технологии заключается в последовательном раскрытии и идентификации воспроизводимости, как причин и факторов, объясняющих дисперсию ЦК). Результаты дают возможность создать организационно-технические средства коррекции техпроцесса.

Процесс образования дефекта в сварном шве нами представлен в виде графа. Вершинами графа Ь являются параметры технологии X, приводящие к образованию дефекта, а ребра, являющиеся элементами подмножества

- пути, по которым происходит действие параметров. Для систематизации причин дефектности применим принцип декомпозиции сложной системы по уровням ее внутреннего состояния, выделив уровни, отличающиеся степенью обобщения рассматриваемого явления. Для сварочной системы нами выделено 5 уровней: металлургический, физико-технологический, технологический, производственно-технологический и производственный.

Пример графа причинно-следственных связей образования пор приведен на рис.1. На металлургическом уровне две причины образования пор: 1.1. Затруднена дегазация сварочной ванны; 1.2. Повышена концентрация водорода и азота в зоне сварки.

С причиной 1.1. на физико-технологическом уровне связаны: 2.1. Высокая скорость кристаллизации. 2.2. Затруднено всплытие пузырьков. С причиной 1.2. связаны: 2.3. Нарушена защита сварочной ванны; 2.4. Интенсивное образование газов в зоне сварки.

На технологическом уровне действуют 12 причин, вытекающих из предыдущего уровня: 3.1. Увеличенный теплоотвод; 3.2. Малое тепловложе-ние; 3.3. Нерациональная форма и размеры шва; 3.4. Неправильно выбрана полярность; 3.5. Неправильное положение шва в пространстве; 3.6. Прекращение подачи газа; 3.7. Сдувание защиты; 3.8. Подсос воздуха; 3.9. Некачественное покрытие электрода; 3.10. Повышенная влажность воздуха, туман; 3.11. Некачественный защитный газ или флюс; 3.12. Наличие газообразующих элементов на кромках.

На производственно-технологическом уровне поры вызывают следующие причины: 4.1. Нерациональная конструкция; 4.2. Сварка при отрицательной температуре; 4.3. Несоблюдение технологии; 4.4. Нерациональная технология; 4.5. Ветер; 4.6. Чрезмерная длина дуги или вылет; 4.7. Наруше-

ние сплошности покрытия; 4.8. Повышенная влажность сварочных материалов; 4.9. Загрязнение сварочных материалов; 4.10. Эксцентричность покрытия; 4.11. Плохая зачистка основного металла; 4.12. Некачественная прихватка.

I. МеТОЛЛУЛГИЧРСГИЙ

уровень"

¿. Физико-технологический упоаень

Tf»xH'"\in-гич^скиЯ уровень

4. Проиэвод-ctbmwo-технологи ческий уровень

V-ОЯРНЬ

Рис.1 Граф причшшо-следственпых связей образования пор при дуговой сварке

На производственном уровне- Xi - качество основного металла; Хг -качество предшествующих операций; Хз - уровень конструкторско-технологической разработки; Х4 - качество работы исполнителей; Х5 - качество работы оборудования; Хб - качество сварочных материалов; Х7 - организация работ на сварочном участке.

я л«

Представим граф в виде матрицы у4(1)= |я-.' , задав элементы сле-

II У in

дующим ооразом:

Г J7 для смежных вершин,

1 I/'

а =■

|о,

где Еу - вес связи между i и j вершинами.

для несмежных.

Образование дефектов от каждой причины возможно различными путями. Чем больше количество маршрутов последовательности хахах,дг,*,х2..._,;<:, от фактора х к дефекту, тем более значим этот фактор. Если в каждом маршруте сложить веса связей, мы получим вес маршрута, показывающий его значимость в образовании дефекта данного типа от данной причины. В свою очередь сумма весов всех маршрутов данного подграфа определяет вес данной причины в образовании дефекта

Еи = ^Е где IV - подграф графа Ь для дефекта типа Т.

' м-1

Вычислив сумму весов для каждого подграфа, соответствующего фактора Х1...Х7, получим формулы дефектности, позволяющие связать условную вероятность образования дефекта данного типа с факторами, характеризующими технологический процесс сварки:

Дтр = 0,02х, -ь 0,0 4х: +0Л4а'з + ОД 8_х4 + 0,02х5 +0,29.х6 + 0,3х7 ДТваг = 0,03л:, +0,24х2 + 0,2х3 + 0Д7х4 + 0Дх5 +0,1 л; + 0Д4х; Дгх = 0,04х, + 0,06х2 + 0,3х, + 0,2х4 + 0,05х, + 0,1х6 + 0,25х7

Суммирование уравнений с учетом количества дефектов того или иного типа, обнаруженных за определенный промежуток времени, позволяет по коэффициентам значимости оценить состояние факторов Х1....Х7, характеризующих технологию, и выбрать оптимальный путь воздействия на более значимые из них.

В третьей главе разрабатываются способ и средства стабилизации технологического процесса высокочастотной сварки. На основании теоретических исследований, проведенных на конечно-элементных моделях процесса сварки и результатов экспериментов на трубосварочных станах установлено, что при высокочастотной сварке зарождение дефектов происходит на внешней поверхности трубы, где напряженно-деформированное состояние кромок наиболее неблагоприятное, как при сжатии, в момент осадки, так и при растяжении, во время выхода трубы из сварочной клети. Недогрев или перегрев свариваемых кромок в этих условиях приводят, соответственно, к образованию непроваров или трещин. Для обнаружения этого момента предложено использовать ультразвуковые поверхностные волны Рэлея, сканируя ими вершину шва в непосредственной близости от трубосварочного стана. Расчеты показывают, что около 80% энергии волны сосредоточено в зоне зарождения дефектов, что обеспечивает очень высокую чувствительность их выявления и позволяет обнаружить нарушения хода техпроцесса значительно раньше, чем это приведет к образованию недопустимых дефектов.

Для оперативного управления пьезопреобразователь необходимо располагать на минимальном расстоянии от места сварки. При этом температура трубы является основным фактором, определяющим это расстояние. Путем введения температурной поправки в аргумент функции Бесселя получено выражение для оценки амплитуды волны Рэлея в зависимости от температуры (приводится в сокращенном виде)

где К - коэффициент, зависящий от площади пьсзопласгины, скорости УЗК.

В направлении диаграммы максимума направленности X = О cospi С, )

Расчеты показывают, что для оптимального при нормальной температуре (Т=20° С) угла призмы, нагрев до 50° С приводит к снижению амплитуды УЗК в 3 раза, а нагрев до 80° С снижает амплитуду в 10 раз.

Предложена методика и получены зависимости для коррекции угла призмы в зависимости от расстояния до сварочного стана и температуры трубы. Определены оптимальные размеры искателя в зависимости от кривизны контролируемой поверхности. Установлено, что максимальная помехозащищенность искателя и минимальное влияние температуры достигается при значениях диаметра пьезоэлемента 2а = (0,07 - 0,108) R, где R - радиус контролируемой трубы.

Изучено отражение волн Рэлея от дефектов сварки в динамическом режиме на трубоэлектросварочном стане.

регреве свариваемых кромок.

На рис.2 представлены динамические ультразвуковые осцилограммы непровара, полученного при недогреве свариваемых кромок (а) и трещины, полученной при перегреве (б). Из рисунка видно, что характер осцилограмм существенно отличается, что позволяет их распознать, оперативно опреде-

лив таким образом причину разладки техпроцесса. Разработан алгоритм распознавания по статистическим характеристикам динамических ультразвуковых осцилограмм и предложена конструкция ультразвукового дефектоскопа /A.c. N1460697/, позволяющая его реализовать.

Предложены способы и средства распознавания дефектов поверхности сварного соединения в процессе сварки /A.c. 1538945, A.c. 1750767/, которые позволяют получить дополнительную информацию о состоянии техпроцесса.

Рис.3 Схема сбора и обработки информации о состоянии технологического процесса высокочастотной сварки

Решение о нарушении хода техпроцесса принимает ЭВМ по поступающей информации с ультразвукового дефектоскопа, анализатора поверхности, измерителя скорости сварки. Система работает как в оперативном режиме, подсказывая с помощью табло оператору электросварочного стана направления коррекции режимов, так и в режиме "советчик администратора", накапливая данные об обнаруженных дефектах, их причинах, протяженности, соотнося эту информацию с количеством сваренных труб, работающей сменой, бригадой, обслуживающей сварочный стан. Схема сбора и обработки информации о состоянии технологического процесса высокочастотной сварки приведена на рис.3. Способ управления процессом высокочастотной сварки защищен авторским свидетельством A.C. 1473929.

В четвертой главе исследуются способы оценки состояния технологического процесса контактной точечной сварки. В основу способов положено измерение магнитных характеристик точечного сварного соединения, несущих наиболее полную информацию о процессе сварки.

Развито три подхода: измерение остаточной индукции в зоне сварки, оценка структуры соединения по магнитным параметрам и фиксация тангенциальной составляющей магнитного поля над границами точки.

Сварочный ток, протекая по изделию намагничивает его, одновременно нагрев металла выше температуры Кюри снижает эту намагниченность. Изменения силы тока и температурного режима при формировании точеч-

ного сварного соединения оказывают влияние на характер распределения остаточной индукции.

Изменение остаточной индукции по сечению сварного образца, можно описать системой уравнений:

чгрА

т =

2 „ ,2 п /xd

ф

.м

, н

'aBs

1

ам.

■tjt+t.y

в Bs

/ \

-ф

J

_в

Bs'

\ + а-

Bs)

Н--

71

где Вя - остаточная индукция: Т - температура; I - сила тока; (1 - диаметр точки; X - температуропроводность;

в„т

1,2

0,8

0,4

7\ I " т

3 1 J 1 1 1.1=22 2. ¡=18 3.1=12 «А кА кЛ I 1

J J 1 1 1 1 1 1 1

Рнс.4 Расчетные кривые распределения остаточной индукции в зоне точечного соединения

6 j 12 _

18

24

30

_LL

Результаты расчетов приведены на рис.4. Феррозондовые измерения подтверждают результаты расчетов и по-36^ Х,мм казывают возможность

_L^_г коррекции силы тока и

_) времени сварки по рас-

| пределению остаточной индукции.

Выявление "слипаний" может быть осуществлено по структуре путем измерения разницы магнитных свойств литого ядра и дефекта. Нами установлено, что максимальная разница магнитных характеристик для низкоуглеродистых сталей наблюдается в полях 50-80 А/см. Это направление подробно в диссертации не исследовалось, оно развито в работах Шаровой A.M.

Диаметр литого ядра точечного сварного соединения может быть измерен путем регистрации полей рассеяния, обусловленных геометрией сварной точки.

В диссертации проведен расчет магнитных полей в зоне точечного соединения и проанализирована связь между характером поля и размерами соединения. Для расчета использовали дипольную теорию Зацепина H.H., Щербинина В.Е. Расчеты проведены при намагничивании изделия перпендикулярно и параллельно поверхности.

Для перпендикулярного намагничивания тангенциальная составляющая поля рассеяния определяется выражением:

н1 = -4а

-Ь {x-r¡)dr¡ -b {x-r¡)dr¡

У V2 ' '2- i

-а

{x-rj) +(8 +h) ~a{x-TÍy л-81

-R

eos a (x-Tjcosa)dr]

J 2 2* +

77COS0:) + (S + h +Rtga -hs'ma)

eos a

_=iL

cosa (x- 7 eos a)dr¡

+ I

2 2 _ ~b (x - neos a) +(S + h + Rtga + ns'ma)" cosa ' v '

cosa (x - rjcosa)drj

_(x - t/cosaf + (S + h - Rtga + n sina)^

cosa

b

eos a (x-77 eos a)dr¡

2 „ : 72+

R cosa

(x-7 eos a) + {S + Rtga-rjúna)

Ь (х - 7 )с/ 7 а (х - 7 7

а (.V - 7 )2 + (<? + А )2 Ь (х - 7 )2 + 2

где 2а - ширина сварного образца; 2Ь - диаметр пластического пояска; 211 -диаметр литого ядра; 5 - толщина свариваемых изделий; Ь - зазор между деталями; а - плотность магнитных зарядов.

Для намагничивания параллельно поверхности выражения для вычисления Н из-за громоздкости не приводим.

Расчеты показывают, что наилучшие условия определения диаметра точки создаются при перпендикулярном намагничивании. В этом случае экстремумы тангенциальной составляющей магнитостатического поля рас-

полагаются над границами литого ядра точки, а расстояние между ними линейно связано с его диаметром и не зависит от других параметров точечного соединения.

(III Рнс.5 Расчетные кривые

изменения производной мапштостатического поля в зоне точечного соединения

На осцилограмме диаметр литого ядра определяется параметром В -расстоянием между точками, в которых производная ёи/с1х пересекает ось X. (Рис.5) На основании проведенных исследований разработаны способы и средства коррекции режимов контактной точечной сварки по результатам измерения магнит пых

характеристик сварных соединений.

В пятой главе исследована возможность построения систем стабилизации дуговой сварки па основе магнитографического контроля. Отклонению технологического процесса дуговой сварки за допустимые границы, как правило, предшествует увеличение количества малозначительных дефектов, часто пор, которые приемочным контролем не регистрируются, т.к. могут привести к перебраковке продукции. В диссертации разработана система оценки состояния технологического процесса сварки газопроводных труб на основе магнитографии- одного из наиболее эффективных способов контроля, которая специально вводится для этой цели и фиксирует количество дефектов залегающих близко к поверхности.

Применение магнитографии для выявления дефектов в крупногабаритных, толстостенных сварных конструкциях имеет ряд трудностей, связанных со сложностью их намагничивания. В связи с этим, теоретически и экспериментально проведена оптимизация параметров намагничивающих систем. Расчеты выполняли методом конечных элементов.(МКЭ)

Конечно-элементный подход к решению задачи по расчету двухмерного магнитного поля в многослойной среде предусматривает решение дифференциального уравнения для векторного потенциала , которое справедливо для всех участков расчетной области (сердечника намагничивающего устройства, сварного изделия, катушек с током) _| ^ | ___1 _.

9x1м- дх)

Точное решение данного уравнения при однородных граничных условиях Дирихле или Неймана соответствует минимуму нелинейного энергетического функционала

I — |( ¡¡Л. ВйВ - ]А\с1х(1у,. Получение объединенной системы нелинейных уравнений в процессе минимизации функционала осуществляли при представлении всей расчетной области треугольными элементами. При этом, для нахождения векторного потенциала А внутри элемента 1 с вершинами 1, т, п использовали линейную интерполяцию его значений в вершинах элемента А,.*Х.С.Л.-

"1 У, 'А,'

где * = [!*>>]; С = X'= 1 х- У. ; А,= А„

.1 х. Уп_ Ж

Составляющие вектора магнитной индукции находили дифференцированием А по координатам

= О 1]С,Л БУ = § = [0 -1 0]с.А

МКЭ решена задача распространения электромагнитного поля и установлен характер распределения векторного потенциала в крупногабаритной сварной конструкции. На основании расчета определена взаимосвязь размеров и конструктивно-технологических характеристик сварного изделия с параметрами намагничивающих устройств, рекомендуемых для магпитогра-фии.

Показано, что для крупногабаритных сварных конструкций использование традиционной схемы намагничивания подвижными намагничивающими устройствами по участкам крайне неэффективно. Установлено, что обязательным условием выявления незначительных дефектов, свидетельствующих об отклонении технологического процесса, является намагничивание протяженного сварного шва одновременно по всей длинне, обеспечивая при этом строгую оптимизацию других параметров контроля. Выбор

магнитной ленты существенно зависит от размеров сварного шва. Для швов с усилением менее 1 мм для достижения максимальной чувствительности целесообразно использовать высококоэрцитивную магнитную ленту типа В3806, при высоте усиления 1-2м.м более эффективна лента И4732, при усилении шва более Змм магнитографический контроль применять нецелесообразно.

Исследована выявляемость дефектов различной величины и глубины залегания. Определены критерии разладки технологии по характеристикам дефектности.

Изготовлен и внедрен в производство комплекс АКТ-МГК-3, /АС 1099267/, работающий в автоматизированном режиме и позволяющий, по результатам магнитографического контроля обнаруживать сбои на ранней стадии технологического процесса и на этой основе корректировать его параметры и режимы сварки.

В шестой главе разрабатывается структура построения и методологическое обеспечение систем стабилизации технологических процессов сварки на основе неразрушающего контроля.

Структура систем и степень обобщения входных и выходных параметров поставлена в зависимость от уровня компетентности лиц, принимающих участие в управлении технологическим процессом сварки.

В сварочном производстве предложено создавать три типа систем информационного управления: советчик оператора (СО); советчик администратора (СА); советчик технолога (СТ).

В режиме "советчик оператора" система должна оперативно, в процессе сварки, подсказывать оператору произошедшие нарушения хода техпроцесса и направления его коррекции. Для ее функционирования подобраны параметры процесса сварки, находящиеся в компетенции оператора наиболее информативные результаты контроля и создана модель функционирования на уровне "советчик оператора", обеспечивающая доступную для оператора идентификацию произошедшего отклонения техпроцесса.

Работа системы управления "советчик администратора" отличается от предыдущей степенью обобщения входных параметров. Информация в этом случае подготовлена таким образом, чтобы ответить на вопрос - "Кто виновен в нарушении технологии?" - оборудование, исполнитель, качество металла и т.д.

Работа систем "советчик технолога" основывается на анализе качества за относительно длительные промежутки времени с целью выявления неявных тенденций в его изменении и оценки связи с факторами, характеризующими технологический процесс - выбор сварочных материалов и оборудования, последовательность операций и т.д.

Для каждого типа систем использованы различные принципы построения моделей, по которым осуществляется оценка технологий. При работе системы в режиме "советчик оператора" для основных способов сварки оперативную оценку причин отклонения технологического процесса предложено производить по вероятностным классификационным моделям, используя Байесовскую стратегию деления на классы. Параметры классификации выбираются в зависимости от способов и средств контроля, но, как пра-зило, минимальные ошибки 1-го и 2-го рода обеспечивает двухпараметровая схема. Для каждого способа сварки предложена соответствующая методика.

При высокочастотной сварке нарушение техпроцесса описывают четырьмя классами: перегрев кромок, недогрев кромок, перекос кромок, неснятый грат. Разработан алгоритм, методики и устройство управления процессом контактной конденсаторной сварки на примере соединений из ниобия. Технологический процесс описывается пятью классами качества: непровар, твердая фаза, разупрочнение, литое ядро, перегрев. Показано, что классификацию целесообразно осуществлять по двухпараметровой схеме -по току и падению напряжения. Коррекция техпроцесса осуществляется автоматически или оператором во время паузы между сварками.

Оценка значимости причин разладки технологического процесса сборки и сварки по исполнителям, оборудованию и организационным факторам в режиме "советчик администратора", после математических преобразований представлена в виде классической статистической задачи - выделение существенных факторов из массива, и решена для сосредоточенного технологического процесса путем однофакторного, а для параллельного технологического процесса путем двухфакторного дисперсионного анализа. Оценку качества заготовительных операций выполнена путем совместного дисперсионного и корреляционного анализа.

В сложной технологической системе с наличием параллельных и последовательных рабочих мест и перекрестных маршрутов движения деталей, вклад каждой сварочной установки в снижение качества описан системой линейных уравнений, в которых каждая установка встречается с другими в различных маршрутах движения деталей. Для определения вклада каждой установки в обеспечение качества и выделения его из суммарного брака, необходимо осуществить обратное преобразование Фурье по отношению к доли дефектности по каждому маршруту.

Предложено решение задачи определения "виновников" брака при интегральной оценке качества многопроходных сварных швов, экспонированных на одну рентгеновскую пленку. Оно осуществлено методами статистической классификации по вероятностным характеристикам дефектов различных типов. На конкретном примере показаны особенности выбора пра-

вила статистической классификации и классифицирующих признаков качества.

В седьмой главе изложены технические решения и результаты производственного применения систем управления технологическими процессами различных способов сварки.

Разработан комплекс управления процессом высокочастотной сварки на основе ультразвукового сканирования шва поверхностными волнами

Рис.6 Внешний вид электрической части комплекса АКТ-УЗК-2 вместе со стандартными узлами

Комплекс позволяет вести контроль опасной зоны шва на более высокой по сравнению с другими способами чувствительности; выявлять и распознавать тип дефектов сплошности и поверхности, а так же характер нарушения техпроцесса, оперативно передавая оператору сварочного стана в реальном масштабе времени информацию о допущенных им нарушениях. В тяжелых условиях работы мощного электросварочного стана (К = 1000 кВт, Уев = 100 «/«ин) процесс сварки и ультразвукового контроля совмещен с работой ЭВМ, обеспечивающей обработку, запоминание, хранение и распечатку информации о всех дефектах и сбоях техпроцесса за любые промежутки времени. Комплекс внедрен на Выксунском металлургическом и Новомосковском трубном заводах. Приборная часть комплекса изображена на рис.6.

Предложены технические и методические решения по коррекции режимов контактной точечной сварки. Разработаны устройства для магнитного контроля многоточечных соединений в автоматизированном режиме. Предложен статистически обоснованный план неразрушающего контроля ответственных конструкций, основанный на комбинированном использовании различных методов и переходе от альтернативной оценки качества к

Рэлея (АКТ-УЗК-2).

оценке по количественному признаку. Предложена система управления техпроцессом контактной сварки, основанная на коррекции режимов по .магнитным характеристикам, после сварки партии изделий. Результаты работы внедрены на ряде предприятий оборонного комплекса.

Обобщены требования к способу и средствами магнитографического контроля крупногабаритных сварных конструкций, реализация которых позволяет изпользовать его для оценки состояния технологического процесса дуговой сварки.

Рпс.7

Предложены решения, позволяющие автоматизировать основные операции магнитографического контроля: подача и ориентация изделия, укладка ленты, намагничивание, воспроизведение записи, распознавание, распечатка и отметка на трубе дефектов. Разработан и изготовлен комплекс активного магнитографического контроля труб в потоке. Комплекс внедрен на Харцьпском трубном заводе, на опытном участке ИЭС им Е.О.Патона, на Выксунском металлургическом заводе. На основе комплекса разработана система раннего обнаружения разладки процесса дуговой сварки по характеристикам малозначительных дефектов, залегающих близко к поверхности. Обнаружение отклонений в технологическом процессе сварки до того, как они приведут к браку, в условиях поточно-механизированной линии дает значительный технический и экономический эффект. Фрагмент комплекса изображен на рис.7

Выводы.

1. Па основании анализа и обобщения проблемы стабилизации технологических процессов сварки в условиях поточно-механизированного производства установлено, что эффективным направлением ее решения является создание систем стабилизации на основе неразрушающего контроля, расположенного п непосредственной близости от процесса сварки, освобожденного от приемки продукции и максимально сориентированного на обнаружение дефектов, свидетельствующих о возникших отклонениях в техноло-

гическом процессе сварки. Основной функцией контроля является распознавание по характеристикам дефектности причин отклонений и автоматизированный поиск направлений коррекции параметров режима сварки. Развитие данного направления наиболее актуально для основных способов сварки, использующихся в поточно-механизированном производстве: дуговой, контактной, высокочастотной.

2. С позиций системного анализа осуществлен подход к производственному сборочно-сварочному процессу как объекту научного исследования. Показано, что уровень операционной сварочной технологии проявляется в степени воспроизводимости характеристик дефектности сварной конструкции. Предложены принципы математического моделирования состояния технологического процесса сварки по характеристикам дефектности, заключающиеся в том, что причинно-следственные связи дефектности представлены в виде графа, в котором факторы стабильности техпроцесса расположены в узлах на металлургическом, физико-технологическом и производственном уровнях, а логический маршрут появления дефекта изображен в виде инцидентных им связей, что позволяет функционально описать состояние технологического процесса сварки семью основными факторами, коэффициенты значимости которых определяются как суммарный вес маршрутов графа от данного фактора к дефекту. Предложенный подход позволяет по количеству и типу обнаруженных дефектов установить наиболее вероятные причины их вызывающие и определить пути коррекции технологического процесса сварки.

3. Впервые предложен комплекс научно-технических решений по управлению высокочастотной сваркой на основе неразрушающего контроля, заключающийся в ультразвуковом сканировании наиболее опасной зоны сварного шва волнами Рэлея на чувствительности выше браковочной, компьютерном распознавании по характеристикам дефектности произошедших отклонений параметров технологического процесса и последующей их коррекции по трем уровням обратных связей, предотвращая образование недопустимых дефектов. Установлено, что недостаточный разогрев кромок в процессе сварки вызывает появление отраженных ультразвуковых сигналов с относительно стабильной во времени амплитудой, характеризующейся небольшим размахом колебаний, перегрев же свариваемых кромок дает меньшую амплитуду сигналов, но вызывает более резкие ее колебания на динамической ультразвуковой осцилограмме, что позволяет их распознать в автоматизированном режиме. Определены статистические критерии, обеспечивающие максимальную достоверность распознавания нарушений техпроцесса, оптимизированы основные параметры УЗК в зависимости от температурного режима сварки, разработаны алгоритмы обработки динамиче-

ских ультразвуковых осцилограмм. Предложенные решения позволили стабилизировать ход высокоскоростного процесса высокочастотной сварки и улучшить качество сварных соединений труб на электросварочных станах типа ТЭСА 203-530.

4. Теоретически и экспериментально доказано, что воздействие на металл мощного магнитного поля и термомеханических процессов, характерных для контактной точечной сварки, приводят к изменению магнитных свойств металла в зоне соединения, причем наблюдается достаточно тесная связь между параметрами режима и магнитными характеристиками, что позволяет использовать их для коррекции технологического процесса контактной сварки. Установлено, что распределение остаточной индукции в зоне сварного соединения характеризуется резкой неоднородностью и на участках металла нагретых при сварке до температуры Кюри имеет скачок, амплитуда которого характеризует силу сварочного тока, а расстояние до центра точки - время сварки. Уменьшение диаметра литого ядра точки приводит к перераспределению тангенциальной составляющей магнитостатиче-ского поля, экстремумы которой располагаются над границами литого ядра, что позволяет измерять его диаметр. "Слипание" в зоне соединения наилучшем образом обнаруживается в центре точки в полях 50-80А/см. Установленные закономерности позволили создать методы и средства коррекции технологического процесса контактной точечной сварки по магнитным характеристикам, что дало возможность уменьшить объем механических испытаний, увеличить оперативность оценки техпроцесса и улучшить качество точечных соединений при производстве ряда ответственных сварных конструкций.

5. Впервые предложено и научно обосновано решение об использовании магнитографического контроля в поточном производстве для оценки состояния технологического процесса дуговой сварки по характеристикам малозначительных дефектов, залегающих близко к поверхности сварного шва. На основе теоретического конечно-элементного решения задачи о распространении электромагнитного поля в крупногабаритной сварной конструкции установлен характер распределения в ней векторного магнитного потенциала и обобщены представления о взаимосвязи параметров намагничивающих систем магнитографии с размерами сварной конструкции. Установлена крайне низкая эффективность традиционного способа намагничивания протяженных сварных швов передвижными намагничивающими устройствами. Показано, что обязательным условием выявления незначительных дефектов, свидетельствующих об отклонении хода технологического процесса, являются намагничивание протяженного сварного шва одновременно по всей длине; использование высококоэрцитивных магнитных лент и

импульсного перемагничивания поверхностных слоев для снижения помех от границы сварного соединения. Предложенные решения позволили реализовать магнитографический метод в промышленности для коррекции технологического процесса дуговой сварки в поточном производстве труб для магистральных газопроводов и повысить качество сварных соединений.

6. Развит обобщенный для различных способов сварки подход к системам стабилизации технологических процессов по результатам неразру-шающего контроля и показано, что их создание в сварочном производстве основывается на объединении процессов сварки и контроля в единую многомерную технологическую систему, входные параметры которой формируются на стадии сварки, а выходные на стадии контроля. Степень обобщения входных параметров определяет уровень системы, а форма представления выходных - принципы организации обратных связей. По этим признакам для коррекции технологических процессов в сварочном производстве предложено создавать системы трех типов: "советчик оператора", "советчик администратора", "советчик технолога", позволяющие воздействовать на различные стадии техпроцесса и обеспечивать его стабилизацию.

7. Предложен общий подход и специальные методы решения задач типа "поиск причин отклонения хода технологического процесса сварки по результатам контроля". Установлено, что область поиска решений для любого способа сварки определяется уровнем организации обратных связей в системах управления. Для оперативных систем типа "советчик оператора" предложено решение по оценке стабильности технологического процесса, в основу которого положено деление области качества на классы по параметрам контроля, используя вероятностные классификационные модели. Для сложных технологических систем предложен метод, основанный на решении системы уравнений, описывающих движение свариваемых изделий по маршрутам поточных линий, позволяющий выделить вклад каждой установки из суммарной доли дефектности, указав таким образом место коррекции техпроцесса в протяженной производственной линии. Решения реализованы в производстве при дуговой сварке многослойных труб, конденсаторной сварке ниобия, для оценки качества работы линии при сварке многопроходных швов.

8. - Предложенный способ управления процессом высокочастотной сварки /A.C.1473929/ и новые функционально-аппаратные решения по ультразвуковому дефектоскопу /A.C. 1460697/,средствам распознавания дефектов поверхности шва/A.C.1538945, A.C.1750767/ позволили создать и реализовать промышленности комплекс технических устройств -АКТ-УЗК2, обеспечивающий стабилизацию технологического процесса высокочастотной

сварки за счет оперативного обнаружения отклонений и коррекции его параметров до образования недопустимых дефектов;

- предложенный способ магнитного контроля /А.С.564583/, новая конструкция намагничивающего устройства /А.С.418786/, а также новый подход к коррекции технологического процесса контактной сварки по вероятностным классификационным моделям и магнитным характеристикам позволили создать и внедрить в производство комплекс технических средств н методологических приемов, обеспечивающие стабилизацию параметров и повышение качества контактной точечной сварки;

- на основании обобщения требований к процессу магнитографического контроля как методу оценки состояния технологического процесса дуговой сварки, разработаны способы контроля /А.С.785726, А.С.877417/ и устройства /А.С.877417/, по основе которых создан промышленный образец автоматизированного технического комплекса АКТ-МГК-3 /А.С. 1099267/, позволяющий в темпе работы поточной линии обнаруживать дефекты, свидетельствующие об отклонении параметров режима сварки и обеспечивающий коррекцию технологического процесса до образования недопустимых дефектов.

Перечисленные способы и средства, а также их отдельные фрагменты внедрены на 12 предприятиях стран СНГ с годовым экономическим эффектом 8,26млрд.руб.(в ценах 1996г.).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1.Шарова A.M., Роговин Д.А., Куликов В.П. Чувствительность магнитографического контроля качества сварных соединений низкоуглеродистых сталей // Автоматическая сварка. - 1973, № 7. - С. 39-42.

2.Шарова A.M., Куликов В.Г1. Исследование влияния усиления сварных швов и нелинейности ферромагнитной ленты на выбор оптимальных режимов намагничивания при магнитографической дефектоскопии // Механизация и автоматизация сварочного производства. Тех.докл.конф. - Могилев, 1972. - С. 28.

3.А.с.418786 СССР. МКИ G 01 № 28 / 82. Намагничивающее устройство для магнитографической дефектоскопии / А.М.Шарова, Д.А.Роговин, В.П.Куликов; Заявлено 15.05.72; Опубл. 05.03.74, Бюл. № 9. - 2с.

4.Шарова A.M., Роговин Д.А., Куликов В.П. О возможности магнитографической дефектоскопии электрозаклепочных соединений // Нераз-рушающие методы и средства контроля и их применение в промышленности. - Минск, 1973. - С. 189-195.

5.Шарова A.M., Роговин Д.А., Куликов В.II. Экспериментальное исследование магнитографического контроля качества электрозаклеиочных соединений // Автоматическая сварка. - 1975, № 5. - С. 26-29.

6.Шарова A.M., Куликов В.П. Магнитопорошковый контроль дисковых ножей II Химическое и нефтяное машиностроение. - 1975, № 4.-С.26-27.

7.Куликов В.П., Шарова A.M. Отстройка от ложных сигналов при контроле точечных соединений II Механизация и автоматизация сварочного производства. Тез.докл.конф. - Могилев, 1975. - С. 28-29.

8.Шарова A.M., Новиков В.А., Куликов В.П. Учет формы усиления шва при магнитографическом контроле II Многопараметровый неразру-шающий контроль ферромагнитных материалов и изделий методом высших гармоник. Тез.докл.конф. - Минск. 1975. - С. 69-70.

9.Куликов В.П. Применение методов математической статистики при контроле точечных соединений // Сб.Механизация и автоматизация сварочного производства. Тез.докл.конф. - Могилев, 1975. - С. 28-31.

Ю.Куликов В.П., Шарова A.M. О контроле точечных сварных соединений// Сварочное производство. - 1976, № 3. - С. 34-36.

П.Куликов В.П., Шарова A.M. Выбор рациональных режимов магнитографического контроля точечных сварных соединений // Сварочное производство. - 1976, № 4. - С. 31-32.

12.А.с.785726 СССР, МКИ G 01 № 27 I 85. Способ магнитографического контроля / A.M.Шарова, В.А.Новиков, В.П.Куликов; Заявлено 07.08.76; 0публ.07.12.78, Бюл. № 45. - Зс.

13.Шарова A.M., Куликов В.П., Белягов A.M. О контроле сварных соединений многослойных конструкций II Пути повышение эффективности сварочного производства и улучшения качества сварных конструкций. Тез.докл.конф. - Могилев, 1978. - С. 27.

14.А.С.819681 СССР, МКИ G 01 № 27 / 85. Намагничивающее устройство для магнитографической дефектоскопии / А.М.Шарова, В.А.Новиков, В.П.Куликов; Заявлено 18.06.79; Опубл. 09.04.81, Бюл. № 13. - Зс.

15.А.с.877417 СССР, МКИ G 01 № 27 / 85. Способ контроля ферромагнитных материалов / А.М.Шарова, В.А.Новиков, В.П.Куликов. Заявлено 17.07.79; Опубл. 30.01.81, Бюл. № 40. - 2с.

^.Экспериментальное исследование магнитографического контроля сварных соединений многослойных труб / А.М.Шарова, В.П.Куликов,

A.M.Белягов и др. // Передовой опыт неразрушающего контроля качества сварных соединений. - Киев. - 1979. - С. 95-102.

17.А.с.564583 СССР, МКИ G 01 № 27 / 82. Способ магнитографического контроля сварных соединений / А.М.Шарова, В.П.Куликов,

B.А.Новиков. - Заявлено 02.04.75; Опубл. 05.07.77, Бюл. № 25.4с.

18.Шарова A.M., Куликов В.П. Магнитографический контроль точечных сварных соединений // Многопараметровый неразрушающий контроль ферромагнитных материалов и изделий методом высших гармоник. -Минск, 1975. - С. 70-71.

19.Шарова A.M., Куликов В.П., Новиков В.А. Исследование магнитографического контроля точечных сварных соединений // Электромагнитные методы контроля. Тез.докл. межвузов, конф. - Рига, 1976. - С. 105— 111.

20.Волченко В.Н., Куликов В.П. Повышение достоверности оценки качества при переходе от разрушающих к неразрушающему контролю соединений, выполненных точечной сваркой // Автоматическая сварка. -1980, № 10. - С. 13-21.

21.Контроль момента зарождения усталостных трещин в сварных соединениях I А.М.Шарова, В.П.Куликов, А.М.Белягов и др. // Автоматическая сварка. -№ 10. - С, 19-21.

22.Куликов В.П. Исследование магнитостатистических полей в зоне точечного сварного соединения // Дефектоскопия. - 1981. - С. 39-43.

23.Магнитографический контроль качества сварных многослойных труб I А.М.Шарова, В.П.Куликов, А.М.Белягов и др. //Автоматическая сварка. - 1981.-№ 1. - С. 63-66.

24.Куликов В.П., Белягов A.M. Автоматизированный контроль сварных соединений многослойных труб // Проблемы разработки и эксплуатации автоматизированных систем управления. Тез. докл. республ. конф.,-Могилев, 1981.-С.27.

25.0 контроле нахлесточных сварных швов многослойных труб магнитографическим методом / А.М.Шарова, В.П.Куликов, Белягов A.M. и др. // Неразрушающие методы и средства контроля. Тез.докл. IX Всесо-юзн.научн.- техн.конф. - Минск, 1981. - С. 231-232.

26.Куликов В.П., Шарова A.M. Способ компенсации помех от поверхностных неровностей при контроле точечных сварных соединений // Дефектоскопия. - 1981, № 9. - С. 48-53.

27.Куликов В.П., Кушлеев Ю.А. Расчет магнитного поля в зоне сварного соединения, выполненного на остающейся подкладке // Межвузовская научн.-техн.конф. Современные методы и средства электромагнитного контроля.-Могилев, 1982,-С.29.

28.Куликов В.П., Белягов A.M. Сопоставление различных методов контроля внутреннего нахлесточного шва многослойных труб // Повышение надежности и долговечности деталей машин, механизмов и сварных конструкций: Тез. докл.республ.науч.-техн.конф. - Минск, 1982. - С. 109.

29.Куликов В.П., Белягов A.M., Миронков В.Г. Об эффективности намагничивающих устройств для магнитной дефектоскопии // Повышение надежности и долговечности деталей машин, механизмов и сварных конструкций: Тез.докл.республ.науч.-техн.конф.. - Минск, 1982. - С. 99.

30.Куликов В.П., Белягов A.M., Гарышев А.П. Автоматизация процесса намагничивания в процессе контроля сварных соединений многослойных труб II Автоматический контроль и управление производственными процессами. Тез.докл. IV республ.конф. - Минск, 1983. - С. 45.

31.Куликов В.П., Белягов A.M. Об эффективности процесса намагничивания при магнитографической дефектоскопии // Контроль и управление качеством. - Киев: ИЭС, 1984. - С. 106-109.

32.Куликов В.П., Белягов A.M., Гарышев А.П. Магнитографический контроль сварных соединений труб в потоке // Методы и приборы автоматического неразрушающего контроля. Электромагнитные методы. -Рига: РПИ, 1984. - С. 125-130.

33.Куликов В.П., Белягов A.M. Установка для контроля сварных швов многослойных обечаек II Современные методы неразрушающего контроля и их методологическое обеспечение: Тез.докл.науч.-техн.конф. -Свердловск, 1985.—37с.

34.Куликов В.П., Волченко В.Н. Достоверность контроля сварных соединений многослойных конструкций // Применение ресурсосберегающих технологий в сварочном производстве: Тез.докл.рсспубл. конф. -Минск, 1985.-С. 38.

35.Куликов В.П., Гарышев А.П. Дифференцированный учет качества кольцевых швов МС-труб с использованием ЭВМ // Применение ресурсосберегающих технологий в сварочном производстве: Тез.докл. республ.конф. - Минск, 1985. - С. 39.

36.Куликов В.П., Белягов A.M., Шаламовская Н.И. О выборе намагничивающего устройства и типа магнитной ленты для контроля сварных соединений крупногабаритных конструкций // Дефектоскопия. - 1976, № 10.-С. 41-46.

37.Куликов В.П., Белягов A.M., Гарышев А.П. Расчет намагничивающих устройств для контроля крупногабаритных конструкций II Современные методы неразрушающего контроля и их метрологическое обеспечение: Тез.докл.науч. техн.конф. - Челябинск, 1987. - С. 10-11.

38.А.с.1538945 СССР. МКИ В21С37 / 00. - Устройство регистрации превышения допустимой величины грата в электросварных трубах / В.П.Куликов и др. - Заявлено 28.04.88, опубл.30.01.90, Бюл. №4. - Зс.

39.Мельников С.Ф., Березиенко В.П., Куликов В.П. Управление качеством конденсаторной сварки на основе вероятностных классификационных

моделей // Сб. Опыт и пути развития комплексного управления качеством в сварочном производстве.-Донецк, 1988.-С. 158-166.

40.Куликов В.П. Технология оборудования сварки плавлением и термической резки. Могилев, ММИ. 1988.-18С.

41.Куликов В.П., Мельников С.Ф., Карпович В.В. Автоматизация ультразвукового контроля высокочастотной сварки труб // Современные магнитные и электромагнитные методы и приборы неразрушающего контроля: Тез.докл.республ.конф. - Челябинск, 1988. - С. 26.

42.Куликов В.П., Гарышев А.П. Локализация причин брака по операциям и установкам в сложном технологическом процессе // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 1989, № 2. - С. 83-88.

43.А.С. 1460697 СССР, МКИ О 01 № 29 / 04. Ультразвуковой эхо-импульсный дефектоскоп / В.П.Куликов, С. Ф. Мельников, В.В.Карпович и др. - Заявлено 27.07.87; Опубл. 23.02.89, Бюл.№ 7. - ЗС.

44.Куликов В.П., Белягов А.М., Гарышев А.П. Расчет намагничивающих устройств для дефектоскопии II Дефектоскопия. - 1989, № 2. - С. 3-11.

45.А.с. 1099267 СССР, МКИ в 01 № 27 / 85. Устройство для магнитографического контроля сварных швов / В.П.Куликов, А.М.Белягов, В.А.Троицкий и др. - Опубл. 28.07.84, Бюл. № 23. - 2с.

46.Автоматизированная установка для магнитографического контроля продольных сварных швов / В.П.Куликов, А.М.Белягов, В.А.Троицкий и др. - Дефектоскопия. - 1989. - № 1. - С. 88-90.

47.Куликов В.П., Мельников С.Ф., Карпович В.В. Цифровой эхо- импульсный дефектоскоп. - Могилев, БелНИИНТИ, 1989. - С. 2.

48.Куликов В.П. Разработка способа УЗК сварных соединений и микропроцессорного устройства определения типа дефекта // Проблемы управления качеством: Тез. докл. научн. - техн.конф. - Свердловск, 1989.-С. 15.

49.А.С. 1473929 СССР, МКИ В23К13 / 00. Способ автоматического управления режимом высокочастотной сварки / В.П.Куликов и др. - Заявлено 27.07.87; Опубл. 23.04.89, Бюл.№ 15. - Зс.

50.Куликов В.П., Белягов А.М., Гарышев А.П. Расчет трехмерных магнитных полей для целей магнитной дефектоскопии // Неразрушающие методы контроля: Тез.докл. ХГ1 Всесоюз.конф.. - Свердловск, 1990. - С. 66.

51.Куликов В.П., Мельников С.Ф., Карпович В.В. Использование ультразвукового контроля для распознавания дефектов высокочастотной сварки труб // Неразрушающие методы контроля: Тез.докл.научн.-техн. конф. - Свердловск, 1990. - С. 38.

52.Куликов В.П., Мельников С.Ф. Карпович В.В. Система распознавания дефектов высокочастотной сварки // Совершенствование существующих и создание новых ресурсосберегающих технологий: Тез.докл.республ.научн.-техн.конф.-Могилев, 1991.-С. 27.

53.Куликов В.П., Белягов A.M., Карпович В.В. Малогабаритный трансформатор для ручной дуговой сварки .11 Экология и ресурсосбережение: Тез. докл. республиканской конференции. Могилев, 1993 С 26.

54. Воронков C.JL, Куликов В.П. вопросы выбора испытаний сварочных трансформаторов.// Проблемы качества и надежности в машиностроении: Тез. докл. республиканской конференции. Могилев, 1994 С18.

55.A.C. 1750767 СССР. МКИ В21С37 / 00. - Устройство для регистрации допустимой величины грата / В.П.Куликов и др. - Заявлено 30.05.90; Опубл. 1.04.92, Бюл.Хд 28. - Зс.

56.Куликов В.II. Разработка информационно-измерительного комплекса контроля и управления качеством при высокочастотной сварке труб // Неразрушающий контроль в науке и индустрии: Тез.докл. Российский с международным участием конференции. - Москва, 1994. 69-72с.

57.Шарова A.M., Куликов В.П., Синица М.А. Исследование и разработка магнитографического дефектоскопа с дефектометрическими свойствами // Неразрушающий контроль в науке и индустрии: Тез.докл. Российской с международным участием конф. - М., 1994. - С. 93.-95.

58.Куликов В.П., Новиков Д.Л. О возможности контроля точечных соединений по остаточной намагниченности // Современные методы и средства электромагнитного контроля и их применение в промышленности: Тез.докл.межвуз.научн.-техн.конф. стран СНГ. Могилев, 1995.-С.27

59.Куликов В.П., Информационно-активный контроль как направление развития дефектоскопии // Современные методы и средства электромагнитного контроля и их применение в промышленности: Тез. докл. межвуз. научн.-техн.конф. стран СНГ. Могилев, 1995.-С.6

60. Куликов В.П. Технология оборудования сварки плавлением; Могилев, ММИ, 1993.-24С.

Рэзюме.

Кулжау Валерый Пятров1ч.

"Слстэмы, метады 1 сродт ацэню стану 1 забяспячэння стабшьнасщ тэхналапчных працэсау дугавой, кантактнай I высокачастотнай зварю на выснове неразбуральнага каптролю".

Зварка, тэхналапчны працэс, юраванне, неразбуральны кангроль, карэкцыя рэжымау, якасць.

Аб'ектам даследаванняу у дыартацьп з'яуляюцца тэхналапчныя пра-цэсы дугавой. кантактнай 1 высокачастотной зварм.

Мэтай працы з'яуляецца тэарэтычнае абагульненне 1 развщце прабле-мы к1раЕання зварачным1 тэхналапчным! працэсам1 на выснове неразбуральнага каптролю, стварэннс астэм, метадалогн 1 сродкау карэкцьи пара-метрау тэхналапчных працэсау, дугавой4 кантактнай 1 высокачастотнай зварю па характэрыстыкам дэфектау 1 рашэнне на гэтай выснове важных народнагаспадарчых задач на павышепню якасш зварных канструкцый.

У дысертацьп развит навуковы напрамак 1 створана канцэпцыя юра-вання тэхналапчным1 працэсам1 зваркл на аснове актыунага неразбуральнага кантроля якасш зварных злучэнняу. Прапанавана структура будавання сютэм юравання, распрацаваны правшы аргатзацьп адваротных сувязяу, абгрунтована ступень абагульиення уваходных 1 выходных параметрау аст-эмы. Распрацаваны прынцыпы структурнага мадэл1равання працэса утвар-эння зварачных дэфектау 1 створана абагульненная мадэль, дазваляючая звя-заць стан тэхналапчнага працэса з верагоднасццю узшкнення у зварных злучэннях дэфектау таго або ¡ншага тыпа.

Прапанованы спосабы, матэматычныя прыемы 1 алгарытмьг пошуку прычын разладю тэхналапчных працэсау звари па вышкам кантролю. Пра-ведзены разлт, дазваляючыя адгулыпць прадстаулення аб выяуленш дэфектау разным! метадам11 аптым1заваць прылады дэфектаскапн.

Створаны сютэмы юравання тэхналапчным) працэсам1 высокачастотнай. дугавой 1 кантактнай зварю на аснове ультрагукавога, рэнтгенаускага 1 мапйтаграф1чнага кантролю. Распрацаваны тэхшчныя сродю кантролю 1 юравання, рэал^заваныя у прамысловасщ на 12 прадпрыемствах краш СНД.

Резюме.

Куликов Валерий Петрович.

"Системы, методы и средства оценки состояния и обеспечения стабильности технологических процессов дуговой, контактной и высокочастотной сварки на основе неразрушающего контроля".

Сварка, технологический процесс, управление, неразрушаюший контроль, коррекция режимов, качество.

Объектом исследований в диссертации являются технологические процессы дуговой, контактной и высокочастотной сварки.

Целю работы является теоретическое обобщение и развитие проблемы управления сварочными технологическими процессами на основе неразрушающего контроля, создание систем, методологии и средств коррекции параметров технологических процессов дуговой, контактной и высокочастотной сварки по характеристикам дефектности и решение на этой основе важных народнохозяйственных задач по повышению качества ответственных сварных конструкций.

Предложена структура построения систем управления, разработаны правила организации обратных связей, обоснована степень обобщения входных и выходных параметров системы. Разработаны принципы структурного моделирования процесса образования сварочных дефектов и создана обобщенная модель, позволяющая связать состояние технологического процесса сварки с вероятностью возникновения в сварном соединении дефектов того или иного типа.

Предложены способы, математические приемы и алгоритмы поиска разладки технологических процессов сварки по результатам контроля. Проведены расчеты, позволившие обобщить представления о выявляемое™ дефектов различными методами и оптимизировать устройства дефектоскопии.

Созданы системы управления технологическими процессами высокочастотной, дуговой и контактной сварки на основе ультразвукового, рентгеновского и магнитографического контроля. Разработаны технические средства и управления и контроля, реализованные в промышленности на 12 предприятиях стран СНГ.

SUMMARY

Kulikov Valery Petrovich

'Systems, methods and means for the slate appreciation and the provision for manufacturing stability of arc, resistance and high-freguency welding processes based on nondestructive testing'.

Key words: welding, manufacturing process, control, nondestructive testing, regime correction, guality.

Manufacturing processes of arc, resistance and highfreguency are the object of the research work in the dissertation.

Theoretical generalisation and the problem of welding processes control based on the nondestructive testing, the development of sustems,' methods and means of correction of the parameters of the arc, resistance and high-freguency welding using the characteristics of defects and the solution of important national economic tasks for increasing the guality of crucial welding structures are the purpose of the thesis.

The structure of the control sustems design is offered, the rules of feedback organisation are developed.

Principles of structural modelling of the welding ilaws formation process are developed and a generalised model enabling to find connections between the manufacturing welding process state and the probability for originating joint flaws of this or that type is developed.

Methods, mathematical techniques and algorithms for the search of non-adjustment of welding processes on the basis of the testing results are offered. Calculations have been made, which enabled generalisation to be made on flaw revelation by different methods and flaw defectors la be optimised.

Systems for the Control of high-frequency, arc and resistance welding on the basis of the ultra-sound, x-ray and magnetographic testing are developed. Engineering devices and control systems are developed and installed in industry at 12 enterprises of the CIS.