Способы контроля величины проплавления с обратной стороны свариваемого изделия
Качество сварного соединения обусловливается его механическими и коррозионными свойствами, зависящими от геометрических размеров и формы сварного шва. Стабилизация геометрических размеров шва способствует повышению качества сварного соединения. Но не во всех случаях это условие можно считать единственным критерием качества. Например, при сварке металлов, склонных к закаливанию или образованию горячих или холодных трещин, важным фактором является также поддержание заданного термического цикла в процессе сварки, обеспечивающего необходимую скорость охлаждения металла. Только при этом условии можно получить требуемую структуру сварного шва и околошовной зоны.
Для измерения температуры целесообразно применять бесконтактные датчики, действие которых основано на измерении интенсивности излучения с поверхности металла. Использование контактных датчиков (например, скользящей термопары, одной ветвью которой является стержень или ролик, катящийся по поверхности металла, а другой — свариваемый металл) приводит к большим погрешностям из-за инерционности датчика и отсутствия постоянного контакта между ним и металлом. Применение бесконтактных датчиков позволяет приблизить точку измерения температуры (площадку визирования датчика) к сварочной дуге.
Однако имеются ограничения на приближение площадки визирования к сварочной дуге, так как полезный сигнал «забивается» помехами, вызванными прямым или отраженным излучением дуги. Иногда удобен вариант размещения площадки визирования датчика с обратной стороны шва. При этом необходимо обеспечить защиту датчика от пыли, повреждения расплавленным металлом, температурного воздействия окружающей атмосферы.
Необходимо также проектировать устройства, упрощающие операцию визирования датчика на точку измерения температуры. Устройство визирования (рисунок 4.25) состоит из трех бесконтактных датчиков температуры. Точки визирования датчиков Д1 и Д3 расположены на одинаковом расстоянии от точки визирования датчика Д2. Сигналы с Д1 и Д3 поступают на сравнивающее устройство. Разность между ними усиливается усилителем. Полученное напряжение суммируется с напряжением генератора, питающего двигатель Ml механизма перемещения сварочного аппарата и двигатель М2 коррекции устройства визирования. Разница в скорости перемещения устройства визирования и сварочной горелки преобразуется в напряжение обратной связи Uoc. Система поиска работает таким образом, что если сигнал датчика Д1 больше сигнала датчика ДЗ, то двигатель М2 через редуктор Р2 перемещает устройство визирования влево относительно дуги и наоборот если сигнал ДЗ больше сигнала Д1. Предполагается, что наиболее нагретая точка находится между точками визирования Д1 и ДЗ и ее температуру измеряет датчик Д2.
СА — сварочный аппарат; УВ — устройство визирования; Г — генератор; Uн, Uвых, Uэ — напряжение с датчиков Д1, Д2 и ДЗ соответственно;
Рисунок 4.25 – Система поиска точки визирования оптического датчика проплавления
Рисунок 4.26 – Изотермы для линейного быстродвижущегося источника нагрева и различных температур для стальных пластин толщиной 3 мм: 1, 2, 3 — изотермы, соответствующие температуре 1 600 °С при сварочных токах 120; 150; 180 А соответственно; 4 — изотерма, соответствующая температуре 400 °С при токе 150 А |
Лучшие характеристики имеют кремниевые фотодиоды. Они более температуростабильны и имеют хорошую спектральную чувствительность в диапазоне волн λ < 1,2 мкм, не воспринимая излучения закристаллизовавшегося металла и металла околошовной зоны, когда λ > 1,2 мкм.
Обычно кремниевые фотодиоды применяют в комбинации с фильтрами. Используя спектральные кривые коэффициента пропускания различных стекол, можно выбрать оптическое стекло с необходимой характеристикой по пропусканию. Излучение от околошовной зоны полностью подавляется и не проходит на чувствительный слой фотодиодного приемника. При создании работоспособного датчика очень важно защитить его от теплового воздействия среды и дуги. При нагреве фотодиода возникают изменения его параметров, что приводит при отсутствии излучения от объекта к появлению напряжения навыходе измерительной схемы. Для устранения этого недостатка разработаны два схемных решения, существенно снижающих эффект дрейфа ложного срабатывания схемы:
•использование в схеме двух идентичных фотодиодов: рабочего и компенсационного (рисунок 4.27);
•использование одного фотодиода, но в паре с операционным усилителем. Схема эффективна при оптимальном выборе нагрузки фотодиода, который при облучении световым потоком от объекта работает в режиме генерации фототока.
Обычно нагрузку выбирают менее 10 Ом. Это позволяет увеличить быстродействие и повысить линейность световой характеристики измерительной схемы.
а — измерительная схема; б — конструкция датчика; 1 — стекло простое; 2 — фильтр; 3 — фетр; ФД1 — рабочий фотодиод; ФД2 — компенсационный фотодиод; R — резистор; RP — потенциометр; Um — опорное напряжение; Φ — световой поток; Iн, RH — ток и сопротивление нагрузки
Рисунок 4.27 – Измерительная схема и конструкция датчика величины проплавления с двумя фотодиодами
Чувствительный элемент датчиков проплавления — это фотоэлемент 2 (рисунок 4.28). Все датчики содержат защитный кожух, фокусирующую и передающую оптику. В некоторых конструкциях кожух датчиков дополнительно охлаждается либо только водой, либо струей газа и водой вместе. Газ в процессе сварки используют также для защиты обратной стороны шва. Струя газа, не влияя на спектр лучистого потока, предохраняет входной зрачок датчика от запыленности. Конструкция, представленная на рисунок 4.28, б, дает возможность оператору визуально наблюдать за процессом формирования обратной стороны шва с помощью окуляра. Датчик содержит в себе простой надежный светофильтр 1 в виде миллиметрового слоя проточной воды, позволяющий выделить сигнал в видимой области спектра.
а — с оптическим светофильтром без вспомогательного охлаждения; б — с водяным светофильтром и охлаждением; в — без светофильтра с водяным и газовым охлаждением; J — светофильтр; 2 — фотоэлемент; СГ — сварочная горелка
Рисунок. 3.28 – Конструкции оптических датчиков проплавления стыка
Датчик, показанный на рисунок 4.29, а, предназначен для измерения величины проплавления с обратной стороны изделия при аргонодуговой сварке трубчатых изделий из циркониевых, титановых и аустенитных сталей. Особенность применения датчика — это возможность использовать его непосредственно под зоной сварки в стесненных условиях (из-за малых поперечных размеров). В зону контроля сварки датчик вводят на жесткой штанге, через которую подают аргон (для защиты входного оптического отверстия и охлаждения датчика) и выводят электрические сигналы.
Датчик использован на заводе «Эльмаш», г. Электросталь, при сварке циркониевых трубчатых чехлов. Датчик размещен под зоной сварки в продольной канавке сечением 20×20 мм, выполненной в медной подкладке. Сварку чехлов толщиной 3 мм выполняют неплавящимся электродом в среде аргона в непрерывном режиме. Погрешность измерения ширины обратного валика не превышает 10%.
Излучение от обратного валика (рисунок 4.29, б) через фокусирующую оптику и светофильтр попадает на фотоприемник. Светофильтр пропускает только излучение с длинами волн, соответствующими расплавленному металлу, когда λ<0,5 мкм. Таким образом, величина проплавления оказывается пропорциональна сигналу фотоприемника. Темновой фотоприемник служит для компенсации температурных дрейфов. После предварительного усиления сигналы от фотоприемников вычитаются в инструментальном усилителе с регулировкой коэффициента усиления. Фильтр низких частот ослабляет сигналы с частотой выше 100 Гц. Сумматор служит для аналоговой регулировки «сдвига нуля». Через буферный усилитель сигнал поступает на аналоговый выход для использования в системе регулирования. АЦП преобразует сигнал в цифровую форму. Микроконтроллер отображает величину проплавления в цифровом виде. Клавиатура служит для задания коэффициента пересчета значения кода АЦП в ширину обратного валика в миллиметрах. Микроконтроллер имеет последовательный интерфейс для передачи данных в ЭВМ для дальнейшей обработки и сохранения.
а — конструкция: 1 — диафрагма; 2 — зеркало из полированной меди; 3 — светофильтр; 4 — опорные ролики; 5 — собирающая линза;
6 — рабочий фотодиод; 7 — свариваемое изделие; 8 — темновой фотодиод;
б — функциональная схема
Рисунок 4.29 – Малогабаритный датчик величины проплавления при сварке трубчатых изделий на медной подкладке с технологической канавкой
При плазменной сварке применяют способ регулирования проплавления по контролю (с обратной стороны изделия) параметров факела ионизированных газов (рисунок 4.30). Параметры факела измеряют с помощью фотоэлектрического датчика (рисунок 4.30, а) или по разности потенциалов между свариваемым изделием 1 и искусственно вводимой под деталь контактной подложкой 2 (рисунок 4.30, б).
Экспериментально установлена линейная зависимость между шириной обратного валика и измеряемыми параметрами факела.
Из-за сложности визирования датчика с обратной стороны шва иногда необходимо построить бесконтактные датчики, устанавливаемые со стороны дуги. Основное условие работоспособности датчика в таком случае — это наличие корреляции между сигналом с датчика и выбранным критериальным параметром шва (например, размером обратного валика при сварке со сквозным проплавлением).
Возможности использования таких датчиков расширяются при аргонодуговой сварке металлов толщиной 1 ...5 мм, если внешняя длина дуги стабилизирована.
Способы контроля формирования шва по информации со стороны дуги основаны:
на измерении интенсивности излучения спектральной линии базового элемента (например, линии хрома);
бесконтактном измерении температуры в околошовной зоне и размеров сварочной ванны телевизионными и оптическими средствами;
использовании математических моделей, связывающих основные размеры шва (например, обратного валика) с параметрами режима сварки.
а — с помощью фотоэлектрического датчика ФЭ; 6 — по разности потенциалов Uвых на проникающей плазме; 1 — изделие; 2 — подложка;
Φ — световой поток
Рисунок 4.30 – Способы контроля проплавления при плазменной сварке
Дата добавления: 2022-05-27; просмотров: 138;