Управление процессами и диагностика контактной сварки в условиях массового производства

A. H. Анциборов, Э. А. Гладков, А. С. Климов









                УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ И ДИАГНОСТИКА КОНТАКТНОЙ СВАРКИ В УСЛОВИЯХ МАССОВОГО
                ПРОИЗВОДСТВА




Монография


















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.791.76
ББК 34.641
    А74


Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой современных методов сварки и контроля конструкций Уфимского государственного авиационного технического университета,
директор ООО «Головной аттестационно-сертификационный центр Республики Башкортостан» Атрощенко Валерий Владимирович;
доктор технических наук, профессор кафедры оборудования и технологии сварочного производства Волгоградского государственного технического университета Савинов Александр Васильевич


    Анциборов, А. Н.
А74     Управление процессами и диагностика контактной сварки в условиях
      массового производства : монография / А. Н. Анциборов, |Э. А. Гладков, А. С. Климов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 160 с. : ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-1185-1

         Описаны возмущения при контактной сварке в автомобилестроении, исследовано влияние этих возмущений на качество соединений при различных алгоритмах управления. Выполнен анализ применяющегося оборудования и аппаратуры управления с точки зрения компенсации действующих возмущений. Приведены результаты моделирования и натурных испытаний по исследованию особенностей протекания электрических процессов при сварке в условиях возмущений, предложены методики диагностики оборудования.
         Для научных и инженерно-технических работников, занимающихся оптимизацией технологии и разработкой систем управления контактной сваркой, а также преподавателей и студентов высших технических учебных заведений.

                                                       УДК 621.791.76
                                                       ББК 34.641



ISBN 978-5-9729-1185-1

     © Анциборов А. Н., | Гладков Э. А., | Климов А. С., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

        ОГЛАВЛЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ......................................................5
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.............................8

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ
В УСЛОВИЯХ МАССОВОГО ПРОИЗВОДСТВА.............................9
1.1. Анализ возмущений при контактной сварке..................9
1.2. Компенсация возмущений при контактной сварке............25
1.3. Критический анализ применяемых в массовом производстве регуляторов контактной сварки...................33
1.4. Оптимизация аппаратной части и повышение помехозащищённости систем управления контактной сваркой.............49
1.5. Управление контактной сваркой с использованием математического моделирования.......................................................51
1.6. Выводы по первой главе и формулировка направлений исследования.53

ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ
В УСЛОВИЯХ ВОЗМУЩЕНИЙ...............................................55
2.1. Анализ особенностей различных алгоритмов управления в условиях действия возмущений......................................55
2.2. Особенности управления током при износе электродов......58
2.3. Особенности измерения сварочного тока в условиях массового производства........................................................61
2.4. Особенности управления током на контактных сварочных машинах...70
2.5. Выводы по второй главе.........................................80

ГЛАВА 3. ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЕ КОНТАКТНОЙ СВАРКОЙ В УСЛОВИЯХ ВОЗМУЩЕНИЙ...................................................81
3.1. Методика измерения активной и индуктивной составляющих сопротивления контактных сварочных машин............................81
3.2. Особенности контроля электрического сопротивления машин контактной сварки в массовом производстве...........................92
3.3. Расчётное определение сопротивления участка «электрод-электрод».................................................104
3.4. Обеспечение качества соединений в условиях действия возмущений с учётом электрических параметров контактных сварочных машин........108
3.5. Апробация результатов работы на машине МСМ 503.618.421.113
3.6. Апробация результатов работы на машине МСМ 503.651.421.116
3.7. Выводы по третьей главе................................119

3

ГЛАВА 4. ДИАГНОСТИКА И УПРАВЛЕНИЕ КОНТАКТНОЙ
СВАРКОЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛГОРИТМОВ МАШИННОГО ОБУЧЕНИЯ........................................121
4.1. Диагностика и управление контактной сваркой с применением методов искусственного интеллекта.........................121
4.2. Диагностика качества сварки как задача классификации.124
4.3. Диагностика качества сварки как задача регрессии.....125
4.4. Выбор диагностического признака и формирование обучающей выборки.........................................126
4.5. Применение нейронной сети Хэмминга для построения классификаторов качества сварки...........................131
4.6. Выводы по четвёртой главе............................138
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..............................................139
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................................141

4

        ВВЕДЕНИЕ


    В числе системных проблем, которые стоят перед отечественным производителем, следует отметить высокую степень технического износа и морального устаревания сварочного оборудования, недостаток квалифицированных кадров и низкий инновационный потенциал [300, 301].
    Обеспечение замещения импортной продукции призвано повысить конкурентоспособность отечественной продукции по отношению к продукции западных и азиатских производителей. Необходимость энергосбережения и ресурсосбережения заставляет применять сегментированный подход, предполагающий обоснование выбора первоочередных направлений технологической модернизации. Сварочное оборудование применяется в большом числе промышленных секторов, а сама сварка является неотъемлемым компонентом любого производства. Поэтому улучшение экономической и социальной ситуации в России должно быть начато именно с развития сварочных технологий, поддержки отечественного производителя сварочного оборудования, государственной поддержки научных исследований в области сварки.
    Производительность, отсутствие присадочных материалов, технологичность и возможность автоматизации определяют высокую эффективность контактной сварки в массовом производстве. Основными потребителями оборудования для контактной сварки являются предприятия автомобилестроения, вагоностроения, судостроение и строительная отрасль. Несмотря на возрастающую роль перспективных технологических процессов с использованием высококонцентрированных источников тепла, контактная сварка продолжает занимать лидирующие позиции и сохраняет тенденцию к росту [296, 297].
    Ежегодно в мире в эксплуатацию вводятся десятки тысяч машин для контактной сварки, доля которых в стоимостном выражении составляет порядка 30 % рынка сварочного оборудования [293, 294]. В 2021 году произведено 86 тысяч единиц оборудования для контактной сварки на сумму 1,4 млрд дол. США. К 2025 году ожидается рост до 2 млрд дол. США [295].
    Возможность собственного производства оборудования для контактной сварки позволяет значительно снизить стоимость производимой продукции [298]. В настоящее время российским предприятиям, выпускающим в год лишь несколько сотен контактных машин, предстоит конкурировать не только с европейскими и американскими поставщиками сварочного оборудования, но и c динамично развивающимися азиатскими производствами [299].
    Сборка и сварка кузовов в автомобилестроении отличается высокой степенью механизации и автоматизации, предъявляет повышенные требования к эффективности сварочных процессов и обеспечению гарантированного качества соединений, является главным потребителем инноваций в области сварки и управления сварочными процессами.
    В связи с внедрением новых стандартов качества не допускается использование в товарной продукции деталей транспортного средства после проведения разрушающего контроля даже после ремонта. Все кузова и кузовные детали по-

5

еле разрушающего контроля подлежат списанию и утилизации, что значительно увеличивает материальные затраты на контроль качества. В последнее время мировой производитель автомобилей полностью отказывается от разрушающих способов выборочного контроля качества ввиду его экономической и технологической бесперспективности [126].
    Процессы контактной сварки металлов в большинстве случаев выполняются автоматически, поэтому качество и надежность сварных соединений, в значительной степени, определяются стабильностью работы сварочного оборудования. Уменьшение доли разрушающего контроля может быть достигнуто путём применения достоверных методов неразрушающего контроля и повышения стабильности процесса сварки за счёт применения современной аппаратуры управления.
    Правильное протекание процесса контактной сварки определяется множеством факторов: характеристиками оборудования, управляющими и возмущающими воздействиями (колебание напряжения сети, изменение характеристик сварочного контура, износ электродов, шунтирование сварочного тока, индукционные потери в контуре, особенности поверхности и колебание толщины свариваемых деталей, неоднородность химического состава материалов и т. д.) [1, 2, 3]. Вопросу повышения стабильности качества контактной сварки посвятили свои исследования Ф. А. Аксельрод, Д. С. Балковец, В. С. Гавриш, А. С. Гельман, М. П. Зайцев, К. А. Кочергин, А. Л. Марченко, Б. Д. Орлов, Н. В. Подола, П. М. Руденко, А. А. Урсатьев, А. А. Чакалев, П. Л. Чулошни-ков, S. A. Gedeon, T. W. Eagar, K. I. Johnson, H. S. Cho, D. W. Dickinson и др.
    При правильном выборе параметров режима контактной сварки и неизменных исходных условиях качество соединений определяется, в основном, стабильностью работы оборудования, т.е. постоянством режима в течение всего процесса сварки, а также состоянием рабочей поверхности электродов. Объективный анализ параметров режима сварки гарантирует получение соединений с оптимальными механическими характеристиками. Моделирование тепловых, деформационных и электрических процессов при контактной сварке [4... 18] позволяет прогнозировать качество соединений и задавать оптимальные параметры режима для различных начальных условий процесса.
    Необходимым и достаточным условием получения работоспособных соединений при контактной точечной сварке является построение термодеформационного цикла, обеспечивающего требуемые геометрические размеры литого ядра сварной точки и, в первую очередь, ее диаметр. Аналитическое описание процесса контактной точечной сварки, связывающее диаметр ядра сварной точки с основными параметрами режима сварки, сводит задачу получения стабильного качества сварки к отысканию оптимальных значений этих параметров. Однако недостаточная изученность процесса контактной точечной сварки и большое количество случайных факторов, действующих на процесс сварки, не позволяют получить точного аналитического описания.
    Гарантировать качество контактной точечной сварки в условиях производства можно путем разработки соответствующих систем управления, которые

6

должны реализовывать функции: управление током и усилием сжатия электродов, реализация заданной циклограммы сварки, измерение технологических параметров сварочного процесса, стабилизация или изменение их по заданному алгоритму, хранение и оперативное переключение сварочных режимов, контроль и диагностика как самого электросварочного оборудования, так и системы управления им. В данной области ведут свои разработки известные российские и зарубежные производители сварочного оборудования: ЗАО «Псковэлек-тросвар» (Россия), ЗАО «Электрик-МИКС» (Россия), ОАО «Фирма СЭЛМА» (Россия), «Bosch Rexroth» (Германия), «Welding Technology Corporation» (США), «Dengensha» (Япония), «Spotron» (Япония), «ENTRON Controls» (США) [19...22, 34, 35, 37]. Достигнут существенный прогресс в области компенсации большинства возмущений, однако шунтирование тока и износ сварочных электродов остаются наиболее распространёнными и опасными, сложно поддающимися оценке при существующих способах управления [31, 32, 33].
     Повышение эффективности управления контактной сваркой может быть достигнуто за счёт изучения взаимосвязи тепловых процессов в зоне соединения и электрических процессов в сварочном оборудовании, построения зависимостей, которые могут не только повысить стабильность качества соединений, но и упростить аппаратуру управления за счёт уменьшения количества контролируемых параметров [23.27]. Однако полученные ранее результаты дают положительный эффект лишь в определённом узком диапазоне начальных параметров (материал и толщина свариваемых деталей, характеристики и состояние сварочного оборудования) и действующих возмущений.
     Проведённые исследования [28, 29, 30] показали возможность управления сварочным током и энергией сварки с использованием в качестве обратной связи длительности включенного состояния тиристоров. Это позволяет существенно упростить сварочные регуляторы и повысить их помехоустойчивость.
     Решение проблемы качества контактной сварки требует изучения тепловых процессов в зоне сварного соединения и электрических процессов в сварочной машине, их взаимосвязи, обоснованного выбора обобщённого параметра, характеризующего изменяющееся во времени температурное поле при контактной сварке. Качественная и количественная оценка тепловых процессов по такому параметру требует синтеза новых алгоритмов управления и диагностики, разработки новых подходов к построению аппаратуры управления.
     При модернизации сварочных технологий предпочтение следует отдавать решениям, позволяющим кратно повысить эффективность использования оборудования без повышения затрат на его изготовление и обслуживание [302].
     В данной работе, на основании исследований формирования соединения при контактной сварке в условиях действия возмущений и помех на массовом производстве, предложены методики диагностики сварочного оборудования и меры по компенсации основных возмущений, принятие которых позволяет получить стабильное качество сварки независимо от величины и характера действия возмущений.

7

        УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

и с и Uс  - мгновенное и действующее значения напряжения питающей сети;
и 1 и и 2 - мгновенные значения напряжения на первичной обмотке и вто-
          ричном витке сварочного трансформатора;
i 1 и 11  - мгновенное и действующее значения тока в первичной обмотке
          сварочного трансформатора контактных машин;
i2 и 12   - мгновенное и действующее значения тока во вторичном контуре
          контактных машин;
12к       - действующее значение тока во вторичном контуре в режиме ко-
          роткого замыкания;
Iсв, Fсв и tсв - основные параметры режима сварки: ток сварки, сварочное усилие и длительность сварочного импульса;
rээ и Rээ - динамическое и усреднённое сопротивление участка «электрод-
          электрод»;
R2к и X2К - активное и индуктивное сопротивления контактной машины в режиме короткого замыкания, приведённые к вторичному витку трансформатора;
Z2св и Z2К - полное сопротивление контактной машины, приведённое к вторичному витку трансформатора в режиме сварки и короткого замыкания;
иээ и Uээ - мгновенное и действующее значения падения напряжения на
          участке «электрод-электрод»;
Q ээ      - тепловыделение на участке «электрод-электрод»;
cos<p, еозфк - коэффициент мощности контактной машины в режиме сварки и в режиме короткого замыкания;
Kт        - коэффициент трансформации на выбранной ступени сварочного
          трансформатора контактной машины;
а и X     - углы открытия и проводимости сварочных тиристоров;
ki        - коэффициент регулирования сварочного тока.

8

Глава 1


        ОСОБЕННОСТИ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ В УСЛОВИЯХ МАССОВОГО ПРОИЗВОДСТВА

        1.1. Анализ возмущений при контактной сварке

    В ходе контактной точечной сварки должно быть сформировано соединение с заданными геометрическими размерами и свойствами [34...37]. Для этого параметры режима и условия сварки должны обеспечить в свариваемых деталях формирование температурного поля, позволяющего получить заданный объём расплавления и металлургические изменения в металле. Такое оптимальное температурное поле необходимо воспроизводить при каждой сварке.
    Мониторинг и жёсткое программирование основных параметров режима контактной сварки (величина сварочного тока, усилие сжатия электродов, временные промежутки циклограммы сварки) не позволяют этого сделать по ряду причин [1, 2, 3, 38, 39].
    Первой причиной является изменение от партии к партии свойств свариваемых деталей (электро- и теплофизические характеристики, состояние свариваемых поверхностей и толщина листа).
    Второй причиной является изменение основных технологических параметров процесса (ток сварки и усилие на сварочных электродах). В условиях массового производства эти параметры могут существенно отличаться от задаваемых значений из-за скачков давления в пневматической системе машины, падения напряжения питающей сети и по другим причинам.
    Третьей причиной является влияние состояния сварочного оборудования (износ вторичного контура, привода сжатия и сварочных электродов, нагрев вторичного контура) на процесс формирования соединения при контактной сварке. По мере износа элементов контактной сварочной машины происходят монотонные изменения условий формирования соединений, что в большинстве случаев приводит к непроварам. Эти изменения протекают сравнительно медленно: на протяжении одной рабочей смены (износ сварочных электродов, нагрев элементов вторичного контура) или нескольких рабочих смен (износ гибких токоподводов многоэлектродных машин, элементов привода сжатия).
    На формирование соединений также существенно влияют изменения условий сварки (шунтирование тока, изменение полного сопротивления контактных машин), которые нарушают стабильность процесса и являются основными причинами возникновения дефектов.
    В условиях массового производства качество контактной сварки обеспечивается:
    - визуально-измерительным контролем сварных точек [270. 273],
    -     испытанием на расщепление и разрушающим контролем (с использованием молотка и зубила) [271, 273],
    - испытанием на срез [270, 274],

9

    -  макрографическим анализом [273],
    -  ультразвуковым контролем [275, 276],
    -  поддержанием параметров режима сварки [182, 271, 277, 278],
    -  контролем состояния сварочного оборудования [279, 280].
    Детали и узлы отбираются на контроль при отработке новой технологии сварки, в начале каждой смены, после ремонта и наладки технологического оборудования. В течение смены выполняется отбор деталей и узлов на контроль случайной выборкой и по внешним признакам.
    Несмотря на проводимые мероприятия по обеспечению качества контактной сварки, регулярный мониторинг качества сварных соединений ежедневно выявляет появление дефектных соединений. Проводился ультразвуковой контроль 1 % деталей в цехе 42-8 АО «АВТОВАЗ», в котором осуществляется сварка деталей для ВАЗ-2170. Статистика по дефектам представлена в таблице 1.1.


Таблица 1.1
Сведения о дефектах контактной сварки, выявленных в цехе 42-8

Наименование дефекта Март, 2017 Апрель, 2017 Май, 2017
Непровар                1100        1700       1400   
Выплеск                 1800        2700       2100   
Прожог                  180         230         190   

    В числе основных возмущений, нарушающих формирование сварных соединений в условиях массового производства, следует выделить [3, 281, 282]: изменение свойств свариваемых деталей, колебание напряжения питающей сети, износ сварочных электродов, нестабильность усилия сжатия электродов, износ элементов вторичного контура, шунтирование тока.

Изменение свойств свариваемых деталей
    Характер нагрева деталей в ходе контактной сварки зависит от толщины свариваемых деталей, колебание которой может критично сказаться на формировании соединения. Изменение толщины листовых заготовок приводит к изменению их сопротивления, плотности тока в месте формирования сварной точки и отвода тепла в сварочные электроды. Сохранение стабильного качества в этом случае требует комплексной корректировки всех параметров режима сварки (ток, время, усилие на электродах).
    В АО «АВТОВАЗ» сохраняется проблема непроваров при сварке кронштейна поперечной штанги верхнего (деталь 2123-2919124), представленного на рисунке 1.1 и поперечины пола задней (деталь 2123-5101272), представленной на рисунке 1.2. Проявившиеся в ходе эксплуатации дефекты, представленные на рисунке 1.3, становятся причиной ежегодной замены по гарантии нескольких автомобилей. Причиной непроваров в этом случае является частая смена марки материала, усугубленная относительно большой толщиной деталей (3+2 мм).

10

Вместе с изменением марки материала проката поставщик так же часто не укладывается в допуск по толщине листа (отклонения доходят до ±0,3 мм), что влияет на величину сопротивления участка «электрод-электрод».

Рисунок 1.1 - Эскиз кронштейна поперечной штанги верхнего 2123-2919124

Рисунок 1.2 - Эскиз поперечины пола задней 2123-5101272

Рисунок 1.3 - Непровар кронштейна поперечной штанги верхнего на поперечине пола задней авт. 2123

11

    В процессе изготовления листовых заготовок кузова происходит периодическая смена вида покрытия деталей, в частности, двухстороннего электроцин-кового (ЭЦ2) согласно ТУ 1111-068-00186335-2003 [40] на горячецинковое (ГЦ) согласно ТУ 14-101-497-2014 [41], ТУ 14-105-685-2002 [42] и ТУ 14-106438-2002 [43]. Причём от партии к партии изменяется не только вид покрытия, но и толщина покрытия. Установлено, что переход на использование деталей с ГЦ взамен ЭЦ2 затрудняет получение стабильного качества сварки в условиях массового производства. При сварке деталей с ГЦ требуется постоянная корректировка режимов сварки в сторону увеличения тока и длительности его протекания, и повышаются требования к поддержанию значений параметров режима сварки. Выплески обнаруживаются на 3,2.4,8 % точек в зависимости от детали. Непровары в течение смены обнаруживаются на 15.20 кузовах количеством 7.12 точек на кузов. Все дефекты исправляются с проведением дополнительных трудоемких работ.

Колебание напряжения питающей сети
    Размеры ядра сварной точки определяются, главным образом, количеством выделившейся между электродами в ходе сварки теплоты, зависящей, в свою очередь, от напряжения между электродами, пропорционального напряжению питающей сети.
    Номинальное напряжение питающей сети U:>н, подаваемое на вводы контактной машины со стороны первичной обмотки сварочного трансформатора, составляет 380 В (для межфазного подключения) или 220 В (для однофазного подключения). В массовом производстве наблюдается отклонение напряжения сети на холостом ходу U:,хх относительно U:,н в зависимости от загруженности электрической сети предприятия другими потребителями (рис. 1.4-а) и скачкообразное уменьшение напряжения сети во время сварки U:,св относительно U:,хх (рис. 1.4-б), достигающие -25.+15 % от номинального напряжения U:>н.


а)                            б)
Рисунок 1.4 - Осциллограммы тока и напряжения при плавном (а) и ступенчатом (б) уменьшении напряжения


12