Обнаружение непровара и оценка глубины проплавления в режиме реального времени при электродуговой сварке

УДК 621.791.01

ОБНАРУЖЕНИЕ НЕПРОВАРА И ОЦЕНКА ГЛУБИНЫ ПРОПЛАВЛЕНИЯ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ ПРИ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКЕ

В.Р. Петренко, В.В. Волков, Р.О. Волков

В настоящей статье освещается методика обнаружения непровара с применением микроволнового датчика, а также оценки глубины проплавления при электродуговой сварке в среде инертного газа в режиме реального времени. Результаты и анализ полученных данных поставленного эксперимента подтверждают, что с помощью микроволновой техники можно обнаружить непровар и установить глубину проплавления в режиме реального времени. Также могут быть определены линейные отношения между поверхностью теплового профиля и глубиной проплавления

Ключевые слова: сварка, микроволновое излучение, непровар, глубина проплавления

Введение

Сварка является одним из наиболее широко используемых процессов применяемых для соединения металлов. Несмотря на многочисленные достижения в области изучения процесса сварки, некачественные соединения распространены, и сварной шов по-прежнему рассматривается как слабое звено во всей конструкции.

Обычно оценка качества сварки дается только после окончания процесса с использованием методов неразрушающего контроля. При этом затрачивается много материальных, временных и трудовых ресурсов. Однако все затраты можно снизить путем внедрения непрерывного контроля в режиме реального времени с использованием датчиков неразрушающего контроля воспринимающих микроволновое излучение.

Установлено, что с использованием методов неразрушающего контроля, таких как, ультразвуковой дефектоскопии или рентгенографии, возможно выявление части дефектов. Однако эти методы в основном применяются после того, как сварка была завершена и затрачивается много времени, а также трудовых ресурсов, при определении прочности сварного соединения. Это ограничение можно преодолеть, если процесс образования шва постоянно контролировать в режиме реального времени с целью обнаружения дефектов и их автоматического устранения посредством регулировки параметров сварочного процесса. Использование такого мониторинга в режиме реального времени позволяет отбраковывать швы с целью устранения дефектов.

Датчики неразрушающего контроля в режиме реального времени бывают оптические, рентгеновские, инфракрасные, ультразвуковые [1]. Широкую популярность приобрели ИК-датчики. Новым этапом в применении датчиков должны стать сенсоры микроволнового излучения. Они используют привычное для нас тепловое излучение, как и в случае с

Петренко Владимир Романович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 2-21-09-19

Волков Виталий Витальевич - ВАИУ, канд. физ.-мат. наук, доцент, e-mail: kotlac@yandex.ru Волков Роман Олегович - ВГТУ, аспирант, e-mail: arhangelovo@ya.ru, тел. 8-980-341-5356

инфракрасными датчиками, но их чувствительная способность располагается в области излучения с длинами волн от 1 мм до 30 см. Датчики регистрируют распределение тепла по поверхности сварного шва, отчетливо фиксируют загрязнения поверхности и возмущения дуги.

Обзор литературы показывает, что большая работа была сделана в области визуализации образа формирования шва, прежде всего в ИК излучении, а также разработка параметров контроля сварного шва [2]. Несомненно, эти данные помогают в формировании нового метода микроволнового контроля. Однако, работы по мониторингу микроволнового излучения в процессе сварки за последние 10 лет в открытой печати не публиковались.

В статье освещено применение микроволнового излучения для обнаружения зарождающихся дефектов в процессе сварки. Одним из дефектов является отсутствие полного проплавления сварочного шва на толщину соединения. В некоторых случаях непровар является серьезным дефектом, ввиду того, что выполняется всего лишь частичное расплавление металла и визуально это бывает сложно выявить. В статье также рассмотрен метод количественной оценки глубины проплавления.

Эксперимент

Для обнаружения непровара были выбраны пластины нержавеющей стали 10Х17Н13М2 размерами 150х100х9 мм. Заготовленные пластины из нержавеющей стали были хорошо очищены, отполированы до состояния «однородности» образцов: единых геометрических размеров и состояния поверхности. Кромки были тщательно подготовлены к сварке встык, как показано на рис. 1. Расстояние между пластинами было 2 мм. Разделка кромок -«V» образная, под углом 60 °. Корневой зазор был выдержан в 2 мм.

Рис. 1. Разделка шва

Для изучения глубины проплавления были выбраны пластины из нержавеющей стали марки 03Х17Н13АМ3 с размерами 150 мм х 100 мм. Пластины были выбраны с двумя разными толщинами равными 3 мм и 5 мм. Сварка плавящимся электродом в среде инертного газа выполнялась в горизонтальном положении. В качестве защитного газа использовался аргон (чистота 99,9%) со скоростью потока 10 л/мин. Скорость сварки равнялась 0,12 м/мин. Величины напряжения на электроде и тока дуги при 100% проплавлении металла представлены в табл. 1.

Таблица 1

Величины сварочного тока и напряжения, применяемые для изучения глубины проплавления ____________________соединений_____________________

Толщина пластины, мм Ток, А Напряжение, В Проплавление, %

3 120 15 100

5 220 19 100

Измерение параметров микроволнового излучения и сварка пластин проводилась с помощью специально сконструированной экспериментальной установки, представленной на рис. 2. База установки представляла собой металлическую сборную каретку, совершающую поступательное движение по направлению свариваемого шва и опирающуюся регулируемыми роликами на рельсы 3. На верхней горизонтальной поверхности закреплен блок электроники 1, в котором расположены контролер управления, силовые элементы регулирования скорости подачи каретки, управление сварочным аппаратом с подачей присадочной проволоки. На ней также расположен коллекторный электродвигатель 2, приводящий ее в движение относительно рельсового полотна. На нижней поверхности каретки расположено электрод

4, через который подавались сварочная проволока и защитный газ. Пластины были сварены встык с помощью дуговой сварки плавлением. Все швы были выполнены с помощью «Kemppi Pro Evolution 3200», технические данные по которому представлены в табл. 2. В процессе сварки величину микроволнового излучения регистрировал микроволновый датчик 5. С целью облегчения восприятия и более наглядной визуализации с рисунка удалены силовые и интерфейсные кабели, ременные передачи, бронированные шланги, через которые подавался защитный газ [3], а также некоторые другие второстепенные элементы.

Наблюдение за микроволновым излучением проводилось с использованием координационного массива на камеры с дифференциальной чувствительностью 0,1 °С, спектральным разрешением 3-5 мкм с частотой фиксации 240 раз в секунду двух координатных пространственных измерений, последующий их анализ показал, что объема поступающей информации достаточно для фиксации и опре

деления параметров при сварке в режиме реального времени.

Таблица 2

Технические данные сварочного аппарата _____________Kemppi Pro Evolution 3200______________

Напряжение сети 3~, 50/60 Гц 400 В

Номинальная мощность при макс. токе 13,3 кВА

Нагрузка при 40° С ПВ 100 % 320 A/13,3 кВА

КПД при макс. токе 0,85

Диапазон сварочных токов и напряжений TIG 5 A/10-32 A/23 В

Габаритные размеры длина х ширина х высота, мм 530x230x520

Масса кг 37

Рис. 2. Экспериментальная установка:

1 - блок электроники; 2 - мотор; 3 - рельс; 4 - электрод; 5 - микроволновый датчик

Микроволновый сканер был помещен на расстоянии 0,2 метра от сварочной ванны и соответствующим способом сфокусирован таким образом, что была видна вся поверхность сварочной ванны. Это позволило наблюдать распределение излучения в сварочной ванне и ее прилегающих областях, включая температурные поля. Полученные данные записывались в память вычислительного устройства на электронный носитель и впоследствии проанализированы.

Изотермические линии и тепловой контур были одними из параметров изображения функции, которая была использована в визуализации и расчете распределения температуры, а также поверхностного градиента.

Результаты и их обсуждение

Непровар шва, образующийся внутри соединения во время сварки является дефектом, который можно определить в режиме реального времени.

Разогрев массива свариваемого металла от высокотемпературного ядра сварочной ванны 1 приводит к теплонасыщению и равномерному распределению температуры при охлаждении шва. Высокий градиент излучения вдоль сварочного шва 2, рис. 3, свидетельствует о наличии непровара.

Рис. 3. Яркостная характеристика полученного изображения сварочной ванны с дефектным участком 1 - высокотемпературное ядро сварочной ванны;

2 - низкотемпературная область, предполагаемый дефект

Отсутствие металла (обычно воздушный пузырь в корневой области) видно на тепловом изображении как холодное пятно по центру сварки. Разница более 7 °С наблюдается между излучением изотерм дефектов и смежных изотерм. Микроволновый сканер был расположен за электродом относительно его движения. Такая позиция обусловлена тем, что непровар может быть обнаружен с большей вероятностью ввиду того, что яркостные контрасты лучше различимы, т.к. снижаются помехи от дуги.

Рис. 4. Контурные изображения микроволнового излучения для различной глубины проплавления: а) 100% проплавления; б) 60% проплавления

1 - расплавленное ядро; 2 - граница между расплавленным и твердым металлом; 3 - твердый металл нагретый до температуры плавления

Глубина проплавления металла была исследована при сварке пластин в диапазоне их толщин от 3 до 5 мм различными токами и измерением распределения излучения с поверхности. На рис. 4 показаны соответствующие распределения температуры для двух различных швов при проплавлении их на

100% и 60% от максимальной глубины, где большей температуре соответствует красный цвет изотермы, а синий цвет соответственно наименьшему значению. Можно отметить, что есть выраженные и отчетливо идентифицируемые изменения изотермических областей.

Микроволновый спектр излучения с поверхности пластины дает возможность судить о распространении температуры не только по поверхности, но и в глубине тела. Это предположение было исследовано на основании формулы термического цикла для быстродвижущегося источника [4]:

г(г'0 = г*~£е:ф(-Э-

где ГЕ - начальная температура сварки; д - эффективная мощность источника; - скорость сварки; л

- теплопроводность; ' - расстояние; д - коэффициент температуропроводности металла; г - время.

В то же время тепловая эффективность процесса проплавления, описываемая термическим КПД, представляет собой отношение «полезной» мощности 91 к эффективной мощности источника теплоты q:

Чг * 5 '

где Д^г_- - приращение энтальпии расплавленного металла при нагреве до температуры плавления, включающее скрытую теплоту плавления, ¥т. -

площадь проплавления.

На основе сделанных срезов полученных швов и их шлифов (рис. 5) были проведены измерения профиля закристаллизовавшихся швов.

б)

Рис. 5. Шлифы двух сварных швов с разной величиной проплавления:

а) 100% проплавление; б) 60% проплавление.

Были произведены измерения координат границ кристаллизации сварочной ванны. На основании полученных данных был построен контур проплавления внутри объема металла. А по сохраненным в памяти электронно-вычислительной машины величинам микроволнового излучения, на основании математической модели распространения тепла в сварочной ванне от подвижного источника был смоделирован контур проплавления внутри объема металла для данного участка.

Алгоритм расчета модели реализован в программной среде МаИаЪ. В результате моделирования получены контуры проплавления, показанные на рис. 6.

Мощность источника оставалась приблизительно постоянной на протяжении всего свариваемого шва. Тем не менее, разбивая весь сварной шов на малые участки, можно видеть, что величина вложенной энергии в каждый момент времени отличалась. Это объясняется тем, что в процессе сварки присутствовали неблагоприятные факторы (например, изменение напряжения и силы сварочного тока). Сопоставляя микроволновое излучение с контуром расплавленного металла, можно судить об энергиях, которые участвовали в расплавлении металла.

а) б)

Рис. 6. Контур смоделированного распределения температуры в толщине металла: а) 100%-ое проплавление; б) 60%-ое проплавление.

На рис. 6 (а) можно увидеть зону перегрева металла, которая располагается в верхней части среза. Это соответствует 100%-му проплавлению образца, т.к. оно выполнялось с большей энергией, чем 60%-е проплавление образца, представленное на рис. 6 (б).

После анализа результатов реально полученного проплавления с полученными на основании построенной математической модели по микроволновому излучению было установлено, что глубины проплавления при обоих методах несколько отличаются.

Это связано, прежде всего, с несовершенством использованной в ходе эксперимента регистрирующей техники [5]. Несмотря на малую скорость сварки, сами термодинамические процессы и соответствующие им излучения протекают очень быстро. Регистрирующая техника работала на максимальном пределе своих характеристик и скорости регистрации величины излучения не хватало. Для построения математической модели было использовано зарегистрированное микроволновым датчиком пространственное распределение энергии, для недостающих данных был использован метод аппроксимации двух соседних полей.

Другим фактором, который повлиял на разли-

чия между моделируемыми и реальными результатами, стало упрощение алгоритма и различные допущения, которые были применены для облегчения расчетов электронно-вычислительной машиной в режиме реального времени.

Выводы

Таким образом, можно сделать вывод, что температура поверхностного распределения является чувствительным индикатором качества сварки. Экспериментальные исследования четко показывают, что используя микроволновый спектр излучения можно обнаружить отсутствие проплавления, а также дать оценку непровару. Анализ распределения микроволнового излучения с поверхности, как зависимость от различной степени проплавления металла, четко показывает, что тепловой профиль для сварочной ванны и площадь расплавленного металла имеют зависимость и это может быть использовано как чувствительный индикатор глубины проплавления. Т.к. микроволновый спектр излучения полностью зависит от подводимой энергии генерируемой сварочным источником, а ее количество может быть отрегулировано в любой момент времени с помощью таких параметров как ток, напряжение, и измеряя параметры излучения можно их использовать для адаптивного контроля.

Литература

1. Волков Р.О., Волков В.В., Петренко В.Р. Термосенсорная диагностика сварного шва // Инновации в авиационных комплексах и системах военного обеспечения. Инженерное обеспечение полетов авиации. Военностроительный комплекс и конструкции. Всероссийская научно-практическая конференция. Воронеж: Изд-во ВВАИУ, 2009, ч. 3. - с. 62-66

2. Волков Р.О., Волков В.В. Контроль электродуго-вого сварочного процесса и методы его автоматизации. // Современные технологии в машиностроении. Сборник статей XIV международной научно-практической конференции. Пенза: Изд-во Приволжский дом знаний. 2010г. -с. 245-246

3. Потапьевский А.Г. Сварка в защитных газах плавящимся электродом. М.: Машиностроение, 1974. - 240 с.

4. Фролов В.В. Теория сварочных процессов. М.: Высшая школа, 1988. - 559 с.

5. Кьеллстрем П., Ольссон Б. В. Модернизация автоматических сварочных систем // Буе18агеи. №1, 2005. -.

- с. 20-21.

Воронежский государственный технический университет Военный авиационный инженерный университет, г. Воронеж

DETECTION OF LACK OF FUSION AND ESTIMATING THE DEPTH OF PENETRATION

IN REAL TIME ARC WELDING

V.R. Petrenko, V.V. Volkov, R.O Volkov

This article describes the technique detect lack of fusion with the use of microwave sensors and estimates of the depth of penetration in electric arc welding in inert gas in real time. Results and analysis of the data delivered by the experiment prove that using the microwave technique can detect lack of penetration and establish the depth of penetration in real time. Also, the linear relationship can be established between the surface thermal profile and the depth of penetration

Key words: welding, microwave radiation, lack of penetration, the depth of penetration