сотрудник с 01.01.2013 по настоящее время
Могилев, Беларусь
сотрудник
Могилев, Беларусь
Могилев, Беларусь
Могилев, Беларусь
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 55.18 Сборочное производство
Приведено описание информационно-измерительного комплекса для осуществления дуговой сварки в защитных газах с регистрацией параметров режима и высокоскоростной съемкой каплепереноса электродного металла. Разработано программное обеспечение, позволяющее управлять комплексом и определять энергетические параметры на отдельных стадиях процесса переноса. Представлены результаты исследования процесса СМТ (холодный перенос электродного металла).
дуговая сварка, высокоскоростная съемка, регистратор, сварочные процессы, электродный металл
Введение
Одним из способов совершенствования процессов дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитных газов является управление переносом электродного металла. Разработки в данном направлении ведут многие производители сварочного оборудования. Компании Lincoln Electric (США), Kemppi (Финляндия), EWM (Германия), ESAB (Швеция), СЭЛМА-ИТС (Россия) реализуют алгоритмы высокоскоростного цифрового управления формой сварочного тока и напряжения на дуге [1]. Фирма Fronius (Австрия) разработала процесс СМТ (Cold Metal Transfer - холодный перенос электродного металла). Суть технологии заключается в том, что при коротком замыкании капли расплавленного металла электрода в сварочную ванну снижают передаваемую электрическую энергию и за счёт отвода проволоки вверх отделяют её. В результате снижается тепловложение в основной металл, увеличивается скорость сварки, уменьшается разбрызгивание электродного металла, становится более стабильным процесс горения дуги [2].
Разработка нового оборудования для механизированной дуговой сварки с управляемым отрывом капель электродного металла требует всестороннего изучения процессов тепломассопереноса в сложной электродинамической системе источник питания – дуга – сварочная ванна, исследований влияния энергетических параметров режима сварки на кинетику плавления и переноса электродного металла. Применяемые при этом исследовательские комплексы являются уникальными [3].
Методика исследований
При изучении процессов управляемого переноса электродного металла при дуговой сварке возникают трудности. Первая связана с высокой скоростью перехода капель в сварочную ванну, которая может достигать 300 Гц [4]. При этом частота работы инвертора сварочного источника питания составляет десятки килогерц. Эта проблема устраняется использованием цифровых скоростных видеокамер с частотой регистрации в несколько тысяч кадров в секунду и современных регистраторов параметров режима сварки с частотой оцифровки до десятков мегагерц. Вторая трудность связана с мощным световым излучением сварочной дуги и устраняется использованием активной подсветки зоны сварки [5].
На рис.1 представлена схема системы видеорегистрации с активной подсветкой.
Рис. 1. Схема активной подстветки зоны сварки: 1 - источник активной подсветки;
2 - фокусирующая линза; 3 - сварочный стол; 4 - блок фильтров;
5 - камера высокоскоростной съёмки
В качестве источника мощного светового излучения использовалась галогенная лампа H1 12V 55W P14,5S при питании от источника регулируемого напряжения ATTEN TPR3020S в диапазоне от 10 до 14 В. Мощность источника подсветки, типы используемых фильтров зависят от параметров режима сварки, материала свариваемых деталей и электродной проволоки, защитного газа.
Для наблюдения за процессом управляемого переноса электродного металла использовалась камера высокоскоростной съёмки Evercam 1000-4-С, позволяющая с помощью CMOS сенсора вести съемку с частотой от 1000 до 22500 к/с, минимальное время экспозиции - 1 мкс с шагом в 1 мкс, сигнал внешнего синхронизатора – TTL [6].
При визуализации сварочного процесса необходимо учитывать особенности физических явлений, сопровождающих процессы генерации дуги газового разряда и плавления основного и расплавленного металла. Спектральный состав регистрируемого камерой излучения в основном состоит из множества узких и плотно расположенных интенсивных линий, испускаемых при ударной ионизации газовой среды, а также соударения электронов дуги с атомами метала при его разогреве и зависит от способа и режимов сварки, физических характеристик газовой среды, сварочных материалов и изделия (рис. 2, кривая 1). Следует отметь что стабилизация спектра излучения плазмы газового разряда как по спектру так и по интенсивности представляет собой сложную задачу, зачастую невыполнимой в силу приоритета режимов сварки. В свою очередь нагретый до высоких температур металл сам является источником высокоинтенсивного теплового излучения с непрерывным спектром с максимумом спектральной плотности энергетической светимости в инфракрасной области спектра. Интегральная интенсивность излучения расплавленного металла (сварочной капли) пропорциональна четвёртой степени его абсолютной температуры. При этом скорость убывания интенсивности при охлаждении капли в инфракрасной области меньше, чем в видимой и ультрафиолетовой, что и определило выбор нами спектрального диапазона визуализации процесса.
Рис. 2. Спектральный состав сварочной дуги (1), зарегистрированный спектрофотометром
в области 343-1058 нм, а также спектр пропускания светофильтров (2),
выделяющих спектральный диапазон визуализации сварочного процесса
На рис. 2 показан зарегистрированный во время сварочного процесса спектральный состав излучения, испускаемый при дуговой сварке в среде CO2 проволокой Св08Г2С диаметром 1 мм при сварочном токи Iсв=220 А и напряжении на дуге Uд=25 В. Регистрация проводилась спектрофотометром SL40-2 в диапазоне длин волн от 343 до 1058 нм (ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазон), что перекрывает спектральный диапазон чувствительности скоростной камеры. Как видно из рисунка максимум интенсивности излучения, находящийся в ультрафиолетовой области, в основном имеет линейчатую природу. При переходе в длинноволновую интенсивность линейчатого спектра убывает, оставляя небольшое спектральное «окно» теплового излучения в диапазоне от 950 до 1050. Пунктирной линией 2 показан спектральный коэффициент пропускания светофильтров, применяемых для отсечения излучения плазмы сварочной дуги. Таким образом, визуализация динамики сварочной капли осуществлялась в инфракрасном диапазоне, с одной стороны ограниченном кривой спектрального пропускания светофильтров, а с другой стороны спектральной кривой чувствительности матрицы скоростной камеры.
Описание комплекса
Разработанный в Белорусско-Российском университете информационно-измерительный комплекс (рис. 3) выполняет следующие функции:
- дуговую сварку в среде защитных газов с регулируемыми параметрами режима (сварочного тока, напряжения на дуге, расхода защитного газа или смеси газов);
- автоматическое перемещение сварочной горелки с программируемой скоростью;
- скоростную видеосъемку и визуализацию процесса переноса электродного металла;
- регистрацию и обработку мгновенных значений параметров режима дуговой сварки;
- синхронизацию начала и окончания сварки с записью в память компьютера параметров режима и скоростной видеосъемки;
- программное совмещение осциллограмм энергетических процессов с картинами переноса электродного металла;
- программную обработку экспериментальных данных.
Рис. 3. Внешний вид информационно-измерительного комплекса: 1- сварочная горелка
в составе робототехнического комплекса; 2- сварочный источник питания; 3- оптическая
скамья; 4- сварочный стол; 5- источник светового излучения с фокусирующей линзой;
6- блок питания источника света; 7- камера высокоскоростной съемки с набором
фильтров; 8- регистратор параметров сварочных процессов с датчиками;
9 - персональный компьютер с разработанным программным обеспечением
Сварка осуществляется с помощью цифрового источника инверторного типа Fronius TransPuls Synergic 3200 на токах до 320 А. Наряду со стандартными методами сварки (MIG/MAG), аппарат поддерживает сварочный процесс CMТ. Перемещение сварочной горелки производится автоматически с использованием робота FANUC Robot ARC Mate 100iC.
Запись параметров режима сварки осуществляется с помощью регистратора РКДП-0401, выполненного на базе платы модуля ввода-вывода Е14-440D для 14-разрядного аналого-цифрового преобразования. Блок гальванической развязки платы содержит широкополосные изолирующие усилители AD215BY с полосой пропускания до 120 кГц, при этом регистратор может снимать сигналы с датчиков частотой до 100 кГц на один канал, что позволяет регистрировать процессы переноса электродного металла.
Применяемые датчики параметров режима:
- датчик мгновенных значений сварочного тока типа на эффекте Холла LT 1000-SI: 1…1000 А, приведенная погрешность 1%;
- датчик мгновенных значений напряжения типа LV 100/SP83: до 1000 В, приведенная погрешность 0,7%;
- датчик расхода защитного газа типа AWM5104: 0...20 л/мин, приведенная погрешность 1%.
Разработано программное обеспечение в среде графического программирования LabVIEW [7], позволяющее осуществлять:
- настройки и программирование параметров высокоскоростной съемки, режима сварки, скорости перемещения горелки;
- синхронное начало и окончания сварки с записью параметров режима и скоростной видеосъемки;
- регистрацию и обработку мгновенных значений параметров режима дуговой сварки, наложение на осциллограммы картин переноса электродного металла, определение энергетических параметров на разных интервалах процесса каплепереноса.
Для запуска информационно-измерительного комплекса необходимо включить сварочный источник питания, устройство перемещения горелки (робот), блок питания источника подсветки, компьютер с установленным программным обеспечением. После производится предварительная фокусировка источника светового излучения на сварочную дугу, фокусировка камеры высокоскоростной съемки, установка требуемых фильтров. Далее программно задаются параметры режима сварки, высокоскоростной съемки и регистрации сигналов с датчиков. Запуск процесса синхронизированной записи осуществляется с персонального компьютера, сигнал с которого посредствам последовательного порта USB поступает на модуль цифрового входа-выхода регистратора параметров сварочных процессов. Далее через цифровые выходы модуля регистратора с использованием твердотельных реле («сухого» контакта) производится запуск источника питания активной подсветки зоны сварки, сварочного источника питания, сварочного робота для перемещения горелки. В момент зажигания дуги осуществляется запуск высокоскоростной съемки и записи параметров режима сварки регистратором.
Обработка результатов исследований
На рис. 4 представлены осциллограммы сварочного тока, напряжения на дуге и мгновенной мощности для процесса СМТ (холодный перенос электродного металла). Частота сбора данных составляла 20 кГц. Частота видеосъемки - 2000 кадров в секунду при экспозиции 1/2000 с и разрешении 640х400 пикселей. Между курсором 1 и курсором 2 расположен полный цикл переноса капли расплавленного металла, а на рис.6 представлены отдельные видеокадры процесса, соответствующие отметкам 1..6 на осциллограмме. Кадру 1 соответствует начало зажигания дуги, при этом происходит прямая подача проволоки (стрелка вниз). На этапе горения дуги (кадры 2 и 3) происходит формирование капли расплавленного металла. Кадр 4 соответствует режиму короткого замыкания капли в сварочную ванну. При этом происходит резкое падение напряжения uд и ограничение сварочного тока iсв на уровне 95 А (кадр 5), суммарная электрическая мощность p при этом стремится к нулю (холодный перенос). Кадру 6 соответствует реверсивная (вверх) подача проволоки, способствующая отрыву капли расплавленного металла и последующему повторному зажиганию дуги. Длительность одного цикла переноса составила 14 мс, что соответствует частоте отрыва капель 71 Гц.
Рис. 4. Осциллограммы параметров сварочного процесса:
uд - напряжения на дуге, iсв - сварочного тока, p – мгновенной мощности
Рис. 5. Видеокадры процесса плавления и переноса электродного металла
Разработанная программа позволяет с помощью перемещаемых по осциллограммам курсорам не только отображать кадры видеосъемки, соответствующие данному моменту времени, но и вычислять минимальные максимальные и средние значения измеряемых величин, энергетические параметры на заданном с помощью курсоров интервале времени. Так на рис.4 производится индикация энергии (Energy_Cons=24,24 Дж), затраченной на формирование одной капли расплавленного металла (интервал времени между курсорами 1 и 2).
В ходе экспериментальных исследований установлено, что для процесса дуговой сварки в защитных газах оптимальная частота сбора данных регистратором составляет 10-20 кГц, а частота видеосъемки 1500-2000 кадров в секунду при разрешении от 640х608 до 320х400 пикселей, что позволяет эффективно изучать быстропротекающие процессы каплепереноса.
Выводы
1. Сварочная дуга обладает широким спектром излучения от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной области. Для видеонаблюдения за процессом сварки использовали метод активной подсветки с последующей фильтрацией изображения. Установлено, что визуализацию динамики перехода сварочной капли при дуговой сварке плавящимся электродом в защитных газах следует производить в инфракрасном диапазоне, с одной стороны ограниченном кривой спектрального пропускания светофильтров – 950 нм, а с другой стороны спектральной кривой чувствительности матрицы скоростной камеры – 1050 нм.
2. Для исследования быстропротекающих процессов переноса электродного металла при дуговой сварке оптимальная частота регистрации данных составляет 10-20 кГц, а частота видеосъемки 1500-2000 кадров в секунду.
3. Разработанное программное обеспечение в среде LabVIEW позволяет задавать параметры режима сварки и сбора данных, управлять устройствами информационно-измерительного комплекса и вычислять энергетические параметры на разных стадиях процесса плавления и переноса электродного металла.
1. Лебедев В.А. Тенденции развития механизированной сварки с управляемым переносом электродного металла // Автоматическая сварка. 2010. № 10. С. 45-53.
2. Бондаренко В.Л. Дуговая сварка с импульсной подачей электродной проволоки - процесс СМТ, предложенный фирмой «Фрониус» // Автоматическая сварка. 2004. № 12. С. 55-58.
3. Сараев Ю.Н., Лунев А.Г., Киселёв А.С., Гордынец А.С., Тригуб М.В. Комплекс для исследования процессов дуговой сварки // Автоматическая сварка. 2018. № 8. С. 15-24.
4. Сараев Ю.Н., Чинахов Д.А., Ильященко Д.П., Киселёв А.С., Гордынец А.С. Исследование стабильности плавления и переноса электродного металла в процессе дуговой сварки плавящимся электродом от источников питания с различными динамическими характеристиками // Сварочное производство. 2016. № 12. С. 7-16.
5. Перковский Р. Видеосъемка сварочных процессов. Сложности и специфика наблюдения // Системы безопасности: спец. приложение "Video & Vision". 2014. С. 90-93.
6. Высокоскоростные камеры EVERCAM. URL: http:// evercam.ru/dokumentatsiya (дата обращения: 19.03.2020).
7. LabVIEW - автоматизация научных исследований . URL: http:// www.labview.ru (дата обращения: 19.03.2020).
