Главная » 2014»Сентябрь»27 » Скачать Управление тепловым режимом комбинированного процесса сварки кольцевых соединений технологических каналов. Репкин, Дмитрий бесплатно
08:54
Скачать Управление тепловым режимом комбинированного процесса сварки кольцевых соединений технологических каналов. Репкин, Дмитрий бесплатно
Управление тепловым режимом комбинированного процесса сварки кольцевых соединений технологических каналов
Диссертация
Автор: Репкин, Дмитрий Александрович
Название: Управление тепловым режимом комбинированного процесса сварки кольцевых соединений технологических каналов
Справка: Репкин, Дмитрий Александрович. Управление тепловым режимом комбинированного процесса сварки кольцевых соединений технологических каналов : диссертация кандидата технических наук : 05.13.01, 05.03.06 / Репкин Дмитрий Александрович; [Место защиты: Вят. гос. ун-т] Киров, 2007 141 c. : 61 07-5/4465
Объем: 141 стр.
Информация: Киров, 2007
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
1 УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОННО ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
11 Особенности применения электронно-лучевой технологии для сварки кольцевых соединений
12 Пути совершенствования технологий и улучшения эксплуатационных свойств сварных соединений технологических каналов АЭС
13 Оптимизация теплового режима как способ повышения качества кольцевых сварных соединений
14 Автоматизация управления технологическим процессом электронно-лучевой сварки кольцевых соединений технологических каналов
2 Выводы по главе МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА В КОЛЬЦЕВЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНЯХ
21 Допущения при моделировании теплового процесса в кольцевом сварном соединении
22 Построение математической модели сварки кольцевого соединения f
23 Постановка задачи оптимального управления комбинированным процессом сварки
24 Построение заданного распределения температуры процесса сварки и термообработки ОПТИМАЛЬНОГО РЕ
3 Решение задач оптимального управления тепловым процессом
Выводы по главе ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЖИМА КОМБИНИРОВАННОГО ПРОЦЕССА СВАРКИ
31 Обоснование и выбор исходных данных для численного моделирования
32 Онтимизация пространственно временной структуры источника энергии нри сварке и наплавке
33 Оптимизация теплового релшма термоциклической обработки кольцевых сварных соединений
331 Допущения при моделировании теплового процесса термоциклической обработки
332 Решение задачи оптимизации пространственно-временной структуры объёмного источника энергии при термоциклической обработке
333 Проверка адекватности математической модели объёмного источника применительно к технологической операции термоциклической обработки
34 Определение мощности источника и построение термических циклов комбинированного режима обработки кольцевых сварных соединений
4 Выводы по главе РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОМБИПИРО74 ВАНПЫМ ПРОЦЕССОМ СВАРКИ КОЛЬЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КАНАЛОВ
41 Структурная схема системы управления комбинированным процессом сварки кольцевых сварных соединений
42 Техническая реализация системы управления комбинированным процессом формирования кольцевых сварных соединений
43 Описание работы регуляторов системы управления
431 Расчет стабилизатора тока электронного луча
432 Обеспечение наведения луча на стык с помощью тепловизионного контроля
433 Управление током и формой пятна нагрева на основании анализа тепловизионного изображения
5 Выводы по главе
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО ПРОЦЕССА СВАРКИ КОЛЬЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КАНАЛОВ
51 Разработка технологии комбинированного процесса сварки кольцевых соединений технологических каналов
52 Технологические параметры оптимального комбинированного режима обработки
53 Методика проведения эксперимента формирования кольцевого сварного соединения
54 Экспериментальные исследования оптимального режима комбинированного процесса обработки
6 Выводы по главе ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОЛЬЦЕВЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КАНАЛОВ
61 Анализ свойств кольцевого сварного соединения, выполненного комбинированным процессом сварки
62 Метрологические исследования и металлографические испытания кольцевого сварного соединения
63 Механические и коррозионные испытания кольцевого сварного соединения
64 Выводы по главе ОСНОВНЫЕ
ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Введение:
Основной задачей современного производства является повышение конкурентоспособности производимой продукции. Важнейшими составляющими конкурентоспособности являются качество продукции и её себестоимость. Для ряда изделий ответственного применения качество продукции является преобладающим критерием и на настоящем этапе развития определяется в меньшей степени рациональным выбором конструкционного материала, но в большей степени технологией его обработки. Изделия и оборудование, применяемое в атомной промышленности, в частности, в конструкциях атомных реакторов, относится к изделиям ответственного применения, поэтому для его обработки используются высокотехнологичные методы обработки, гарантирующие заданное качество выпускаемой продукции. Так, для сварки изделий из сплавов химически активных металлов (цирконий, титан, ниобий) в атомной промышленности используется электронно лучевая сварка (ЭЛС) [1-7]. Возможности технологического применения электронно лучевого нагрева изучались с начала XX века, и к 1940 году уже было создано лабораторное оборудование для электронно лучевой плавки и сверления, с середины XX века (1957 г.) начинается активное исследование и внедрение метода электронно лучевой сварки. Развитие технологии было вызвано бурным развитием ядерной энергетики и космической техники [3]. Электронный луч как технологический инструмент позволяет осуществить нагрев, сварку, наплавку, испарение, размерную обработку и ряд других технологических операций. Такая универсальность электронного луча дает возможность использовать одно и то же оборудование сразу для нескольких операций единого технологического процесса производства продукции, то есть применять комбинированный технологический процесс электронно лучевой обработки [3, 8-16, 30]. Современной альтернативой электронно лучевой технологии является лазерная обработка материалов. Её достоинствами являются высокая плотность мощности в пятне нагрева, однако в стандартном исполнении лазерная технология не имеет вакуумной защиты зоны обработки, а таклсе более сложную управляемость геометрическими параметрами луча ввиду наличия оптико-механических фокусирующих систем с ограниченной надежностью и быстродействием, низкий КПД. Электронно лучевые технологические процессы протекают в вакууме, поэтому они экологически чисты и технически безопасны. Высокая концентрация энергии в электронном пучке, локальность нагрева, минимальные деформации изделия, вакуумная защита зоны обработки, простая управляемость энергетическими характеристиками пучка электронов и высокий КПД определили дальнейшее развитие электронно лучевых технологий [1-3,8,9]. Однако электронно лучевая сварка имеет ряд недостатков, к которым относятся необходимость точной подготовки свариваемых изделий, дороговизна и сложность применяемого оборудования, длительность подготовительных технологических операций ввиду необходимости вакуумирования, трудность правильного выбора режима сварки, слежения за технологическим процессом и достоверного контроля его параметров, необходимость защиты от рентгеновского изл)ения. Поэтому технологическая и экономическая эффективность электронно лучевых технологий, для которых характерны значительные капитальные и малые эксплуатационные затраты, высокая наукоёмкость производства и хорошие условия труда персонала, наиболее высока при соединении тугоплавких, химически активных металлов и сварке толстостенных конструкций [2,3, 8,9]. Современное электронно л)евое оборудование отличается шенными значениями таких важнейших параметров, как выходная мощность луча, высокая степень вакуумной защиты (давление в камерах 10 10" Па, хотя полная защита от окисления достигается при давлении 1.33Па), прецизионное координатное оборудование, увеличенный срок службы [1, 3, 31]. В то же время существует трудность внедрения этого оборудования, так как системы управления обеспечивают лищь узкий спектр функций, в основном ограниченный прямым программным управлением без обратной связи, а также отсутствием универсальных методов расчета управляюш,его воздействия для технологических операций. Тепловой процесс в реальном изделии описывается системой с распределёнными параметрами, важнейшим из которых является температура, поэтому решение поставленных проблем может быть достигнуто разработкой универсальной комплексной системы управления, которая реализует методы управления системами с распределёнными параметрами и обеспечивает полное управление технологическим процессом с контролем всех важнейших параметров [17-19]. Совершенствование технологии производства и выбор режимов обработки является трудоёмкой задачей, так как требует проведения большого количества экспериментов. Оптимальное управление программа или параметры режима обработки могут быть наиболее точно, рационально и сравнительно дёшево получены лишь путем математического моделирования технологического процесса с обязательной многокритериальной оптимизацией режимов. Это позволяет формализовать и ускорить решение задачи за счет использования высокопроизводительной вычислительной техники и сокращения затрат на выполнение натурных экспериментов. Однако при электронно-лучевой сварке конструкций из сплавов циркония даже на оптимальных режимах не удается достичь требуемых эксплуатационных свойств сварного соединения, в первую очередь механической прочности и необходимой коррозионной стойкости. Поэтому для обеспечения комплекса необходимых свойств сварных соединений, к которым предъявляются повышенные требования по качеству, после ЭЛС проводят длительный отжиг или ступенчатую термообработку, или применяется более сложная термомеханическая обработка, включающая циклы холодной пластической деформации металла в зоне сварного соединения (обкатка роликами) и последующий отжиг в печи. Для проведения таких видов термической и термомеханической обработки сварного соединения в печах требуется специальное энергоёмкое крупногабаритное оборудование, а технологический процесс изготовления технологических каналов реакторов является трудоемким и продолжительным. В настоящее время существуют способы улучшения механических и коррозионных свойств металлов и сплавов с помощью термоциклической обработки, заключающейся в периодическом нагреве и охлаждении металла [21, 22]. Термоциклическая обработка является менее энергоёмкой и длительной операцией по сравнению с отжигом, кроме того, в использование термоциклической обработки позволяет отказаться от холодной пластической деформации и в несколько раз уменьшить время традиционной печной обработки [21, 22, 32]. Решающим преимуществом, определяющим применение предложенной операции, является то, что термоциклическую обработку можно эффективно выполнять на том же оборудовании, что и ЭЛС, причем за более короткое время, чем печное вакуумное термоциклирование. Известно, что после нескольких циклов термообработки, заключающихся в нагреве и охлаждении изделий до заданных температур, микрокристаллическая структура шва и ЗТВ не уступает, а в некоторых случаях превосходит структуру, полученную при печной термообработке [21-23]. Таким образом, в работе предложено применить для производства кольцевых сварных соединений технологических каналов атомных электрических станций (АЭС) комбинированный технологический процесс, включающий ЭЛС и локальную электронно лучевую термоциклическую обработку (ЭЛТЦО). Целью данной работы является повышение эффективности и сокращение энергоёмкости производства технологических каналов реакторов АЭС путём применения методов оптимизации систем с распределёнными параметрами и совершенствования технологии формирования сварных соединений.в соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие задачи: 1. Систематизация технологических операций и методов обработки материалов концентрированными потоками энергии (излучение лазера, пучок электронов), обеспечивающих повышение качества кольцевых сварных соединений технологических каналов АЭС. 2. Разработка и обоснование математической модели формирования кольцевых сварных соединений при воздействии концентрированного подвижного источника энергии в технологических операциях сварки, направки и локальной электронно лучевой термоциклической обработки, 3. Реализация методов оптимизации теплового режима обработки кольцевых сварных соединений электронным пучком для операций электронно лучевой сварки, наплавки и локальной термической обработки. 4. Расчет оптимальных параметров и выбор режима оптимального управления комбинированным процессом формирования кольцевого сварного соединения. 5. Разработка структуры и алгоритмов работы системы управления комбинированным процессом сварки и локальной термоциклической обработки кольцевых сварных соединений с обратной связью по температуре. 6. Исследование механических, коррозионных свойств кольцевых сварных соединений, выполненных по комбинированной технологии сварки, и металлографические исследования структуры металла сварного шва и зоны термического влияния. Для решения поставленных задач используются методы теории теплопроводности, математического и численного моделирования, методы оптимального управления системами с распределёнными параметрами, методы идентификации объектов и систем управления, металлографические методы, методы неразрушающего и разрушаюшего контроля.Научная новизна работы 1. Проведённая систематизация методов обработки и технологических онераций обосновывает необходимость применения операции ЭЛТЦО, что позволяет исключить трудоёмкую механическую обработку обкатку роликами, и сократить длительность вакуумного отжига в печах при формировании кольцевых сварных соединений изделий ответственного применения. 2. Доказано эффективное влияние оптимального теплового режима обработки на микрокристалличесгдто структуру металла сварного шва и зоны термического влияния, и, как следствие, на экснлуатационные свойства изделий. 3. Построенная математическая модель теплового процесса позволила сформулировать и решить задачу оптимизации теплового режима каждой технологической операции комбинированного процесса сварки кольцевых соединений каналов АЭС. 4. На основании предложенной методики комбинированного процесса составлен сложный термический цикл формирования кольцевого сварного соединения, построено заданное распределение температуры и предложен метод численного моделирования оптимальных параметров режима технологических операций комбинированного технологического процесса. 5. Разработанные алгоритмы оптимального управления комбинированным технологическим процессом сварки обеспечивают непрерывный контроль во время формирования кольцевого сварного соединения и управление температурным режимом обработки. Практическая ценность работы заключается в следующем: 1. Предложена технология комбинированного процесса формирования кольцевого сварного соединения, позволяющая по сравнению со штатной технологией улучшить эксплуатационные (коррозионные и механические) свойства технологических каналов АЭС, повысить производительность труда, снизить энергоёмкость и себестоимость выпускаемой продукции, уменьшить влияние квалификации персонала на качество изделий. 2. На основе метода решения обратной задачи теплопроводности получен метод оптимизации параметров режима сварки, наплавки и термоциклической обработки применение которого увеличивает точность получения технологических параметров процесса формирования кольцевых сварных соединений и уменьшает количество экспериментов для отработки режимов. 3. Благодаря применению оптимальных релшмов обработки сокрашена длительность и уменьшена энергоёмкость процесса, за счет отказа от механической обработки обкатки роликами уменьшена номенклатура используемого оборудования, улучшены эксплуатационные характеристики продукции. 4. Автоматизация процесса управления последовательностью технологических операций в вакуумной камере позволяет повысить производительность труда оператора электронно лучевой установки. Замкнутость системы управления по температуре обеспечивает повторяемость технологических параметров режима обработки. 5. Предложен способ построения систем управления с обратной связью по температуре и предварительной оптимизацией температурного режима обработки, применимый для построения систем управления любыми тепловыми процессами. 6. Повышена достоверность расчета режимов комбинированной технологии сварки и локальной термической обработки кольцевых сварных соединений труб 088x4 из сплава Э125, применяемых в технологических каналах реакторов РБМК. Результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: 1. Всероссийская ежегодная научно-техническая конференция «Паука, производство, технология, экология», г. Киров, ВятГУ, 2003 г.Всероссийская ежегодная научно-техническая конференция «Наука, производство, технология, экология», г, Киров, ВятГУ, 2004 г, 3. Международная научно-техническая интернет конференция «Компьютерные технологии в соединении материалов», г. Тула, 2004 2005 гг. 4. Всероссийская ежегодная на)но-техническая конференция «Наза, производство, технология, экология», г, Киров, ВятГУ, 2005 г. 5. Международная конференция «Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах», международная конференция «Компьютерные технологии в сварке и производстве», г. Киев, 2006 г. 6. Всероссийская ежегодная научно-техническая конференция «Наука, производство, технология, экология», г, Киров, ВятГУ, 2006 г, 7. Международной конференции «Лучевые технологии и применение лазеров», г, Нетербург, 2006 г, 8. Конференция с международным участием «Сварка Урала 2006», г. Екатеринбург, 2006 г. 9. Всероссийская ежегодная научно-техническая конференция «Наука, производство, технология, экология», г. Киров, ВятГУ, 2007 г. Диссертация состоит из шести глав. В первой главе рассматриваются особенности применения электронно лучевой технологии для производства и обработки кольцевых сварных соединений, пути повышения качества выпускаемой продукции с помощью изменения технологии обработки и оптимизации температурного режима, а также описываются способы автоматизированного управления процессом электронно лучевой обработки. Вторая
