Истории применения

Автоматическая сварка конструкционной стали
Джефф Липневициус (Geoff Lipnevicius), технический директор,
подразделение автоматизации

С 2004 года спрос на конструкционную сталь для возведения зданий, электростанций, нефтехимических предприятий, мостов и других проектов в США вырос на 25% – а это означает новые возможности для отрасли производства стальных конструкций.

Несмотря на постоянные сложности, например, недостаток квалифицированного персонала и растущие цены на материалы и энергоносители, производители продолжают поиск новых технологий и процессов, благодаря которым они смогли бы получить конкурентное преимущество и реализовать весь потенциал этих новых возможностей. В частности, они постоянно стремятся повысить производительность сварки и использовать инновационное оборудование, расходные материалы, более совершенные процессы сварки и автоматическое оборудование.

Для этих задач идеально подходит гибкая автоматизация (т. е. оборудование с возможностью быстрого перепрограммирования, как в случае с роботами), которая может предложить для отрасли изготовления металлоконструкций многие преимущества – более высокое качество, производительность и универсальность сварки – и поэтому в последнее время получает все более широкое распространение.

Автоматизация делает производственные расходы более предсказуемыми

Роботизация и автоматизация делают фактические расходы в отрасли изготовления стальных конструкций значительно более предсказуемыми. Сварочные роботы обеспечивают точность, воспроизводимость и тщательный контроль соблюдения процедур сварки. В сочетании с промышленными системами позиционирования они также отличаются большой мобильностью деталей.

Хотя в случае ручной сварки наложение шва излишне большого сечения встречается достаточно часто, робот можно запрограммировать на самую затратоэффективную и воспроизводимую процедуру сварки с точным контролем ширины шва.

В тех случаях, когда массовое производство замедляется из-за слишком большой продолжительности позиционирования при ручной сварке, конструкторы обычно переходят от двухсторонней разделки кромок к односторонней. Это приводит к удваиванию объема наплавленного металла при той же толщине сварного шва. Роботизация и автоматизация позволяют автоматически позиционировать крупные изделия и тем самым упростить и ускорить процесс сварки, а также лучше контролировать усадочное напряжение.

Процесс роботизированной импульсной струйной сварки: оптимальное сплавление и низкое содержание диффузионного водорода

Процесс сварки металлическим электродом в среде защитных газов (GMAW) при изготовлении металлических конструкций всегда ассоциировался с дефектами неполного сплавления. Но теперь благодаря процессу импульсного струйного переноса металла (GMAW-P) пользователям доступны преимущества высокоэнергетического осевого струйного переноса металла (пикового тока) и более слабого (фонового) тока. Режим GMAW-P позволяет регулировать многие параметры формы волны тока. Также импульсная сварка отличается идеальными характеристиками сплавления и значительно более низким тепловложением. Динамика импульсной сварки также позволяет использовать режим GMAW-P для внепозиционной сварки. Возможность внепозиционной сварки в сочетании с низким тепловложением обеспечивает более низкую скорость разбавления, отличные механические свойства наплавления и высокую ударную вязкость по Шарпи.

Благодаря более низкому содержанию диффузионного водорода в металле наплавления (<5 мл H2/100 гр.) процесс GMAW-P также хорошо подходит для сварки в случаях высокого риска водородного растрескивания.

GMAW-P часто обеспечивает более эффективный перенос металла (98%) при использовании сплошных и металлопорошковых проволок. Кроме того, благодаря низкому тепловложению процесс GMAW-P отличается меньшим дымовыделением, что помогает выполнить стандарты EPA и законы о защите окружающей среды.

Синхронная тандемная сварка: высокая производительность

В последнее время процесс синхронизированной двухдуговой тандемной сварки становится все более популярным способом повысить производительность автоматической сварки. Этот процесс стал результатом намечающейся в отрасли тенденции снижать затраты на сварку с помощью многодуговой сварки. В самых первых системах с несколькими дугами использовался процесс сварки под флюсом. Распространение мощных инвертерных источников питания также сделало возможной многодуговую сварку в режимах GMAW и GMAW-P.

Со времени появления тандемной сварки в защитных газа в начале 1990-х общее число тандемных систем по всему миру достигло 1500 единиц. Большинство этих систем пришло на замену однодуговым сварочным станциям, которые на тот момент уже достигли практического лимита своих возможностей, и позволили производителям накладывать как можно больший объем металла за заданное время. Синхронизированная тандемная сварка в среде защитных газов имеет намного больший диапазон производительности по сравнению с традиционными однодуговыми системами.

В процессе двухдуговой сварки используются две электроизолированные сварочные проволоки, расположенные последовательно одна за другой по отношению к направлению сварки. Первый электрод называют ведущим, второй – замыкающим. Расстояние между этими двумя проволоками обычно не превышает 1,2 см – это нужно для того, чтобы наплавление от обеих проволок поступало в общую сварочную ванну. Ведущая проволока отвечает за основное проплавление металла, в то время как замыкающая выполняет функции контроля формы шва, смачивания кромок и увеличения производительности наплавки.

Как правило, процесс синхронизированной тандемной сварки в защитных газах позволяет на 30-80% увеличить потенциальную производительность наплавки по сравнению с традиционными процессами однодуговой сварки.

Это объясняется несколькими связанными с затратоэффективностью причинами, в том числе более высокой производительностью наплавки, скоростью сварки, меньшим тепловложением и минимальными термическими деформациями. Низкое содержание диффузионного водорода делает этот процесс оптимальным выбором для сварки высокопрочных сплавов или сталей, прошедших процесс термо-механического контроля (TMCP). При сварке с полным проплавлением сварного шва и соединении ребер балок этот процесс устраняет необходимость в подкладке под обратную сторону сварного шва.

Выбор компонентов таких систем зависит от уровня автоматизации. Например, сюда могут входить автоматическая система подачи балок, сварочные тракторы, вспомогательные станции и электросварочные аппараты для трубопроводов. В некоторых случаях используются сварочные роботы с функцией отслеживания и сварки ребер балок.

Преимущества роботизированной/автоматизированной сварки под флюсом

До недавних пор было невозможно представить себе процесс сварки под флюсом, который совмещал бы в себе преимущества сварки на постоянном и переменном токе. Сегодня же эта технология все чаще применяется в составе автоматического производства стальных конструкций.

Современные технологии позволяют контролировать амплитуду и продолжительность каждого пика тока. Ограничивающим фактором для сварки под флюсом при переменном токе является долгое время перехода от обратной к прямой полярности электрода. При изготовлении некоторых конструкций это запаздывание может привести к нестабильности дуги, недостаточному проплавлению и падению производительности наплавки. Сварка под флюсом при постоянном/переменном токе может решить эту проблему благодаря точному контролю амплитуды и частоты тока, и позволяет тем самым воспользоваться характерным для переменного тока минимальным отклонением дуги, оптимальным проплавлением постоянного тока обратной полярности и высокой производительностью наплавки постоянного тока обратной полярности. Возможность такой регулировки позволяет менять форму волны выходного тока и, как результат, точно контролировать характеристики сварки. Сварка под флюсом при постоянном/переменном токе позволяет пользоваться преимуществами обоих процессов: скоростью, производительностью наплавки и проплавлением при постоянном токе и устойчивостью к отклонению дуги при переменном токе.

Тенденции развития управляющих систем/искусственного интеллекта роботов

Видеосопровождение становится все более важным элементом многих автоматических систем изготовления стальных конструкций, а интеграция видеосистем с роботизированными сварочными станциями в последние годы стала значительно проще и дешевле.

С помощью видеодатчика робот может «видеть» расположение и ориентацию деталей, проверять качество подготовки деталей, находить брак до начала сварки, измерять положение сочленений, отслеживать ситуацию перед дугой, в реальном времени контролировать положение сварного шва и предупреждать об отклонении от заданных пользователем параметров процесса посредством адаптивного контроля параметров. Системы лазерного отслеживания также часто используются, чтобы отслеживать последовательность проходов сварки (для некоторых конструкций для офшорного применения может требоваться до 70 проходов) и выявлять ошибки.

Выявление ошибок в области автоматического производства означает способность системы предотвращать ошибки в ходе производства или выявлять их до начала следующего этапа производства. Предотвращение ошибок может распространяться на все сварные швы или только критически важные.

Мониторинг производства

Современные роботизированные станции обладают широкими возможностями интеграции, которые позволяют объединять их в целые системы и мгновенно передавать данные из производственного цеха прямо в офис. Функции мониторинга позволяют настроить источник питания на отправку данных о сварке, хранение и совместное использование файлов настроек, контроль выполнения производственных задач, соблюдение ограничений и допусков, отслеживание расхода сварочных материалов, запись и отправку по электронной почте информации об отказах оборудования и дистанционную диагностику оборудования.

Заключение

В последнее время появилось множество новых технологий, которые делают производство и строительство более эффективными. В частности, компании, до этого пользовались ручной сваркой, могут рассмотреть возможность автоматизации.

Роботизированная сварка помогает ConXtech оптимизировать производство стальных конструкций

Осенью 2000 года Роберт Симмонс (Robert J. Simmons), инженер с 30-летним опытом работы в отрасли производства бетонных конструкций, разработал концепцию строительства среднеэтажных жилых зданий с помощью системы быстромонтируемых стальных пространственных рам. Для развития этой концепции Симмонс основал предприятие ConXtech, на котором изготавливаются все детали для последующего монтажа.

В отличие от традиционного процесса строительства с применением стальных конструкций, на которое обычно уходит от семи до восьми месяцев, система быстромонтируемых стальных рам пространственных рам позволяет ConXtech сократить время строительства до менее чем двух недель.

В немалой степени этому успеху способствовали роботизированные системы сварки, которые используются на предприятии ConXtech в г. Хэйвард, Калифорния. По сравнению со старым полуавтоматическим оборудованием ConXtech эта система обеспечивает более высокую скорость сварки, производительность наплавки и качество швов.

Раньше на полуавтоматическую приварку каждого обруча к балке уходило по 40 минут. Так как сварка проводится с обоих сторон балки, в целом на каждую уходило около часа и 20 минут. Благодаря системе Lincoln и ее двум манипуляторам сварочная станция может вести сварку соединений на обоих концах балки одновременно. Теперь на это уходит 5 минут 30 секунд.

Производство на предприятии включает приварку балок из конструкционной стали марки A992 к обручам из стали A572 Grade 50. Подобная конструкция требует применения проплавных сварных швов на верхнем и нижнем фланце и угловых швов вдоль ребер балки и обратных сторон фланцев. На каждой балке создается 61 см проплавных швов за 4 прохода и 163 см угловых швов за 1 проход. В своих предыдущих проектах компания успешно справлялась со строительством объектов в соответствиями с требованиями сейсмической безопасности Американского института стальных конструкций (AISC) и руководства Федерального агентства по управлению страной в чрезвычайных ситуациях (FEMA) №353.

Строительство обзорной площадки в Гранд-Каньоне

На западной стене Большого Каньона на высоте 1220 м над рекой Колорадо с недавних пор возвышается обзорная площадка в форме подковы. Ее стеклянный пол и боковые стенки заставят поволноваться каждого любителя острых ощущений.

Компания Mark Steel Corp. из Солт-Лейк-Сити подала заявку на участие в этом строительном тендере зная, что ей придется столкнуться с жесточайшей конкуренцией. Однако, чтобы выполнить жесткие сроки проекта, инженерам этой компании по изготовлению стальных конструкций и тяжелых пластин понадобилось повысить производительность сварки под флюсом. До этого на предприятии Mark Steel использовалась обычная система сварки под флюсом при постоянном токе. После приобретения Power Wave® AC/DC 1000 от компании Lincoln Electric специалисты этого крупнейшего производителя в штате Юта поняли, что тандемная система с одной дугой на переменном и другой дугой на постоянном токе может с запасом обеспечить достаточную производительность для своевременной сварки 454 тонн стали для обзорной площадки.

Основная подкова платформы сформирована из двух пустотелых балок из углеродистой стали A572 класса 50. Все производство было проведено в соответствии с кодексом сварки конструкционной сварки AWS D1.1. Для строительства использовались секции балок толщиной 5 см, длиной 1,8 м и шириной 76 см. Они были доставлены в 12-метровых секциях и смонтированы уже на месте стройки. Повышение производительности сварки пустотелых балок большей частью объясняется переходом на тандемную сварку под флюсом.

Производительность наплавки, которая при однодуговой сварке составляла примерно 12,7 кг/час, при двухдуговой сварке проволокой диаметром 4,8 мм возросла до примерно 25 кг/час. Это принесло особенно большую пользу при сварке длинных сварных швов, которые могут достигать 96-101 см. Ультразвуковое тестирование показало, что доля брака в рамках проекта составила менее двух процентов.

Раньше компания обычно проводила для таких материалов разделку кромок под углом 30 градусов с каждой стороны, что в итоге давало угол в 60 градусов. Благодаря большей глубине проплавления нового оборудования угол скоса кромок удалось снизить до 22.5 градусов с каждой стороны, что в сумме дает угол 45 градусов. Более узкий зазор позволил сократить время подготовки и шлифовки соединения в то же время снизить необходимый объем металла наплавления на сантиметр шва. Общий рост производительности для компании Mark Steel составил порядка 25-30%, что привело к соответствующему снижению производственных затрат. Кроме того, благодаря инвертерному оборудованию компания смогла на 10-15% снизить затраты на электроэнергию.

На данный момент обзорная площадка в Большом Каньоне – это самое высоко расположенное сооружение весом более 450 тонн, созданное руками человека. При этом оно может выдерживать землетрясения магнитудой до 8.0 баллов с эпицентром на расстоянии 80 километров. Для этого его конструкция включает три подвижные стальные пластины внутри пустотелых мостовых балок, способные амортизировать колебания почвы. Движения пластин вверх и вниз помогают нейтрализовать вибрации он шагов и порывов ветра. Сама обзорная площадка, которая расположена на этих пустотелых балках, изготовлена из термоупрочненного стекла толщиной 7,6 см.

Показать все