УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА СБОРКИ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано при контроле сварных соединений, в том числе трубопроводов.
В настоящее время известны различные методы и устройства проведения контроля сварных соединений, а именно:
Технологии измерения (оценки) геометрии поверхности получили широкое распространение в сварочном производстве в системах слежения за стыком в процессе сварки, а также внутритрубной диагностики (профилеметрия).
По принципу действия существующие технологии сканирования можно разделить на, электро-механические, электромагнитные, оптические.
Электро-механические датчики являются наиболее распространенными. В основе их работы лежит преобразование механического перемещения чувствительного элемента - щупа в электрический сигнал. Это преобразование может быть как линейным, так и релейного типа.
При линейном преобразовании электрический сигнал на выходе датчика по своему значению пропорционален отклонению щупа от нулевого положения, а по знаку соответствует направлению этого отклонения. При релейном преобразовании выходной сигнал датчика меняется скачкообразно по значению и соответствует направлению отклонения щупа от стыка по знаку. При использовании электромеханических датчиков также требуется наличие специальной направляющей, параллельной сварному соединению.
Работа тактильных систем слежения возможна в одной или в 2-х осях. Щуп обычно следует по разделке шва. У подавляющего большинства таких систем есть зона нечувствительности в равновесном положении. В связи с тем, что далеко не на всех системах слежения есть возможность регулировки скорости перемещения привода и величины зоны нечувствительности иногда возникают трудности при настройке системы при изменении толщины стенок или формы разделки одного и того же изделия. Значительное удлинение щупа, например для отслеживания корня глубокой разделки, ведет к увеличению зоны нечувствительности и неэффективной и неточной работе системы слежения.
Электромагнитные датчики строятся на принципе изменения соотношения магнитных потоков отдельных участков магнитопровода в зависимости от их магнитного сопротивления. Они делятся на индуктивные и индукционные.
Электромагнитные датчики строятся не только по принципу улавливания разности магнитных потоков, но и по принципу измерения индуктивности магнитного поля, образующегося за счет краевого эффекта в зоне стыка. Такие датчики называются датчиками краевого эффекта. Они улавливают своими измерительными катушками разность плотностей магнитных потоков на прилегающих краях свариваемых деталей. Этот принцип позволяет устанавливать датчик на значительном (10-12 мм) расстоянии от свариваемой поверхности, что снижает чувствительность датчика к смещению кромок свариваемых деталей.
Чувствительность электромагнитных датчиков к смещению кромок свариваемых деталей является их основным недостатком. Для устранения этого недостатка разработаны различные варианты датчиков, позволяющих значительно снизить погрешность слежения. Одним из способов уменьшения чувствительности электромагнитных датчиков к смещению кромок является подбор частоты напряжения, питающего катушки датчика. В основе этого способа лежит зависимость фазы векторов напряжения и комплексного сопротивления катушек датчика от частоты питания, смещения стыка и перекоса кромок. Подбором частоты можно обеспечить разделение сигналов от положения стыка и смещения кромок по фазе и с помощью фазочувствительной схемы скомпенсировать погрешность. Существуют и конструктивные способы компенсации влияния смещения кромок.
Преимуществами электромагнитных датчиков являются: отсутствие механического и электрического контакта датчика и изделия; интегральные, усредненные по некоторой площади результаты измерения; возможность применения для стыковых соединений без разделки кромок, а также для стыковых соединений с наложенным на обратной стороне швом; возможность применения для изделий из магнитных и немагнитных металлов; малые габаритные размеры; простота конструкции. Основной недостаток датчиков рассматриваемого типа - влияние на выходной сигнал большого количества возмущений (электромагнитных помех и смещение кромок свариваемых элементов).
Оптические датчики работают по принципу воздействия прямого или отраженного светового потока на преобразователь, который преобразует это воздействие в электрический сигнал. Такими преобразователями могут быть фотодиоды, фоторезисторы или приемная телевизионная камера.
Оптические датчики работают непосредственно по стыку при этом требуется чистота стыкуемых поверхностей деталей и значительная разница восприятия оптикой сплошного металла и стыка. Общие недостатки оптических датчиков - слабая защищенность их от световых помех и низкая чувствительность при работе в условиях задымленности. Решением данных проблем может стать применение лазера в качестве светового источника и камеры, как принимающей стороны.
Основными элементами системы триангуляционного типа являются лазерный осветитель и видеокамера. Излучение лазера рассеивается на разделку кромок с помощью цилиндрической призмы, а отраженное излучение собирается объективом камеры на CMOS/ПЗС матрице. Процессор сигналов обрабатывает изображение и передает данные для дальнейшего использования.
Одной из актуальных задач при строительстве и ремонте трубопроводов является своевременное обнаружение нарушений технологии сборки и сварки кольцевых сварных соединений.
Некачественная сборка стыка под сварку приводит к появлению дефектов, а также усложняет процесс оценки качества сварного соединения методами неразрушающего контроля.
Современный уровень развития технологий позволяет производить сканирование поверхностей на предмет наличия отклонений от заданных значений и производить запись, полученных результатов.
Проведение автоматизированного контроля путем сканирования поверхности собранного под сварку стыка, а также уже сваренного сварного соединения, позволит предупредить появление дефектов, повысит производительность работ и снизит влияние человеческого фактора.
Задачей, решаемой заявляемой полезной моделью, является создание устройства для автоматизации процесса оценки качества сборки сварных соединений.
Технический результат полезной модели - повышение достоверности оценки качества сборки сварного соединения, за счет снижения влияния человеческого фактора для обеспечения надежного функционирования магистральных трубопроводов.
Техническая задача решается, а технический результат достигается за счет того, что устройство для проведения автоматизированной оценки качества сборки сварного соединения состоит из корпуса, в котором размещены лазерный профилометр, два ультразвуковых датчика, выполненные с возможностью корректировки их положения относительно сварного соединения внутри корпуса и с возможностью измерения толщины околошовной зоны, колесного датчика пути, выполненного с возможностью измерения пройденного пути вдоль сварного соединения, модуля обработки, хранения и отображения данных, выполненного с дисплеем.
На чертеже показано устройство для проведения автоматизированной оценки качества сборки сварного соединения, где 1 - корпус, 2 - лазерный профилометра, 3 - ультразвуковые датчики, 4 - датчик пути, 5 - модуль обработки, отображения и хранения данных.
При этом ультразвуковые датчики 3 осуществляют измерение толщины в околошовной зоне сварного соединения, а лазерный профилометр 2 позволяет получить изображение профиля сварного соединения, что в итоге позволяет выполнять:
- автоматизированный наружный контроль параметров сборки стыкового сварного соединения перед сваркой;
- автоматизированный наружный контроль стыкового сварного соединения;
- автоматизированную ультразвуковую толщинометрию для определения наличия мест шлифовок, выводящих толщину стенки за минусовой допуск.
Корпус 1 представляет собой прямоугольный контейнер внутри которого находятся: лазерный профилометр 2, два ультразвуковых датчиков 3, датчик пути 4, модуль обработки, отображения и хранения данных 5.
Лазерный профилометр 2 осуществляет построение профиля сварного соединения и околошовной зоны триангуляционным способом. Лазерный профилометр состоит из двух основных частей: видеокамеры и оптического генератора световой полоски (осветитель - лазер), при этом осветитель, расположенный под углом к видеокамере, проецирует узкую световую полоску на поверхность сварного соединения. Отраженное излучение собирается объективом камеры.
Два ультразвуковых датчика 3 выполняют измерение толщины стенки в околошовной зоне сварного соединения, работая в эхо-импульсном режиме по раздельно-совмещенной схеме.
Датчик пути 4 осуществляет измерение пройденного пути и состоит из колеса и инкрементного энкодера.
Модуль обработки, отображения и хранения данных 5 включает в себя процессор для обработки данных, блок памяти и дисплей для отображения результатов контроля.
Результаты измерения профиля лазерным профилометром 2 и толщинометрии, выполняемой ультразвуковыми датчиками 3, привязываются к координатам сварного соединения по средствам применения датчика пути 4.
Привязанные к координатам сварного соединения по средствам применения датчика пути 4 данные с лазерного профилометра 2, двух ультразвуковых датчиков 3 поступают в модуль обработки, отображения и хранения данных 5.
Модуль обработки, отображения и хранения данных 5 определяет по поступающим с лазерного профилометра 2 данным отклонение профиля околошовной зоны от прямой (Δ).
1
2
Принятие решение о качестве сварного соединения выполняется по результатам рассмотрения объединенных данных в модуле обработки, отображения и хранения данных 3, полученных по результатам измерения профиля лазерным профилометром 2 и толщинометрией выполненной ультразвуковыми датчиками 2. Результаты (отклонение профиля околошовной зоны от прямой (А) и значения толщин S и S) отображаются на дисплее.