Методика адаптивного контроля сварочной ванны измерением микроволнового излучения возникающего при электродуговой сварке

УДК 621.791.01

МЕТОДИКА АДАПТИВНОГО КОНТРОЛЯ СВАРОЧНОЙ ВАННЫ ИЗМЕРЕНИЕМ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ВОЗНИКАЮЩЕГО ПРИ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ

СВАРКЕ

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

В статье рассмотрен способ адаптивного контроля сварного шва в реальном масштабе времени измерением характеристик микроволнового излучения, исходящего от высокотемпературной области дуги и сварочной ванны в среде защитного газа. Представлена методика проведения эксперимента и установка, с помощью которых получены результаты. На основе полученных данных апробирована методика адаптивного контроля процесса формирования сварного соединения. Применение предлагаемой методики позволит повысить качество формируемых швов в процессе электродуговой сварки, уменьшить трудозатраты операторов сварочного оборудования

Ключевые слова: микроволновое излучение, контроль, сварка, адаптивная система

Введение

Машиностроение, строительство являются основными потребителями процессов на основе элек-тродуговой сварки и с каждым годом объем производства, применяющего данную технологию, увеличивается. В ближайшее время не предвидится альтернативной технологии способной заменить ее в областях конструирования сложных систем. И разработка методик сварки и контроля с применением новых технологий становится с каждым годом актуальней.

Из всех технологических операций при сварке стоит отметить контроль самого процесса в режиме реального масштаба времени, как способ достижения заданного качества не только металла шва, но и всей формируемой конструкции в целом. Сварка представляет собой сложный технологический процесс, в котором контроль регистрацией микроволнового излучения является одним из перспективных способов современного мониторинга получаемых сварных швов. В данной статье рассмотрено экспериментальное исследование процесса мониторинга формируемого шва и методика адаптивного контроля за его температурным режимом с использованием физического свойства разогретых до высокой температуры тел испускать микроволновое излучение.

В процессе сварки плавящимся электродом можно наблюдать излучение, исходящее от высокотемпературной электрической дуги [1] и области металла нагретого до температуры плавления, собственно сварочной ванны. Излучение представляет собой электромагнитное излучение, включающее в себя сантиметровый и миллиметровый диапазоны радиоволн (от 30 см — частота 1 ГГц до 1 мм — 300 ГГц). Несмотря на то, что границы между инфракрасным, терагерцовым, микроволновым излучением и ультравысокочастотными радиоволнами при-

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

близительны и могут определяться по-разному, мы будем говорить в основном об области миллиметровых волн. Уникальность микроволнового излучения заключается в помехоустойчивости по отношении к искровым разрядам при сварке. При его использовании в техническом зрении это свойство позволяет информативно расширить наблюдаемую зону сварочной ванны за счет отсечения большей части помех из всего спектра излучения. Также известно, что с ростом температуры тела увеличивается интенсивность излучения. Измеряя излучение и вычисляя температуру сварочной ванны и дуги, в каждый момент времени можно построить систему бесконтактного контроля температуры. Регулируя такие сварочные параметры как ток, напряжение, скорость подачи проволоки и т.д., оказываем влияние на температурную область сварочной дуги и, используя это свойство можно разработать систему контроля и мониторинга за процессом сварки. Обеспечение обратной связи в системе и подстройка под требуемые параметры приводит к использованию не только адаптивного управления, но и контроля.

Эксперимент

Анализа рынка оборудования для дуговой сварки плавлением, показал, что наиболее распространенным способом сварки в промышленности продолжает оставаться полуавтоматическая сварка плавящимся электродом в среде защитных газов (MIG/MAG процесс). При этом MIG/MAG процесс используется не только при механизированной, но и при автоматизированной и роботизированной сварке [2]. Соответственно, на такой способ сварки приходится большое количество швов подверженных тому или иному методу контроля. Ввиду такой распространенности данного способа сварки для проведения эксперимента была выбрана автоматическая сварка плавящейся проволокой в среде защитного газа. В качестве защитного газа применена газовая смесь, состоящая из 86% аргона, 12% углекислого газа, 2% кислорода, что позволило получить устойчивую дугу с широкой зоной нагрева и хорошим профилем провара, подходящей как для глубокого проплавления, сварки коротких швов, так и для на-

плавки. В смеси получается устойчивая дуга с низким уровнем разбрызгивания, небольшим усилением и плоским гладким профилем сварного шва. Возможность использования смеси для сварки во всех пространственных положениях снимает ограничения и позволяет отработать процессы в ходе эксперимента. Данный защитный газ хорошо подходит не только для ручной, сварки с применением робота-автомата, но простой автоматической сварки.

Для обеспечения необходимой информацией узла автоматики разработаны и изготовлены датчики регистрирующие часть микроволнового спектра, а также совмещенное оптическое изображение места сварки, на рис. 1 показана конструкционная схема датчика.

Рис. 1. Конструкционная схема датчика:

1 - волновод; 2 - секция подачи инертного газа; 3 - защитное кварцевое стекла; 4 - сменный светофильтр; 5 -пластина - основание; 6 - термостойкая резиновая прокладка; 7 - регистрирующая цифровая камера. Рассмотрим подробнее все элементы конструкции.

Волновод (1) выполнен из бронзы марки БрОЦС5-5-5. Материал волновода способствует отведению тепла от его края приближенного к месту сварки и более равномерному распределению с дальнейшим отводом. Также, выбранный материал препятствует свариваемости капель расплавленного металла с корпусом волновода. Это способствует быстрому отслоению капель расплавленных брызг металла, которым удалось попасть на поверхность волновода. Волновод обеспечивает направленность датчика, отсеивая часть радиопомех, что помогает производить в узком наблюдаемом диапазоне волн. Отсечение лишней информации упрощает алгоритм адаптивного контроля и в дальнейшем существенно снижает время реакции системы. Защита внутренней части волновода от брызг металла обеспечивается подачей защитного газа, который подавался под давлением через специальную секцию 2. Секция подачи аргона выполнена из бронзы и выполнена в виде четырех отверстий, в которые вставлены под-

водящие штуцера, соединенные с бронированными шлангами подачи защитного газа.

За секцией подачи газа расположено защитное прозрачное окно из плавленого кварца 3 совмещенное с дюралюминиевой оправой из Д-16, обладающей достаточной жесткостью и высокой теплопроводностью. Защитное окно блокирует поток аргона по направлению к регистрирующей технике и обеспечивает защиту сменного светофильтра 4 от расплавленных брызг металла.

Окна представляют собой специальные термопрочные кварцевые стекла, для вычленения заданного спектрального диапазона излучения и обеспечивающие его дальнейшую регистрацию измерительным оборудованием 7. Все элементы конструкции крепятся на установочную дюралюминиевую пластину 5.

На рис. 2, показан конструктивный разрез датчика установки и вид со стороны входа волн.

1 - крепежный элемент, винт; 2 - трубка для подачи инертного газа; 3 - крепежный элемент, гайка; 4 - крепежная секция; 5 - болты, передающие нагрузку на установочную поверхность.

Прохождение измеряемых волн ІЯ и ЯР диапазонов по волноводу не ослабляется на пути к чувствительным сенсорам регистрации. Отсутствие сложной оптики способствует, как удешевлению, так и уменьшению бликования от источника с высокой излучательной способностью.

Подача газа через волновод также препятствует осаждению сгоревших веществ в процессе сварки на защитное стекло.

Благодаря крепежным секциям представленной конфигурации, датчик можно закрепить на установочной поверхности в широким диапазоне геометрического регулирования. Правильно выбранная позиция для наблюдения существенно облегчает мониторинг сварочного процесса.

Ввиду того, что за последние годы разработано много типов матричных детекторов [3], был проведен анализ датчиков теплового сканирования, и наиболее широкое распространение получили следующие технологии:

1. Системы, требующие криогенного охлаждения.

2. Микроболометры — приборы для измерения тепловой энергии, использующие эффект изменения теплового сопротивления, включающие датчики из аморфного кремния, различных модификаций вана-дий-оксидных (VOx) и других материалов.

3. Пирометры — приборы, основанные на эффекте тепловой поляризации пироэлектрических материалов.

4. Отслеживающие CCD- и CMOS-датчики.

5. MEMS-терпопили (Thermopile MicroElectro-Mechancial Systems).

6. Термооптические датчики (технология Red-Shift Systems).

В качестве регистрирующей техники были выбраны цифровые камеры с CCD- и CMOS сенсорами, представленные в табл. Выбор камер с таким типом сенсоров обусловлен в первую очередь их быстротой срабатывания и высокой чувствительностью к излучению при абсолютно бесконтактной работе с объектом [4]. Отличие камер друг от друга заключается, прежде всего, в типе регистрирующего сенсора - CCD- или CMOS матрицы. CCD матрица чувствительнее, но имеет большую инертность при высокоскоростной регистрации микроволнового излучения. CMOS матрица выигрывает в скорости съемки, но имеет большие шумы [5].

Камера присоединена к компьютеру, который регистрировал все полученные данные для последующей камеральной обработки. Соединение осуществлялось экранированным кабелем по стандарту интерфейса USB 2.0, позволяя передавать цифровые изображения без задержек.

Характеристики примененных электронных регистраторов

Результаты

Регистрирующая система установки была направлена в область формирования сварного шва, и в

процессе электродуговой сварки обеспечивала необходимый поток изображений шва.

Микроволновое излучение позволило наблюдать картину, которая не видна в видимом спектре излучения для глаза сварщика. Техническое зрение, позволило не только запечатлеть картину происходящего, но и на основе математического анализа с помощью программного обеспечения СОМЕОЬ Multiphysics 4 построить модель сварочной ванны в режиме реального времени и также менять алгоритм изменения параметров сварки: ток, напряжение, скорость подачи проволоки и тд. Совмещенное изображение микроволнового излучения и соответствующего сварного шва показано на рисунке 3.

1 2 3 4

чения и соответствующего сварного шва:

1 - металл заготовки; 2 - остывающее расплавленное ядро; 3 - остывающий металл на границе сред; 4 - усадка металла шва

Из рисунка отчетливо видно, что оптическое изображение и полученное поле микроволнового излучения в горизонтальной плоскости частично совпадают. Однако возникающие перепады мощности излучения не совпадают с областями максимальной температуры и близки к границам градиентных скачков. Это обусловлено появлением интенсивных флуктуаций поверхностного тока, характеризующего перекристаллизацию структуры металла остывающего шва.

После обработки в вычислительном устройстве изображения и микроволнового излучения и на основании алгоритма рабочей модели устанавливались оптимальные параметры для входных параметров сварочного процесса.

Выводы

На основании полученных данных предлагается разработанная экспериментальная технологическая установка адаптивного контроля сварочной ванны измерением микроволнового излучения возникающего при электродуговой сварке и показанной на рис. 4.

Основная информация о параметрах дуги поступает от регистрирующих датчиков. Ориентация датчиков обеспечивается соответствующими держателями, позволяющими достичь максимальной эффективности контроля сварки. Материалы, из которых выполнен корпус установки, позволяют обеспечивать выполнение работ в жестких условиях. Это важно для точного регулирования не только выходных параметров от сварочного источника, но и точного позиционирования горелки относительно свар-

Марка цифровой камеры Fujifilm FinePix HS10 Casio Exilim Pro EX-F1 Canon PowerShot SX210 IS

Число эффективных пикселов, млн 10,3 6 14,1

Тип матрицы CMOS CMOS ŒD

Форматы изображения RAW RAW JPEG

Скорость съемки, кадр./сек 10 60 0,7

Фокусное расстояние, мм 24 - 720 36 - 432 28 - 392

Формат записи видео, видеокодек MOV, MPEG4 MOV, MPEG4 MOV, MPEG4

Максимальная частота кадров, кадр./сек 1000 1200 30

ного шва и дозированной подачи присадочной проволоки в область сварки.

ЭВМ

Рис. 4. Экспериментальная технологическая установка адаптивного контроля сварочной ванны

Таким образом, применение предлагаемой методики позволит повысить качество формируемых

швов в процессе электродуговой сварки, уменьшить трудозатраты операторов сварочного оборудования.

Литература:

1. Волков Р.О., Петренко В.Р., Волков Р.О. Контроль формирования сварного соединения по флуктуациям высокочастотного поля. // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2009». V Всероссийская научно-техническая конференция. Казань: КГТУ им. А.Н. Туполева, 2009. Т. 2. -с. 423-427.

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

3. Справочник по инфракрасной технике / ред. Волф У., Цисис Г. - М.: Мир: Приборная база ИК-систем / Лим-перис Т., Мудар Дж., Стекл Э., Холл Дж. - 1999. Т. 3 - 471 с.

4. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы смотрящего типа. М.: Логос, 2004. - 443 с.

5. Якушенков Ю. Г. Теория и расчет оптикоэлектронных приборов. М.: Логос, 2004. - 480 с.

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

METHOD OF ADAPTIVE CONTROL WELD POOL MEASUREMENT OF MICROWAVE

RADIATION DURING ARC WELDING

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

This article describes method of adaptive control of the weld in real time by measuring the characteristics of microwave radiation emitted by high-temperature region of the arc and weld pool in the inert gas. Presents a methodology of the experiment and set up, by which the results are. Methodology adaptive control process of forming a welded joint was tested on the basis of of the data obtained. Application of the proposed method will improve the quality of joints formed during arc welding, reduce labor costs of operators of welding equipment

Key words: microwave radiation, control, welding, adaptive system