Датчики для дуговой сварки

Датчики для дуговой сварки — это устройства, которые в составе полностью механизированного сварочного оборудования способны получать информацию о положении и, если возможно, о геометрии предполагаемого сварного шва на заготовке и предоставлять соответствующие данные в удобной форме для контроль положения сварочной горелки и, по возможности, параметров процесса дуговой сварки .

Введение

Качество сварного шва зависит, помимо параметров сварки, которые важны для процесса сварки (например , напряжение , ток , подача проволоки и скорость сварки), также главным образом от типа подвода технологической энергии и используемого присадочного материала. Расположение горелки оказывает непосредственное влияние на поток материала. Кроме того, тепловложение для плавления кромок детали и постоянный тепловой поток напрямую связаны с направлением горелки и оказывают существенное влияние на качество сварки и возникающие в результате остаточные напряжения . При полностью механизированной и автоматизированной сварке в защитных газах неточности направления горелки, обращения с заготовкой, подготовки канавок и термические деформации приводят к изменениям положения и геометрии кромок. При полностью механизированной сварке информация, необходимая для определения качества сварного шва, определяется датчиками. Датчики применяются для проверки положения детали (определение начала и конца сварного шва), для отслеживания соединения и для адаптации параметров процесса к изменениям соединений/пазов. Датчики можно использовать онлайн (вместе/одновременно с процессом сварки) или автономно (на отдельном рабочем этапе перед сваркой). Датчики в основном используются для онлайн-отслеживания суставов.

Принципы

Все физические принципы, которые способны предоставить информацию о положении объекта, подходят для того, чтобы служить отправной основой для функции датчика. Однако условия окружающей среды, преобладающие во время дуговой сварки, а также требования, предъявляемые к полностью механизированному оборудованию, имеют множество ограничений. На рис. 1 показан обзор системы. Стратегия мониторинга датчика (процесс или геометрия) выбрана в качестве вышестоящего критерия, дальнейшее подразделение ориентировано на принцип измерения. Еще одной отличительной особенностью сенсорных систем является их конструкция. Таким образом, опережающие датчики отличаются тем, что точка измерения и точка соединения не расположены в одном и том же положении. Здесь процесс измерения и соединения в основном выполняется последовательно. Для получения информации о сварочном процессе, связанной с положением, этим системам требуется калибровка относительного положения. Если используются датчики, ориентированные на процесс, точка измерения и точка соединения идентичны. Общим для всех принципов измерения является тот факт, что посредством оценки сигнала датчика предоставляется геометрическая информация о соединении и его относительном положении относительно измерительной головки. Отдельные активные принципы обеспечивают различную скорость обработки информации.

Ориентированный на геометрию

Датчики, ориентированные на геометрию, получают свои сигналы от геометрии канавки или от края или области, направление которой соответствует канавке.

Тактильные датчики

Электрические контактные датчики для отслеживания соединений и/или измерения деталей представляют собой один из типов тактильных датчиков. Датчик осуществляет электрический контакт с деталью, электропроводящая деталь включается в измерительную цепь датчика. Механические контактные датчики относятся ко второй категории тактильных датчиков. Оценивается механическое отклонение сканирующего элемента при контакте с заготовкой.

Электрические контактные датчики

Следуя определенной стратегии поиска, системы электрических контактных датчиков сканируют начало сварки или другие точки отслеживания, контактируя заготовку с деталями/компонентами, находящимися под напряжением (постоянное напряжение от нескольких десятков Вольт до 1 кВ, в зависимости от материала). и поверхность ) сварочного оборудования (сопло защитного газа, сварочный электрод , щуп и т.п.). Это означает автономное измерение начала сварки, положения или геометрии детали перед сваркой. Зная запланированный путь, осуществляется преобразование точек трека в соответствии с измеренными условиями. В этом случае корректирующие действия в процессе сварки не проводятся.

Термальный

Здесь тепловой поток измеряется с помощью двух термопар , которые расположены на сварочной горелке, тепловой поток используется для регулирования бокового/поперечного положения и высоты горелки. Ориентация горелки по направлению к канавке определяется путем сравнения температуры датчиков двух термопар. Если ориентация факела симметрична, разность излучаемого теплового потока равна нулю, как и разность температур термопар. В зависимости от бокового смещения горелки термопары подвергаются различным тепловым потокам из-за деформации дуги, а также из-за изменения положения ванны расплава.

Механический контакт

Механические контактные системы преобразуют отклонение сканирующего элемента непосредственно в электрические сигналы управления. Различают следующие принципы преобразования:

микропереключатель
потенциометр
оптический преобразователь (световые барьеры или аналогичный)
индуктивный трансформатор

Из-за необходимого расстояния между точками срабатывания/останова на одном уровне трансформаторы, оснащенные микропереключателями, имеют гистерезис регулирования в рабочей точке, что приводит к ограничению воспроизводимой точности . Электрическое перемещение рабочей точки невозможно. Другие, упомянутые выше трансформаторные системы (использование оптических систем, вероятно, ограничено по конструктивным причинам) выдают аналогичные сигналы пропорционально отклонению сканирующего элемента и позволяют, таким образом, пропорционально погрешности слежения за сварочной головкой, а также электрического смещения рабочей точки за счет вышестоящий контроль, например, при многослойной сварке. Выходные сигналы наиболее часто используемых систем индуктивных измерительных трансформаторов находятся в диапазоне от 0 до 10 В постоянного тока, в зависимости от отклонения сканирующего элемента (рис. 2).

Граничные условия

Любое нарушение электрического контакта между сканирующим элементом датчика и деталью в случае электроконтактных датчиков является проблематичным, например, сварочные брызги на сопле защитного газа, окалина и скатывающаяся пленка на поверхности детали или через конец проволочного электрода, который расплавлен сфероидально и имеет прилипание шлака. При использовании механоконтактных датчиков сканирующие элементы должны быть адаптированы к соответствующей форме канавок. Стыковые сварные швы с квадратной подготовкой стыков должны иметь зазор между разделками более 3 мм; в соединениях внахлест верхняя пластина должна иметь толщину более 3 мм. Датчик должен быть установлен отдельно от сварочной горелки. Таким образом, сканирование канавок преимущественно осуществляется в ведущем положении перед резаком. Если сварные швы в основном прямые, эта регулировка не представляет проблем. Также возможно использовать массивы сканирующих элементов (например, вилочные штангенциркули или отдельные сканирующие элементы для сканирования по высоте и в поперечном направлении, которые позволяют сканировать на уровне горелки и, таким образом, сканировать сварной шов практически без ошибок. Помимо направления горелки вдоль сварочной канавки, Механические контактные датчики также могут применяться для обнаружения начала и окончания сварки.

Оптический

Оптические датчики относятся к группе бесконтактных измерительных датчиков, ориентированных на геометрию (рис. 1). Для получения информации сварная канавка сканируется детектором излучения, который регистрирует испускаемое оптическое излучение измеряемого объекта. Полупроводниковые датчики изображения применяются для обнаружения радиации. Оптические принципы измерения подразделяются на датчики с активным структурированным освещением и без него. При отсутствии активного структурированного освещения для приема сигнала используется камера. Камера наблюдает за заготовкой и извлекает необходимую информацию из двухмерного полутонового изображения. Активное структурированное освещение подразумевает применение источника света для заданного освещения определенных участков детали. Для последующего получения могут использоваться отдельные фотоэлементы, линии или массивы в зависимости от их дизайна.

Режим работы

При оптическом измерении без активного структурированного освещения камера направляется на область сварной канавки и непосредственно наблюдается интересующая сцена. Это используется, например, для процессов сварки SA , чтобы предоставить сварщику живую фотографию сварной канавки на мониторе. Нам известны две полупроводниковые технологии распознавания изображений. ПЗС - камера (CCD: Устройство с зарядовой связью) — самый известный и наиболее распространенный тип камеры, он также используется в стандартных видеокамерах. Если датчик изображения CMOS использовался , высокая входная динамика позволяет даже при горящей дуге записать пригодное для использования изображение сварной канавки. метод оптической измерительной техники с активным структурированным освещением, генерируемым преимущественно лазером с определенной длиной волны Для автоматизации сварочных процессов часто используется . Различают 1-, 2- и 3-D измерительные системы. Поскольку непосредственное измерение в дуге невозможно, необходимо соблюдать определенное расстояние (упреждение), которое зависит от типа и размера самой дуги.

При использовании одномерных измерительных систем определяется расстояние от датчика до поверхности детали. Это осуществляется путем измерения времени работы. Еще одним часто используемым методом является лазерная триангуляция (рис. 4).

Расстояние до детали определяется исходя из известных размеров датчика и угла триангуляции α. Этот тип одномерных оптических систем измерения расстояний широко используется в области промышленной автоматизации и поэтому предлагается многими компаниями. При автоматизированной сварке их часто используют для определения положения детали и/или канавки перед началом процесса сварки. Существуют различные типы конструкции двумерных измерительных сенсорных систем. С помощью одномерного триангуляционного датчика двумерный лазерный сканер может определять колебательное движение. Здесь геометрия канавки определяется посредством сканирующего движения поперек канавки (рис. 5). В основном это осуществляется с помощью подвижного зеркала, встроенного в сенсорную головку.

В качестве альтернативы можно осуществить колебательное движение всей головки датчика, однако это считается лишь специальным применением одномерной измерительной системы. Преимущество лазерного сканера заключается в том, что при соответствующей скорости обработки условия освещения можно адаптировать для каждого отдельного измерения расстояния в форме точки, что приводит к равномерности освещения. Кроме того, благодаря точечному освещению, лазерная точка благодаря концентрированной мощности лазера, а также через соответствующие оптические фильтры, по сравнению с мешающим дуговым излучением, легче обнаруживается детекторным элементом. Датчик светового сечения лишен недостатка движущихся частей в головке датчика (рис. 6). Здесь поверхность не сканируется точечно, более того, вся геометрия фиксируется на одном изображении. Для этого точечный лазерный луч расширяется через оптику до линии, которая проецируется на поверхность заготовки поперек канавки в соответствии с линией сканирования сканера. Лазерная линия в соответствии с тем же геометрическим принципом триангуляции снова регистрируется детекторным элементом, но на этот раз в двухмерном виде. Для приобретения могут быть использованы камеры CCD и CMOS с вышеперечисленными свойствами.

В качестве выходного сигнала после предварительной обработки сигналов датчиков лазерным сканером и датчиком светового сечения достигается так называемый профиль высоты измеряемой геометрии канавки. Он представляет собой поверхность заготовки по сечению по проецируемой лазерной линии. 3D-измерительные системы с активным освещением в основном используют метод светового сечения в сочетании с проецированием нескольких параллельных лазерных линий. При этом каждая линия генерирует профиль высоты. За счет расположения нескольких линий вдоль сварной канавки достигается дополнительный размер, который показывает изменение профилей высоты геометрии канавки. За счет количества линий разрешение в продольном направлении канавки увеличивается, однако затраты на обработку данных также возрастают. Подобно проецированию нескольких параллельных линий, возможно измерение с помощью проецируемого круга или других геометрических фигур на поверхность заготовки.

Граничные условия

Общим для всех оптических методов измерения является то, что определенные точки канавок должны быть преобразованы из координат датчиков камер в координаты станка и/или заготовки. Для этого перед началом процесса сварки их необходимо откалибровать на испытательных образцах и предоставить калибровочные матрицы. Более того, для применения алгоритмов обработки изображений также необходимо заранее предоставить информацию о профиле канавки. Это осуществляется посредством обучения шаблонов, ввода геометрических параметров или обучения с помощью тестовых заготовок. Более комплексная обработка изображений для 2- и 3D-сенсорных систем обычно требует наличия ПК для оценки; поэтому для обмена данными используются коммерчески доступные интерфейсы ПК, однако единых интерфейсов датчиков пока не существует.

Проблемы с приложением

В оптических сенсорных системах проблемы возникают из-за принципа работы через рассеянный свет открытой дуги. Поэтому при использовании оптических датчиков измерение непосредственно в рабочей точке в большинстве случаев невозможно, необходимо поддерживать определенное опережение/расстояние. Дополнительные проблемы процесса возникают из-за сварочных брызг, которые могут оказать негативное влияние на результаты обнаружения. Системы экранирования между датчиком и горелкой в определенной степени являются решением проблемы. Исключением остается непосредственное наблюдение за дугой с помощью специальных камер для контроля процесса. Работа датчика перед дугой приводит к ограничению доступа к углам детали. Чтобы уменьшить эту проблему, наиболее важными являются максимально компактная конструкция/конструкция и короткое расстояние продвижения. Кроме того, заранее заданная ориентация датчика ограничивает рабочее пространство робота . Для бесперебойной работы оптических компонентов следует по возможности избегать и более сильных загрязнений (пыль и осаждение частиц сварочного дыма). Сменные защитные очки и защитные экраны в виде завес со сжатым воздухом служат решением проблемы. Качество измеряемой поверхности оказывает существенное влияние на результат измерения. Если поверхность сильно отражающая, нежелательно могут возникнуть отражения и ошибочные измерения, матовые поверхности менее трудны. Постоянно меняющееся качество поверхности также приводит к проблемам. Поскольку оптические системы оснащены полупроводниковыми детекторами и сложной электроникой, наиболее важно уделять внимание безопасному электромагнитному экранированию. Это относится к датчику, блоку обработки изображений и их соединительным кабелям. Сенсорные системы с активным лазерным освещением особенно чувствительны к сильным колебаниям температуры, поскольку длина волны излучаемого света используемых лазерных диодов зависит от температуры лазера. Если температура окружающей среды и, следовательно, длина волны активного освещения изменяются, свет больше не может проникать через узкополосный оптический фильтр к фотодетектору. Поэтому требуется соответствующая защита от процесса сварки или охлаждения головки датчика. В зависимости от приложенной мощности лазера необходимо соблюдать особую осторожность при использовании датчиков с активным освещением. Длина волны применяемых систем часто находится в поле зрения, что означает классификацию на классы опасности 3А и 3В . Необходимо строго соблюдать соответствующие правила предотвращения несчастных случаев. Применение оптических датчиков требует учета следующих моментов:

учет ограничения доступности и рабочего пространства
экранирование от мешающего света, исходящего от открытой дуги и сварочных брызг
необходимо обратить внимание на отражательные свойства измеряемой поверхности.
следует избегать загрязнения оптических компонентов
требуется электромагнитное экранирование электронных компонентов
колебания температуры датчика должны быть компенсированы
осторожность при работе с лазерным излучением

Индуктивный

Индуктивные датчики оценивают ослабление высокочастотного электромагнитного поля, создаваемого вихревыми токами в заготовке. Применение типов конструкции с одной катушкой позволяет корректировать сторону или высоту. Многокатушечные датчики позволяют осуществлять коррекцию в двух координатных направлениях и, кроме того, влиять на ориентацию сварочной горелки.

Емкостный

Емкостные датчики измеряют емкость между заготовкой и электропроводящей пластиной небольших размеров. Они дают возможность измерения расстояний в средах с неизмененной диэлектрической постоянной .

Ориентированный на процесс

Датчики, ориентированные на процесс, получают сигналы от первичных или вторичных параметров процесса. Датчики дуги используют основные параметры процесса (сварочный ток и/или напряжение) одной движущейся или двух неподвижных дуг для генерации сигналов коррекции высоты и боковой/латеральной коррекции. Разумеется, этим датчикам также требуется сканируемая геометрия канавок; Однако точка измерения и точка соединения сравниваются с геометрически ориентированными датчиками, расположенными в том же положении.

Дуга

Стабильные рабочие точки при дуговой сварке развиваются как связующее звено между характеристикой процесса и характеристикой источника питания (рис. 7). Характеристика процесса определяет связь между стабильным напряжением дуги и соответствующим номинальным током процесса при постоянных граничных условиях. Семейство характеристик достигается за счет изменения длины дуги/расстояния до горелки.

При сварке TIG

Сварка TIG относится к процессам сварки неплавящимся электродом. Поэтому характеристику процесса часто называют характеристикой дуги. Прямое изменение рабочего расстояния компенсируется длиной дуги. В результате сопротивление дуги меняется. Короткие дуги имеют меньшее электрическое сопротивление, чем длинные. При сварке TIG обычно применяются источники питания с резко спадающей характеристикой. Таким образом, изменение длины дуги приводит непосредственно к изменению технологического напряжения. Сравнительный замер позволяет определить расстояние до заготовки.

При сварке GMA

При сварке ГМА характеристика процесса на диаграмме напряжение-ток является результатом взаимодействия электрических свойств вылета проволоки и дуги. В принципе, стабильные рабочие точки достигаются за счет применения подходящих характеристик источника питания или за счет дополнительных стратегий управления.

В точке 1 на рисунке 8 существует устойчивое равновесие, при котором энергия, вложенная в процесс, достаточна для плавления непрерывно подаваемого проволочного электрода. В случае быстрого изменения расстояния дуга компенсирует изменение длины, точка 2. Меньшее сопротивление короткой дуги приводит к увеличению силы тока, что приводит к более быстрому плавлению вылета проволоки до тех пор, пока снова не произойдет достигается стабильная рабочая точка, точка 3. Этот процесс компенсации занимает примерно от 100 до 200 мс. Датчик дуги оценивает оставшееся изменение силы тока между точкой 1 и точкой 3, чтобы достичь параметра, пропорционального расстоянию. В принципе, эта концепция оценки применима и к импульсно-дуговой сварке. Концепция, изложенная выше, в случае большинства датчиков дуги расширяется за счет поперечного сканирования геометрии канавки. Отклонение процесса к свариваемым граням позволяет провести сравнительное измерение расстояния до факела. Рассчитав разницу значений расстояний, можно оценить боковое расположение горелки. Среднее значение обоих значений расстояния указывает высоту горелки над канавкой. Для прогиба применяются разные концепции (рис. 9). Механические колебания наиболее распространены и часто используются, особенно в роботах. В основном, системы быстрого отклонения, например, с магнитным или вращательным отклонением, обеспечивают улучшение скорости сигнала и качества сигнала, однако при использовании этих систем необходимо рассчитывать на более высокие затраты на оборудование. При двухпроволочном методе обе поверхности сварки сканируются одновременно по одной проволоке каждая.

Граничные условия

Датчики дуги оценивают стабильные рабочие точки при дуговой сварке. Возмущающие переменные процесса должны компенсироваться с помощью подходящих стратегий фильтрации и оценки, которые не подвержены возмущениям. В случае одновременного контроля высоты и стороны необходимо обратить внимание на то, что для систем датчиков дуги подходят только те геометрии канавок, геометрия которых позволяет определять поперечное положение путем сравнительного измерения поверхностей сварки. V-образные и угловые швы подходят без ограничений. Квадратные стыковые сварные швы без зазора не подходят для бокового контроля. Коммерчески доступные датчики дуги пока не применимы для алюминиевых материалов.

Вторичные параметры процесса

Типы датчиков, которые наблюдают за сварочной ванной, ограничены в области применения тем фактом, что размер расплавленной ванны и излучение дуги зависят от геометрических факторов, например, плотности материала или состава (легирующих компонентов). Оптическое наблюдение области ванны определяет изменения контура ванны. Отклонение от контура, определяемого как «идеальный», интерпретируется как неправильное положение или изменение поведения процесса и впоследствии компенсируется.

Спектральный анализ

Спектральный анализ технологических сигналов сравнивает спектры излучения дуги или ванны расплава с предполагаемыми идеальными значениями. Прогибы указывают на изменение химического состава или на энергетические изменения технологической зоны.