Управление тепловым режимом комбинированного процесса сварки кольцевых соединений технологических каналов

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 также 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 вакуумирова-ния, трудность правильного выбора режима сварки, слежения за технологическим процессом и достоверного контроля его параметров, необходимость защиты от рентгеновского излучения. 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 — лучевое оборудование отличается улучшенными значениями таких важнейших параметров, как выходная мощность.

2 5 | 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 лишь узкий спектр функций, в основном ограниченный прямым программным управлением без обратной связи, а также отсутствием универсальных методов расчета управляющего 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 разрушающего контроля.

Научная новизна работы.

1. Проведённая систематизация методов обработки и технологических операций 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 микрокристаллическую структуру металла сварного шва и зоны термического влияния, и, как следствие, на эксплуатационные 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 режимов обработки сокращена 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 088×4 из сплава Э125, применяемых в технологических каналах реакторов РБМК.

Результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

1. Всероссийская ежегодная научно-техническая конференция «Наука, производство, технология, экология», г. Киров, ВятГУ, 2003 г.

2. 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 научно-техническая конференция «Наука, 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. С. Петербург, 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 глава посвящена построению математической модели сварки и локальной термоциклической обработки кольцевого сварного соединения, здесь же рассмотрен алгоритм поиска оптимального управления тепловым процессом на базе предложенной математической модели.

В третьей главе приводятся заданные технологические параметры режимов сварки, наплавки и термической обработки кольцевых сварных соединений, выбираются заданные распределения температуры для данных операций и выполняется численный расчет параметров режима.

Четвертая глава посвящена определению структуры, описанию работы и исследованию параметров системы управления комбинированным процессом сварки кольцевых сварных соединений с обратной связью по температуре.

В пятой главе изложена предлагаемая комбинированная технология формирования кольцевых сварных соединений технологических каналов АЭС, приведены параметры режимов обработки, указано необходимое технологическое оборудование, описан алгоритм проведения эксперимента.

Шестая глава посвящена описанию методики и анализу результатов исследования металлографических, коррозионных и механических свойств кольцевых сварных соединений, полученных с помощью комбинированного режима сварки, и их сравнение с результатами испытаний образцов, полученных по штатной технологии.

6.4. Выводы по главе 6.

Для экспериментального подтверждения высоких эксплуатационных параметров и характеристик кольцевых сварных соединений, была выполнена серия натурных экспериментов, результаты которых следующие:

1. Метрологические исследования всех образцов, полученных как по штатной, так и предложенной комбинированной технологии, практически аналогичны и соответствуют всем требованиям нормативно-технической документации к изделиям ответственного применения.

2. Результаты металлографических испытаний показали, что применение ЭЛС и наплавки с оптимальной формой источника энергии и ЭЛТЦО позволяют получить микрокристаллическую структуру сварного шва и термического влияния, максимально близкую к структуре основного метала, т. е. существенно приблизить эксплуатационные характеристики сварного шва и околошовной зоны к характеристикам основного металла изделия.

3. Применение комбинированного технологического процесса не позволяет полностью исключить операцию вакуумного отжига, так как ухудшаются результаты металлографических исследований, механические и коррозионные свойства, но позволяет сократить его длительность в два раза при сохранении всех эксплуатационных характеристик.

4. Наилучшие механические, коррозионные характеристики и результаты металлографических исследований показал технологический вариант обработки, включающий ЭЛС и наплавку оптимальным источником, ЭЛТЦО за семь циклов и вакуумный отжиг в течение 5 часов при температуре 580 °C.

5. Уменьшение количества циклов ЭЛТЦО в комбинированном технологическом процессе относительно семи существенно ухудшает эксплуатационные свойства кольцевых сварных соединений.

6. Применение ЭЛТЦО позволило исключить операцию обкатки роликами и сократить длительность печной обработки, что увеличивает производительность изготовления технологических каналов и снижает энергетические затраты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения диссертационной работы разработан подход к обеспечению заданного качества кольцевых сварных соединений, в том числе их микрокристаллической структуры, с помощью решения задачи оптимального управления тепловым режимом обработки как системой с распределёнными параметрами. Основным итогом диссертации является решение научно-технической задачи разработки комбинированного технологического процесса сварки кольцевых сварных соединений, применяемых в изделиях ответственного назначение, и обоснование технологических параметров режимов обработки.

Основные научные результаты:

1. Выполнен анализ существующей технологии формирования кольцевых сварных соединений технологических каналов АЭС, исследованы пути совершенствования технологии и улучшения эксплуатационных свойств данных изделий ответственного применения. Установлено, что качество сварных соединений можно повысить применением оптимальных тепловых режимов обработки и повышением эффективности отдельных технологических операций комбинированного процесса формирования сварного соединения.

2. Разработаны и обоснованы математические модели оптимальных тепловых процессов технологических операций электронно-лучевой сварки, наплавки и ЭЛТЦО кольцевых сварных соединений технологических каналов. Показано, что в режиме ЭЛТЦО с достаточной точностью может быть применена математическая модель объемного источника энергии.

3. На основании метода решения обратной задачи теплопроводности и теории оптимального управления системами с распределёнными параметрами поставлена и решена задача оптимизации пространственно-временной структуры источника энергии, которая позволяет по заданным свойствам сварного соединения определить режим его обработки.

4. Для обеспечения заданной микрокристаллической структуры построен сложный термический цикл комбинированного процесса обработки, получены заданные распределения температуры для каждой технологической операции и предложен численный метод получения оптимальных параметров режима обработки.

5. Разработана и реализована схема системы управления комбинированным технологическим процессом формирования кольцевых сварных соединений, выполняющая поддержание оптимального температурного режима обработки для всех технологических операций и автоматическое наведения пятна нагрева на стык или сварной шов. Обеспечение заданных параметров качества управления в системе достигается за счет предварительной оптимизации управляющего воздействия и оперативного тепловизионного контроля области обработки.

6. Установлено, что требуемые эксплуатационные характеристики изделия, обусловленные микрокристаллической структурой металла сварного шва и зоны термического влияния, могут быть получены применением электронно — лучевой локальной термоциклической обработки вместо операции механической обработки (обкатки роликами) при уменьшении в 2 раза длительности штатной печной обработки — вакуумного отжига.

Практические результаты работы:

1. Разработана методика комбинированного технологического процесса формирования кольцевых сварных соединений технологических каналов АЭС, исключающая операции механической обработки — обкатки роликами и в 2 раза сокращающая длительность вакуумного отжига в печи.

2. Получены численные значения технологических параметров (пространственно-временной структуры, интенсивности источника энергии, скорости обработки) обеспечивающие оптимальный тепловой режим в кольцевых сварных соединениях и позволяющие улучшить эксплуатационные характеристики изделий.

3. Внедрение предложенного комбинированного процесса сварки вместо штатной технологии позволяет в 2 раза увеличить производительность труда, в 2−3 раза сократить энергоёмкость производства, отказаться от использования оборудования для механической обработки и снизить требования к квалификации операторов электронно — лучевых установок.

4. Автоматизация управления комбинированным процессом формирования кольцевых сварных соединений технологических каналов АЭС с помощью системы управления, использующей результаты предварительной оптимизации режимов обработки и оперативный тепловизионный контроль, позволила стабилизировать качество готовой продукции и повысить эффективность производства.

5. Результаты металлографических, коррозионных и метрологических исследований показывают, что после ЭЛС и наплавки оптимальным источником, семи циклов ЭЛТЦО и вакуумного отжига в течении 5 часов при температуре 580 °C в кольцевых сварных соединениях технологических каналов АЭС микрокристаллическая структура зон сварного шва и термического влияния приближается к структуре основного металла изделия, метрологические параметры и механические характеристики изделий полностью соответствуют изделиям, выполненным по штатной технологии или превосходят её, а коррозионные свойства изделий существенно улучшаются.

6. Полученные теоретические и практические результаты могут быть использованы для дальнейшего развития технологий обработки материалов концентрированными потоками энергии при производстве изделий ответственного назначения с повышенными требованиями к качеству сварных соединений.