УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКИ ПРОФИЛЯ ТИПА "РЕБРО-ПОВЕРХНОСТЬ"

Настоящая полезная модель относится к технологии изготовления сварных изделий, имеющих протяженную поверхность с привариваемыми ребрами, в частности, к технологии изготовления оребренных труб и других изделий, которые, преимущественно, могут найти применение при изготовлении теплообменных аппаратов.
Известно изобретение по авторскому свидетельству СССР №189087, кл. В23К 13/00, 1965, выданное на способ регулирования процесса высокочастотной сварки труб. Из описания и анализа этого изобретения следует, что оно может быть реализовано посредством устройства для автоматической сварки токами высокой частоты (ТВЧ), в том числе и профиля типа ″ребро-поверхность″. В этом устройстве имеется датчик давления. Он снимает сигнал, пропорциональный давлению в сварочном калибре, которым прижимают ребро к поверхности, например, листа, в точке их схождения при достижение в ней требуемой температуры сварки. Эта температура достигается под действием ТВЧ, подаваемых через генераторы ТВЧ на токоподводы, расположенные до точки схождения на ребре и поверхности. Сигнал с датчика сравнивается с заданным в генераторе ТВЧ и по их разности производится изменение режима работы генераторов ТВЧ и соответствующее управление режимами сварки.
Известно изобретение по авторскому свидетельству СССР №200060, кл. В23К 13/02, 1966, выданное на способ автоматического регулирования процесса электронагрева, преимущественно при радиочастотной сварке кабельных оболочек и труб. Из описания и анализа этого изобретения следует, что оно может быть реализовано посредством устройства для автоматической сварки ТВЧ, в том числе и профиля типа ″ребро-поверхность″. В этом устройстве есть фотометрический датчик, который дистанционно измеряет температуру очага расплавления в точке схождения ребра и поверхности. Причем при любых изменениях температуры и его размеров очаг остается в области визирования упомянутым фотометрическим датчиком. Сигнал с этого датчика сравнивается с эталонной величиной и в зависимости от их разности через канал усиления воздействуют на источник питания, например, генератор ТВЧ, изменяя мощность излучения, подводимую к нагревательным устройствам, например, токоподводам, воздействующим на нагрев ребра и поверхности в точке их схождения. Таким образом, в качестве управляющего сигнала используют интегральное излучение из очага расплавления.
Аналогичный подход к созданию устройства для автоматической сварки токами высокой частоты профилей типа ″ребро-поверхность″ имеет место и при реализации изобретений по авторским свидетельствам 287722, кл. В23К 13/02, 1972; 346055, кл. В23К 13/00, 1972; 935228, кл. В23К 13/00, 1982.
Недостатком этих подходов к созданию устройств для автоматической сварки токами высокой частоты профиля типа ″ребро-поверхность″ является то, что на практике трудно достигается высокое качество сварного соединения из-за сложности в оптимизации режимов сварки (скорости сварки, угла схождения, геометрических параметров, мест расположения концентратора и токоподводов и др.) в зависимости от геометрических теплофизических параметров свариваемых ребра и поверхности (толщин, физических свойств материалов и др.). Поэтому дальнейшее развитие сварки ТВЧ профиля типа ″ребро-поверхность″ идет по пути поиска конкретных условий достижения указанного оптимального соотношения.
Известен ″Способ высокочастотной сварки профилей типа поверхность-ребро″ (см. патент №2105647, МПК В23К 13/01; В23К 101:08, опубл. 27.02.1998). При его реализации, как отмечается в его описании, используется устройство для автоматической сварки профиля типа ″ребро-поверхность″. Это устройство содержит подвижный кондуктор с двигателем, при этом кондуктор выполнен с возможностью позиционирования детали и на ее поверхность осуществлять приварку ребра, элемент силового прижима, установленный с возможностью его расположения над точкой схождения ребра с поверхностью детали и выполненный с возможностью силового давления на ребро в точке схождения при сварке, генераторы ТВЧ с токоподводами для предварительного нагрева ребра и поверхности детали, механизм подачи ребра в точку его схождения с поверхностью листа, установленный с возможностью его размещения в створе между упомянутыми ребром и поверхностью. При этом токоподвод к ребру расположен на расстоянии от точки схождения, определяемым в зависимости от толщины ребра, а токоподвод на поверхности - в зависимости от параметров детали и установки токоподвода на ребре.
Это известное техническое решение выбирается в качестве прототипа, так как оно имеет наибольшее число общих существенных признаков, совпадающих с заявляемой полезной моделью.
Как известно, температурные условия процесса сварки ТВЧ зависят от многих факторов, определяющими из которых являются: частота сварочного тока, мощность источника питания, скорость сварки, угол схождения элементов, толщина и длина токоподводов, дополнительного элемента, создающего ЭДС, являющегося, по сути, концентратором теплового поля, геометрия и теплофизические свойства материалов свариваемых ребра и поверхности. Обычно в реальных условиях возможности вариаций таких параметров как частота сварки, угол сведения элементов, скорость сварки в непрерывном процессе достаточно жестко определяются имеющимся оборудованием. Параметры ребра и поверхности, как-то: толщина и материал также являются заданными в каждом конкретном случае. Таким образом, для каждого конкретного случая при поиске оптимальных режимов процесса приходиться искать сочетание таких параметров как, например, длина ребра, длина элемента, обеспечивающих предварительный нагрев, в зависимости от заданных других условий. Это сильно затрудняет осуществление автоматической сварки ТВЧ профиля типа ″ребро-поверхность″, а, следовательно, достижения высокой производительности и качества.
Задачей настоящей полезной модели является модернизация известного устройства для автоматической сварки ТВЧ профиля типа ″ребро-поверхность″ с достижением следующего технического результата, а именно, обеспечение высокого качества сварки профиля типа ″ребро-поверхность″ с одновременной автоматизацией этой сварки с учетом многих параметров, постоянно меняющихся как у ребра, так и у поверхности и повышением производительности изготовления упомянутого профиля.
Поставленная задача решена за счет того, что в известное устройство для автоматической сварки профиля типа ″ребро-поверхность″, содержащее подвижный кондуктор с двигателем, выполненный с возможностью позиционирования детали, при приварке к ее поверхности ребра, элемент силового прижима, установленный с возможностью его размещения над точкой схождения ребра с поверхностью детали и выполненный с возможностью силового давления на ребро в точке его схождения с поверхностью детали при сварке, генераторы ТВЧ с токоподводами к ребру и к поверхности детали, механизм подачи ребра в точку его схождения с поверхностью детали, установленный с возможностью его размещения в створе между упомянутыми ребром и поверхностью, при этом генераторы ТВЧ выполнены с возможностью изменения через токоподводы температуры нагрева в точке схождения ребра и поверхности, СОГЛАСНО настоящей полезной модели, снабжено блоком управления и связанными с ним датчиками температуры, выполненными с возможностью дистанционного измерения температуры, при этом блок управления связан с двигателем подвижного кондуктора, генераторами ТВЧ и введенными датчиками температуры, по меньшей мере, один датчик температуры установлен с возможностью контроля нагрева привариваемого ребра к поверхности детали в точке их схождения, а другие датчики установлены с возможностью дистанционного измерения температуры поверхности перед и после взаимодействующего с ней токоподвода, причем до точки схождения ребра с поверхностью.
Есть вариант, по которому, оно снабжено средством предварительного закрепления привариваемого ребра на поверхности детали в точке фиксации, расположенным рядом с элементом силового прижима над точкой схождения ребра с поверхностью детали.
Такое новое техническое решение всей своей совокупностью существенных признаков позволяет создать устройство для автоматической сварки профиля типа ″ребро-поверхность″, обеспечивающее одновременное достижение следующих технических результатов, а именно:
- повысить качество сварки ТВЧ профиля типа ″ребро-поверхность″ путем оптимизации температуры в точке схождения ребра и поверхности с учетом многих параметров свариваемых элементов, что обеспечивает изготовление из получаемого профиля высококачественных и надежных теплообменных аппаратов;
- увеличить производительность сварки ТВЧ этого профиля, так как упрощается процесс оптимизации нагрева поверхности и ребра в точке их схождения из-за выбора постоянно измеряемого параметра, который учитывает специфические параметры ребра и поверхности и их технологические отклонения, так как температура нагрева чутко реагирует на эти особенности, причем они отслеживаются до точки схождения ребра и поверхности, что отсутствует в прототипе и во многих известных аналогах;
- появилась возможность изменения температуры нагрева в точке схождения ребра и поверхности в зависимости от их параметров путем ее оптимизации по результатам сравнения температур, предварительно измеряемых на поверхности перед токоподводом и после него, располагаемом на ней, при этом оптимизацию температуры в точке схождения получают, изменяя мощность генераторов ТВЧ.
Заявитель провел патентно-информационный поиск, который показал, что заявляемая совокупность существенных признаков не известна. Поэтому предлагаемая полезная модель является новой.
Практическая применимость и техническая сущность заявляемого устройства поясняется ниже приведенным описанием и чертежами.
Фиг.1 - Схема возможного исполнения устройства для автоматической сварки профиля типа ″ребро-поверхность″ (образование временного участка).
Фиг.2 - Схема возможного варианта исполнения рабочей части предлагаемого устройства.
1 - подвижный кондуктор;
2 - деталь (лист) на поверхность, которой приваривают ребро;
3 - ребро (лента);
4 - элемент силового прижима (силовой роликовый прижим);
5 - токоподвод, установленный на поверхности;
6 - токоподвод, установленный на ребре;
7 - механизм подачи ребра на поверхность;
8 - точка схождения ребра с поверхностью;
9 - средство предварительного закрепления привариваемого ребра на поверхности детали в точке фиксации;
10а, 10б, 10в - датчики температуры, например, пирометры;
11 - блок управления БУ;
12а, 12б - генераторы ТВЧ;
13 - участок предварительного нагрева ребра, что расположено под соответствующим и вокруг токоподводом 6;
14 - участок предварительного нагрева поверхности детали, что расположено под соответствующим и вокруг токоподводом 5;
15 - участок позиционирования и подачи ребра на поверхность детали;
16 - временный подвижный участок позиционирования ребра на поверхности детали;
17 - фиксатор;
18 - двигатель кондуктора.
Устройство для автоматической сварки профиля типа ″ребро-поверхность″ (Фиг.1, 2) включает подвижный кондуктор 1 для позиционирования на нем детали 2, на поверхность которой осуществляют приварку ребра 3, элемент 4 силового прижима, токоподводы 5 и 6, выполненные с возможностью предварительного нагрева поверхности детали 2 и ребра 3, соответственно, механизм 7 подачи ребра 3 в точку 8 его схождения с поверхностью детали 2, средство 9 предварительного закрепления привариваемого ребра 3 на поверхности детали 2 в точке фиксации, датчики 10а, 10б, 10в температуры, соединенные с блоком 11 управления.
Элемент 4 силового прижима установлен с возможностью его расположения над точкой 8 схождения ребра 3 с поверхностью детали 2 и выполнен с возможностью силового давления на ребро 3 в точке 8 схождения при сварке. Механизм 7 подачи ребра 3 в точку 8 его схождения с поверхностью детали 2 установлен с возможностью его размещения в створе между упомянутыми ребром 3 и поверхностью детали 2.
Блок 11 управления связан с токоподводами 5 и 6, подвижным кондуктором 1, элементом 4 силового прижима ребра 3 к поверхности детали 2 и механизмом 7 подачи ребра 3 с возможностью позиционирования ребра 3 на поверхности детали 2 до начала сварки по двум упомянутым точкам. При подаче сигнала с блока 11 управления включаются упомянутые устройства, и элемент 4 силового прижима ребра 3 к поверхности детали 2 придавливает с соответствующим усилием ребро 3 в точке 8 схождения к поверхности детали 2. Это происходит тогда, когда тепловое поле от токоподводов 5 и 6 ребра 3 и поверхности детали 2 сойдется в точке 8 схождения при определенной температуре. При этом поверхностный слой ребра 3 со стороны его контакта с поверхностью детали 2 и соответствующая поверхность детали 2 в этой точке достигнут пластичного состояния. В итоге, при их силовом соединении эти части свариваются друг с другом.
При этом токоподводы 5 и 6 присоединены к одному или к разным источникам питания - генераторам 12а, 12б ТВЧ соответственно. Токоподводы 5 и 6 установлены с возможностью индивидуального или совместного перемещения к ребру 3 и к поверхности детали 2, а также по ним.
При этом с помощью упомянутых токоподводов 5 и 6 образованы участки 13 и 14 предварительного нагрева ребра 3 и поверхности детали 2, расположенные на разном расстоянии от точки 8 схождения.
С помощью механизма 7 подачи ребра 3 в точку 8 его схождения с поверхностью детали 2 образован участок 15 позиционирования и подачи ребра 3 на поверхность детали 2, расположенный в створе между участками 13 и 14 предварительного нагрева ребра 3 и поверхности детали 2. При этом предварительно (перед началом сварки) на поверхности детали 2 с помощью механизма 7 подачи ребра 3 в точку 8 схождения с поверхностью детали 2 образован временный подвижный участок 16 позиционирования ребра 3 на поверхности детали 2. (Фиг.1). Причем, в его начале расположен фиксатор 17, предварительно закрепленный на торце ребра 3. Этот участок 16 имеет время существования, соответствующее времени выхода в номинальный режим процесса сварки ребра 3 и детали 2. Размеры временного участка 16, скорость его образования зависят от скорости теплового нагрева ребра 3 и поверхности детали 2 таким образом, чтобы их тепловые поля в точке 8 схождения достигли температуры, при которой начинается процесс плавления поверхностного слоя поверхности детали 2 и ребра 3. В сущности, это является выходом процесса сварки в номинальный режим. По его достижению начинается сам процесс сварки ребра 3 с поверхностью детали 2. Однако сам принцип предложенного предварительного позиционирования ребра 3 на предварительно образуемом временном подвижном участке 16 поверхности детали 2 и с последующим выдерживанием этого положения ребра 3 при его сварке с поверхностью детали 2 позволяет обеспечивать высокую точность изготовления упомянутого профиля
В частности, подвижный кондуктор 1 может быть выполнен в виде рамы или обечайки и установлен на соответствующем приводе (на чертеже не показано). Механизм 7 подачи ребра 3 в точку 8 его схождения с поверхностью детали 2 может быть выполнен по принципу роликового подающего устройства, используемый в различных машиностроительных и технологических устройствах (на чертеже не показано).
Рабочая часть устройства имеет следующую схему (Фиг.2.). Согласно ей ребро 3 и поверхность детали 2 сводят так, что образуют между ними V-образную щель в точке 8 схождения. При этом поверхность детали 2 может быть выполнена в виде поверхности листа или трубы (Фиг.1). Деталь 2 может быть закреплена, например, на круглом вращающемся кондукторе 1 (Фиг.1) К ребру 3 и поверхности детали 2 предварительно устанавливают токоподводы 6 и 5, соответственно, на определенных расстояниях от точки 8 схождения вдоль оси сварки и они образуют зону предварительного нагрева между токоподводом 5, расположенным на поверхности детали 2, и точкой 8 схождения.
Каждый из указанных токоподводов 5 и 6 соединен с генераторами 12а и 12б ТВЧ (токов высокой частоты), которые и обеспечивают через упомянутые токоподводы 5 и 6 предварительный нагрев поверхности детали 2 и ребра 3 таким образом, что в точке 8 схождения температура ребра 3 и поверхности детали 2 достигает требуемой для их сварки. При ее достижении край ребра 3 и приповерхностный слой поверхности детали 2 оплавляются, после чего и производят сдавливание ребра 3 с поверхностью детали 2 в точке 8 схождения, обеспечивая их сварное соединение. При этом датчики 10а, 10б, 10в температуры установлены таким образом, что с помощью датчика 10а дистанционно отслеживается температура нагрева поверхности детали 2 до токоподвода 5, датчиком 10б - после токоподвода 5, а датчиком 10в - в точке 8 схождения ребра 3 с поверхностью 2. Причем эти датчики 10а, 10б, 10в температуры информационно связаны с блоком 11 управления, который может управлять генераторами 12а и 12б ТВЧ, а также двигателем 18 кондуктора 1, обеспечивающим перемещение поверхности 2 и ребра 3 (Фиг.1, 2).
В точке 8 схождения ребра 3 и поверхности 2 детали измеряют температуру их нагрева в зависимости от технологических отклонений их параметров. Это изменение ведут путем оптимизации ее температуры по результатам сравнения значений температур, предварительно измеряемых на поверхности детали 2 перед токоподводом 5 и после него, при этом оптимизацию температуры в точке 8 схождения получают, изменяя мощность генераторов 12а и 12б ТВЧ.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет реализовать следующий способ автоматической сварки токами высокой частоты профиля типа ″ребро - поверхность″ Этот способ, по сути, представляет собой технологию приварки ребер 3 к листу 2, точнее к его поверхности, которая заключается в реализации следующих условий:
- прогрев свариваемых плоскостей в точке 8 схождения до оптимальной температуры Topt;
- прижатие ребра 3 к поверхности 2 детали с оптимальным давлением Р (Фиг.1);
- неокисление свариваемых элементов до точки 8 схождения (минимальная скорость V).
Поверхность 2 детали, например, лист, закрепляют на барабане (кондукторе) 1, вращающемся с линейной скоростью V. Тангенциально к поверхности детали 2 (листа) с той же скоростью подводится ребро 3, например, лента (предварительно закрепленная на листе), таким образом, чтобы образовалось V-образное соединение в точке 8 схождения с поверхностью детали 2 (Фиг.1, 2).
Известно, что мощность генераторов ТВЧ не может превышать максимально допустимой, которая обычно указана в их паспорте. И для каждого типа материала ребра и детали, например, стали, имеется оптимальная температура в точке схождения - сварки, Topt. Мощность для нагрева поверхности детали 2 и ребра 3 зависит от скорости сварки V и типа материала. В части до токоподвода 5 поверхность детали 2, например, бесконтактно прогревается токоподводом 5, например, индуктором, до температуры близкой к оптимальной Topt. В части после токоподвода 5 ребро 3 разогревают до Topt посредством контактного токоподвода 6 путем подвода высокочастотного напряжения к токоподводу 6. Одновременно прогревается и поверхность листа 2. Для автоматизированной оптимизированной сварки используют датчики 10а, 10б, 10в температуры, например, пирометры, с помощью которых дистанционно измеряют температуры Т1 и Т2, Topt (Фиг.2). Полученные данные подают в блок 11 управления. Исходя из свойств, например, стали, поверхности 2 и ребра 3, введенных заранее в блок 11 управления, из блока 11 управления на первый генератор 12а ТВЧ (подключенный к токоподводу 5) подается сигнал управления на изменение мощности излучения этого генератора ТВЧ, обеспечивающий прогрев ребра 3 и поверхности 2 листа до температуры близкой к Topt.
Далее, пирометр 10б измеряет температуру и, исходя из значения температуры Т2 нагретой поверхности 2 листа, блок 11 управления вырабатывает сигнал управления на второй генератор 12б ТВЧ, обеспечивающий получения Topt в точке 8 схождения.
В случае недогрева или перегрева Т2 имеется возможность изменением сигнала управления на второй генератор 12б ТВЧ обеспечить Topt в точке 8 схождения. В итоге, при старте скорость сварки (скорость вращения двигателя вращения барабана кондуктора) имеет значение 30-40% от максимально возможной. Мощность на генераторах 12а и 12б ТВЧ повышается с нуля до мощности, при которой температура Т2 становится равной T2opt и достигается Topt. Если мощность на генераторах 12а и 12б ТВЧ не превышает оптимальную их мощность, то подает сигнал на двигатель 18 для увеличения скорости вращения кондуктора 1 и, соответственно, увеличения мощности генераторов 12а и 12б ТВЧ. Через несколько таких циклов, при приближении мощности к 0.95 мощности оптимальной генераторов 12а и 12б ТВЧ - Popt скорость вращения фиксируется. При сварке температура Т1 на входе токоподвода 5 постепенно повышается. По рассогласованию с заданным значением температуры Т2 на соответствующий генератор 12а и 12б ТВЧ подается сигнал на уменьшение мощности, и наоборот. С другой стороны, если по каким либо причинам изменилась температура Т2, то на второй генератор ТВЧ подается сигнал, компенсирующий эти изменения.
Таким образом, поддерживается оптимальная мощность на генераторах ТВЧ, что обеспечивает максимальную производительность процесса сварки, причем, и на стандартном оборудовании. Одновременно достигается высокое качество изготовления упомянутого профиля.
Принимая во внимание дополнительный вариант улучшения предлагаемого устройства, то оно реализуется со следующим дополнением.
Вначале располагают, например, сварочный аппарат для точечной сварки (на чертеже не показан) в зоне сварки. Он необходим для формирования фиксации торца ребра 3 на поверхности детали 2. Над точкой 8 схождения в зоне сварки расположен элемент 4 силового прижима ребра 3 к поверхности детали 2. (Фиг.1). Этим элементом 4 может быть, например, ролик с пазом, обхватывающим кромку ребра 3 и придавливающий его к поверхности детали 2, когда температуры ребра 3 и поверхности детали 2 достигли в точке 8 схождения соответствующих градусов. Причем перед началом сварки в точке 8 схождения ребра 3 с поверхностью детали 2 начало-торец ребра 3 фиксируют на этой части поверхности детали 2. Это может быть выполнено, например, путем точечной сварки, образуя неподвижное соединение начала-торца ребра 3 с поверхностью детали 2, устраняя при этом технологические колебания ребра 3 в пределах определенного угла. При этом область фиксации начала-торца ребра 3 продлевают, т.е. под зоной сварки продвигают поверхность детали 2 с ребром 3 на ней. Так образовывают временный подвижный участок 13 позиционирования ребра 3 на поверхности детали 2. Одновременно токоподводами 5 и 6 нагревают поверхность детали 2 и ребро 3, тепловое поле от которых сходится в точке 8 схождения ребра 3 с поверхностью детали 2. Причем, при достижении требуемой температуры нагрева в точке 8 схождения датчик 10в температуры выдает соответствующий сигнал на блок 11 управления и с него включаются остальные участки рабочей части. А именно, зона сварки, участок 15 подачи ребра 3 и кондуктор 1 перемещения поверхности детали 2, а так же элемент 4 силового прижима ребра 3. В результате действия последнего происходит сварка ребра 3 с поверхностью детали 2.
Таким образом, в пределах временного участка 16 позиционируют положение ребра 3 на поверхности детали 2 относительно точки 8 схождения, которая потом становится точкой начала сварки ребра 3 с поверхностью детали 2. После завершения позиционирования на упомянутом участке 16 производят сварку ребра 3 и поверхности детали 2 (благодаря наличию точки 8 их схождения) с одновременным их продвижением относительно этой точки 6 схождения. Необходимо отметить, что по завершении их сварки временный участок 16 ликвидируют или путем заваривания на нем ребра 3 на поверхности детали 2, завершая тем самым сварку профилей типа ″ребро-поверхность″, или удаляют. Удаление может быть, например, механическим, т.е. отрезают этот участок (процесс широко известный и пояснения не требует).