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 U_oc. 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; U_н, U_вых, U_э — 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; U_m — опорное напряжение; Φ — световой поток; I н, R _H — 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 U_вых на проникающей плазме; 1 — изделие; 2 — подложка;
Φ — световой поток

Рисунок 4.30 – Способы контроля проплавления при плазменной сварке