Определение нестабильности процесса МАГ сварки по искажению акустических параметров дуги

При дуговой сварке плавящимся электродом отклонение фактических параметров процесса от заданного режима приводит к появлению дефектов, снижающих качество сварного соединения. В настоящее время в условиях промышленного производства выявление такого рода отклонений непосредственно в процессе сварки...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2013
Hauptverfasser:	Рейсген, У., Де Врис, Я.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2013
Schriftenreihe:	Автоматическая сварка
Schlagworte:	Производственный раздел
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102342
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Определение нестабильности процесса МАГ сварки по искажению акустических параметров дуги / У. Рейсген, Я. де Врис // Автоматическая сварка. — 2013. — № 07 (723). — С. 41-45. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102342
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1023422025-02-09T09:33:14Z Определение нестабильности процесса МАГ сварки по искажению акустических параметров дуги Acquisition of process irregularities by means of acoustic distortion parameters during GMA welding processes Рейсген, У. Де Врис, Я. Производственный раздел При дуговой сварке плавящимся электродом отклонение фактических параметров процесса от заданного режима приводит к появлению дефектов, снижающих качество сварного соединения. В настоящее время в условиях промышленного производства выявление такого рода отклонений непосредственно в процессе сварки фиксируется, в основном, путем анализа осциллограмм сварочного тока и напряжения. Метод корректировки параметров сварки, который используют в современных источниках питания, основан на измерении электрических параметров, например, сварочного тока и напряжения, по которым судят о длине дуги. При этом существенно снижаются возможности однозначной оценки длины дуги из-за сложения погрешностей измерения нескольких электрических параметров. В соответствии с планом НИР Института сварки и родственных технологий (Welding and Joining Institute) эта проблема была решена на основании установленной нами четкой зависимости между длиной дуги и параметрами акустических искажений, фиксируемых при использовании дуги в качестве источника звуковых колебаний. Для выявления отклонений сварочных параметров от установленных значений непосредственно в процессе сварки анализировали воспринимаемые специальным микрофоном аудиосигналы, генерируемые сварочной дугой при модулировании сварочного тока импульсами от внешнего источника синусоидальных колебаний в звуковом и ультразвуковом диапазоне. Коэффициент гармонических искажений ТНД (Total Harmony Distortion) и отношение сигнал–помеха, включая шумы и искажения SINAD (Signal-to-Interference ratio including Noise and Distortion) оказались наиболее надежными электроакустическими параметрами, однозначно и воспроизводимо фиксирующими изменения геометрии сварочной дуги. Из этого следует и обратный вывод о том, что в случае поддержания этих параметров в заданном диапазоне дуга не изменяет свои геометрические размеры. Модуляция сварочной дуги и анализ акустической информации представляет достаточно надежную альтернативу существующим методам, основанным на измерении электрических параметров. Данная статья посвящена исследованиям именно этого метода. Библиогр. 10, рис. 6. 2013 Article Определение нестабильности процесса МАГ сварки по искажению акустических параметров дуги / У. Рейсген, Я. де Врис // Автоматическая сварка. — 2013. — № 07 (723). — С. 41-45. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102342 621.795.75-52 ru Автоматическая сварка application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Производственный раздел Производственный раздел
spellingShingle	Производственный раздел Производственный раздел Рейсген, У. Де Врис, Я. Определение нестабильности процесса МАГ сварки по искажению акустических параметров дуги Автоматическая сварка
description	При дуговой сварке плавящимся электродом отклонение фактических параметров процесса от заданного режима приводит к появлению дефектов, снижающих качество сварного соединения. В настоящее время в условиях промышленного производства выявление такого рода отклонений непосредственно в процессе сварки фиксируется, в основном, путем анализа осциллограмм сварочного тока и напряжения. Метод корректировки параметров сварки, который используют в современных источниках питания, основан на измерении электрических параметров, например, сварочного тока и напряжения, по которым судят о длине дуги. При этом существенно снижаются возможности однозначной оценки длины дуги из-за сложения погрешностей измерения нескольких электрических параметров. В соответствии с планом НИР Института сварки и родственных технологий (Welding and Joining Institute) эта проблема была решена на основании установленной нами четкой зависимости между длиной дуги и параметрами акустических искажений, фиксируемых при использовании дуги в качестве источника звуковых колебаний. Для выявления отклонений сварочных параметров от установленных значений непосредственно в процессе сварки анализировали воспринимаемые специальным микрофоном аудиосигналы, генерируемые сварочной дугой при модулировании сварочного тока импульсами от внешнего источника синусоидальных колебаний в звуковом и ультразвуковом диапазоне. Коэффициент гармонических искажений ТНД (Total Harmony Distortion) и отношение сигнал–помеха, включая шумы и искажения SINAD (Signal-to-Interference ratio including Noise and Distortion) оказались наиболее надежными электроакустическими параметрами, однозначно и воспроизводимо фиксирующими изменения геометрии сварочной дуги. Из этого следует и обратный вывод о том, что в случае поддержания этих параметров в заданном диапазоне дуга не изменяет свои геометрические размеры. Модуляция сварочной дуги и анализ акустической информации представляет достаточно надежную альтернативу существующим методам, основанным на измерении электрических параметров. Данная статья посвящена исследованиям именно этого метода. Библиогр. 10, рис. 6.
format	Article
author	Рейсген, У. Де Врис, Я.
author_facet	Рейсген, У. Де Врис, Я.
author_sort	Рейсген, У.
title	Определение нестабильности процесса МАГ сварки по искажению акустических параметров дуги
title_short	Определение нестабильности процесса МАГ сварки по искажению акустических параметров дуги
title_full	Определение нестабильности процесса МАГ сварки по искажению акустических параметров дуги
title_fullStr	Определение нестабильности процесса МАГ сварки по искажению акустических параметров дуги
title_full_unstemmed	Определение нестабильности процесса МАГ сварки по искажению акустических параметров дуги
title_sort	определение нестабильности процесса маг сварки по искажению акустических параметров дуги
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Производственный раздел
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102342
citation_txt	Определение нестабильности процесса МАГ сварки по искажению акустических параметров дуги / У. Рейсген, Я. де Врис // Автоматическая сварка. — 2013. — № 07 (723). — С. 41-45. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT rejsgenu opredelenienestabilʹnostiprocessamagsvarkipoiskaženiûakustičeskihparametrovdugi AT devrisâ opredelenienestabilʹnostiprocessamagsvarkipoiskaženiûakustičeskihparametrovdugi AT rejsgenu acquisitionofprocessirregularitiesbymeansofacousticdistortionparametersduringgmaweldingprocesses AT devrisâ acquisitionofprocessirregularitiesbymeansofacousticdistortionparametersduringgmaweldingprocesses
first_indexed	2025-11-25T06:23:27Z
last_indexed	2025-11-25T06:23:27Z
_version_	1849742392324784128
fulltext	УДК 621.795.75-52 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА МАГ СВАРКИ ПО ИСКАЖЕНИЮ АКУСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДУГИ У. РЕЙСГЕН, Я. де ВРИС Ин-т сварки и соединений Аахенского ун-та, Германия, г. Аахен, Понтштрассе, 49, Д-52062 E-mail: office@isf.rwth-aachen.de При дуговой сварке плавящимся электродом отклонение фактических параметров процесса от заданного режима приводит к появлению дефектов, снижающих качество сварного соединения. В настоящее время в условиях промышленного производства выявление такого рода отклонений непосредственно в процессе сварки фиксируется, в основном, путем анализа осциллограмм сварочного тока и напряжения. Метод корректировки параметров сварки, который используют в современных источниках питания, основан на измерении электрических параметров, нап- ример, сварочного тока и напряжения, по которым судят о длине дуги. При этом существенно снижаются воз- можности однозначной оценки длины дуги из-за сложения погрешностей измерения нескольких электрических параметров. В соответствии с планом НИР Института сварки и родственных технологий (Welding and Joining Institute) эта проблема была решена на основании установленной нами четкой зависимости между длиной дуги и параметрами акустических искажений, фиксируемых при использовании дуги в качестве источника звуковых колебаний. Для выявления отклонений сварочных параметров от установленных значений непосредственно в процессе сварки анализировали воспринимаемые специальным микрофоном аудиосигналы, генерируемые сварочной дугой при модулировании сварочного тока импульсами от внешнего источника синусоидальных колебаний в звуковом и ультразвуковом диапазоне. Коэффициент гармонических искажений ТНД (Total Harmony Distortion) и отношение сигнал–помеха, включая шумы и искажения SINAD (Signal-to-Interference ratio including Noise and Distortion) оказались наиболее надежными электроакустическими параметрами, однозначно и воспроизводимо фик- сирующими изменения геометрии сварочной дуги. Из этого следует и обратный вывод о том, что в случае поддержания этих параметров в заданном диапазоне дуга не изменяет свои геометрические размеры. Модуляция сварочной дуги и анализ акустической информации представляет достаточно надежную альтернативу существующим методам, основанным на измерении электрических параметров. Данная статья посвящена исследованиям именно этого метода. Библиогр. 10, рис. 6. К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка плавящимся электродом, контроль качества, акустическая эмиссия, уп- равление длиной дуги, параметры искажения аудиосигнала, источник питания Предпосылки для проведения исследований. При дуговой сварке плавящимся электродом не- стабильность фактических параметров процесса во многих случаях приводит к появлению дефек- тов, снижающих качество сварного соединения. В настоящее время в условиях промышленного производства выявление такого рода отклонений непосредственно в процессе сварки фиксируется, в основном, путем анализа осциллограмм свароч- ного тока и напряжения. Метод управления па- раметрами сварки по длине дуги, который ис- пользуют в современных источниках питания, основан на измерении электрических параметров, например, сварочного тока и напряжения, по ко- торым судят о длине дуги. При этом существенно снижаются возможности однозначной оценки длины дуги из-за суммирования погрешностей из- мерения нескольких параметров. Тем не менее, большинство систем оценки дуги основано на датчиках, регистрирующих изменение электри- ческих параметров процесса — сварочного тока и напряжения [1–4]. Так как качество сварного соединения прямо или косвенно зависит от изменений параметров дуги во времени, основной задачей является оп- ределение фактических параметров процесса ду- говой сварки [5, 6]. При этом наибольшее влияние на геометрию сварного шва оказывают механизм переноса металла, тепловая энергия дуги и дав- ление дуги, совместное воздействие которых спо- собствует перемешиванию металла в сварочной ванне. С другой стороны, механизм переноса ме- талла, определяющий свойства капель, а также степень выгорания легирующих элементов из присадочного металла при капельном переносе, зависит от физических свойств плазмы, возни- кающей в анодной области, температуры и длины столба дуги. Причиной появления дефектов типа подрезов и непроваров, в основном, является от- клонение дуги от заданных параметров [7]. Однако приближенная модель, использован- ная ранее, основанная на предполагаемой пропор- циональности длины дуги напряжению дуги, ока- зывается не соответствующей реальному процес- су, как это показано на рис. 1. При почти одной и той же длине сварочной дуги напряжение на © У. Рейсген, Я. де Врис, 2013 7/2013 41 дуге может иметь различные значения. В данном случае сокращение длины дуги на 4 % привело к возрастанию напряжения сварочной дуги на 6 %, что явно противоречит повсеместно приня- той в настоящее время идее пропорциональности между напряжением на дуге и длиной дуги. Вза- мен этой предпосылки имеет смысл использовать дополнительно еще один существенный параметр процесса, который может обеспечить получение более надежной информации о длине дуги и ее форме. Акустический метод измерения длины дуги. Возможность использования дуги в качестве из- лучателя звука была установлена в 1879 г., что послужило основой создания в Эрлангенском университете «Поющей дуговой лампы». Оказа- лось, что дуга может излучать звуковые колеба- ния в диапазоне от 16 Гц и до более высоких частот, не воспринимаемых человеком, причем достаточно высокого качества, что подтвержда- ется наличием и на современном рынке звуковых колонок с дуговым генератором самых высоких частот [8]. В связи с этим, применительно к области свар- ки, напрашивается идея наложения внешних низ- кочастотных аудиосигналов на собственные внут- ренние звуковые колебания, излучаемые источ- ником питания с последующей оценкой резуль- тирующего сигнала. Для этого необходимо про- верить предположение о влиянии геометрических параметров дуги на ее акустические свойства и возможности использования геометрии дуги для оценки «системы звукового излучателя процесса сварки». В данном случае рассматриваются акус- тические параметры, характеризуемые нелиней- ными искажениями сигнала от сварочной дуги относительно сигнала внешнего генератора зву- ковых частот. Очевидно, что акустические пара- метры рассматриваются определяющими нели- нейные искажения сигнала, возникающего на пути от звукового генератора к сварочной дуге. На рис. 2 представлена упрощенная схема электрической цепи на участке сварочной дуги, включающей сварочную горелку, присадочную проволоку и изделие. Очевидно, что каждый до- полнительный элемент на этом участке цепи ока- зывает огромное влияние на электрические па- раметры дуги и это существенно осложняет ана- лиз влияния любого элемента в отдельности. Од- нако если предположить, что процессы испарения металла на аноде, катоде и каплях металла, а так- же газодинамика защитного газа и плазмообра- зования не влияют на акустическую эмиссию, тог- да единственным излучателем звука в этой сис- теме остается сварочная дуга. Проведение предварительных экспериментов с использованием для дуговой сварки вольфра- мового электрода в среде защитного газа пока- зали, что сварочные установки, в основном, поз- воляют достаточно четко воспроизводить тесто- вые звуковые сигналы заданной частоты, несмот- ря на явно слышимые звуковые шумы процессы. На рис. 3 показаны три тестовых сигнала на час- тотах 2, 5 и 7 кГц, которыми модулировали выход Рис. 1. Непропорциональность напряжения и длины дуги Рис. 2. Схема дугового процесса с идеализированной зависи- мостью напряжения на различных элементах электрической цепи Рис. 3. Спектр частот, введенных извне и излучаемых инвер- торным источником питания 42 7/2013 инверторного источника питания. При этом, нес- мотря на внутренние и внешние помехи, как вид- но из осциллограммы, оказалось возможным дос- таточно надежно фиксировать затухание тесто- вых сигналов одинаковой амплитуды. Результаты экспериментов показали, что на- иболее надежными электроакустическими пара- метрами оказались следующие факторы искаже- ния: THD (коэффициент гармонических иска- жений) и SINAD (отношение сигнал–помеха, включая шумы и искажения). Таким образом, ока- залось возможным получать однозначную и вос- производимую информацию об изменении гео- метрии сварочной дуги. Предполагается, что параметр THD может ока- заться существенным критерием качества в про- цессе генерирования и передачи сигналов. Как и любой четырехполюсник, содержащий нелинейные компоненты, сварочная цепь также представляет собой нелинейную систему. И если на неидеальные характеристики сварочной цепи происходит нало- жение синусоидального сигнала, неизбежно возни- кают гармоники различных частот. Параметр THD фиксирует частоты этих гармоник, которые, как правило, являются нежелательными, а для расчета используют отношение между суммарным эффек- тивным значением гармоник и суммарным эффек- тивным значением основного сигнала вместе с гар- мониками: THD = ⎛ ⎜ ⎝ ⎜ ⎜ U2 2– + U3 2– + … U1 2– + U2 2– + U3 2– + … ⎞ ⎟ ⎠ ⎟ ⎟ 1 ⁄ 2 . Параметр THD в связи с этим является безразмерной величиной и может быть выражен в процен- тах или в логарифмической шка- ле, в децибелах (дБ) [9, 10]. Параметр SINAD представля- ет собой отношение амплитуды среднеквадратичной величины сигнала к средней величине квад- ратного корня из суммы квадра- тов всех компонентов спектра, включая гармоники, но без пос- тоянной составляющей сигнала. Этот параметр достаточно чет- ко представляет общую динами- ческую характеристику системы, так как в него входят все состав- ляющие как полезного сигнала, так и его искажений. Обозначая полезный сигнал знаком S, сигнал шумов N и искажений через D, измеренных совместно с ампли- тудой входного сигнала на его частоте, параметр SINAD вычис- ляют по следующей формуле и выражают также в децибелах: SINAD = 20 log ⎛⎜ ⎝ S N + D ⎞ ⎟ ⎠ . Проведение измерений непосредственно в процессе сварки. Для проведения тестовых ис- пытаний использовали сварочный источник пи- тания Cloos Quinto II с механизмом подачи про- волоки. При включении сварочного источника питания в сеть наибольшую проблему составляет параллельное подключение к нему генератора си- нусоидального напряжения, в связи с чем исполь- зовали схему сумматора, соединяющего отвод сварочной цепи и цепь внешнего генератора. В этом случае результирующий сигнал через блок усилителя получали вместе с сигналом от управляемого транзисторного источника питания Elma 800, который использовали в качестве быс- тродействующего источника с минимальной пульсацией сварочного тока (рис. 4). Эксперименты по дуговой наплавке присадоч- ной проволокой проводили с использованием за- щитного газа состава 82 % Ar + 18 % CO2 в со- ответствии с DIN EN ISO 14175 (класс М21). Рас- стояние между сварочной горелкой и изделием составляло 18 мм. После непродолжительного времени достижения стабильности истечения газа включали сварочный источник питания совмес- тно с подключенным к нему генератором импуль- сов синусоидального напряжения. Звуковой сиг- нал, имитируемый сварочной дугой, через мик- рофон направленного действия, установленный Рис. 4. Общий вид сварочного стенда 7/2013 43 на расстоянии 1 м от зоны горения дуги, после оцифровки подавали на компьютер. На первом этапе проведения экспериментов использовали звуковые частоты, воспринимае- мые человеческим ухом для того, чтобы конт- ролировать наличие тестового сигнала и его фик- сирование на экране компьютера. Однако после успешного завершения этого этапа оказалось воз- можным перейти на более высокий диапазон час- тот — от 18 до 20 кГц и выше. В связи с тем, что длина и форма сварочной дуги находится в прямой зависимости от парамет- ров сварки, в частности, от скорости подачи при- садочной проволоки и напряжения на дуге, были проведены эксперименты по исследованию различ- ной геометрии дуги при постоянной скорости по- дачи в диапазоне напряжений от 20 до 40 В. Обсуждение результатов. Изменение напря- жения дуги приводит к существенным измене- ниям параметров сварочной дуги, т. е., с повы- шением напряжения увеличивается длина дуги и площадь ее поверхности, что способствует уси- лению эффекта генерации звука. Экспериментально установлено, что величина параметров SINAD и THD имеет тенденцию к снижению по мере возрастания длины дуги. В качестве иллюстрации на рис. 5, а представлена временная зависимость параметра SINAD в зави- симости от напряжения на сварочной дуге. Данный эксперимент был проведен при постоянной ско- рости подачи присадочной проволоки 10 м/мин и модуляции сварочного тока синусоидальным сиг- налом частотой 12 кГц. На рис. 5, б представлена временная зависи- мость параметра THD при различных напряже- ниях дуги и постоянной скорости подачи при- садочной проволоки в пределах 10 м/мин и час- тоте модулирующего сигнала 12 кГц. На рис. 6 представлено изменение длины дуги в зависимости от скорости подачи присадочной проволоки. Эксперимент проводили при стабиль- Рис. 5. Временная зависимость параметров SINAD (а) и ТНД (б) при напряжении на дуге 26, 29 и 32 В Рис. 6. Зависимость параметров THD и SINAD от скорости подачи присадочной проволоки 44 7/2013 ном напряжении дуги Us = 30 В и частоте внеш- них синусоидальных сигналов 12 кГц. В соот- ветствии с приведенным выше графиком в дан- ном случае также проявляется тенденция к сни- жению параметров искажения суммарного сиг- нала (THD и SINAD) при увеличении длины дуги. Выводы и перспективы. Использование сва- рочной дуги в качестве генератора звука и датчика нестабильности паарметров процесса оказалось полезным дополнительным инструмен- том оценки длины дуги к существующим вари- антам, основанным на анализе осциллограмм сва- рочного тока и напряжения. Наиболее надежными оказались параметры THD и SINAD, четко и од- нозначно характеризующие геометрию сварочной дуги. Реализация предложенного метода измерения не связана с существенными материальными зат- ратами. Некоторую проблему представляет модулирование выходного напряжения сварочно- го источника из-за низкой рабочей частоты инвер- тора, однако есть надежда на то, что инверторные источники питания следующего поколения будут иметь более высокие частоты, благодаря чему появится возможность использовать теорему дискретизации Найквиста. Исследования были проведены при наплавке металла дугой со струйным переносом металла. В дальнейшем предполагается уточнить диапазон применимости и надежности предложенного ме- тода при использовании иных методов дугового нагрева, в частности, при сварке металла. Данная работа была проведена в рамках про- екта Немецкого научно-исследовательского объе- динения (DFG-RE 2755/15-1) «Исследование акустических параметров сварочной дуги с целью повышения качества сварки». Сотрудники Института сварки и родствен- ных технологий выражают благодарность ди- рекции DFG (Немецкое научно-исследователь- ское объединение) за оказанное содействие в вы- полнении проекта. 1. Platz J. Beitrag zur Verbesserung eines lichtbogengesteuer- ten Schweibkopf-fuеhrungssystems, Dissertation RWTH Aachen, 1986. 2. Duan Y., Jin H. Digital controller design for switchmode power converters // 14th APEC. — 1999. — Vol. 2. — P. 967–973. 3. Nowak S., Jaeschke B. Moderne Konzepte digitaler Schwe- iβmaschinen, Fachtagung Elektrische Energiewandlungssys- teme, Otto-von-Guericke-Universitaеt Magdeburg, 2002. — S. 207ff. 4. Jaeschke B. Digital gesteuerte Stromquellen fur das Licht- bogenschweiβen, Dissertation, Otto-von-Guericke-Universi- taеt Magdeburg, 2003. 5. Tessmar V., Koppe K. Die Vielfalt des MSG-Verfahrens ge- winnbringend nutzen. Blech Inform 1, Carl Hanser Verlag, Munchen, 2007. 6. Matthes K.-J., Richter E. Schweiβen von metallischen Kon- struktionswerkstoffen, Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 2002. — S. 48. 7. Dilthey U. Schweiβtechnische Fertigungsverfahren I, Sprin- ger Verlag, 2006. 8. URL: http://www.lansche-audio.de/eng/start.html, abgeru- fen am 26.06.2013 9. Weinzierl S. (Hrsg.). Handbuch der Audiotechnik: Springer Verlag, 2008. — S. 1142. 10. Kestler W. Understand SINAD, ENOB, SNR, THD, THD + N, and SFDR, Analog Devices Proceedings MT-003, 2009. Поступила в редакцию 15.06.2013 РАЗРАБОТАНО В ИЭС ТЕХНОЛОГИЯ ПАЙКИ КОНСТРУКЦИЙ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ В ИЭС разработана технология изготовления и ремонта буровых долот с алмазно-твердосплав- ными резцами для добычи рассеянного шахтного ме- тана, которая позволила увеличить среднюю величину проходки до 1000...1500 м. Долото с алмазно-твёрдосплавными резца- ми для подземного бурения 7/2013 45

Определение нестабильности процесса МАГ сварки по искажению акустических параметров дуги

Institution

Ähnliche Einträge