Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ особенностей ручной дуговой сварки и методов контроля качества сварочных электродов 8
1.1. Общая характеристика процесса ручной дуговой сварки 8
1.2. Испытания сварочных электродов для ручной дуговой сварки. Технологические свойства сварочных электродов и методы их оценки 10
1.3. Использование нейросетевых технологий при обработке информации 22
1.4. Цель и задачи работы 28
2. Анализ методов и подходов к количественному описанию физических и технологических процессов в сварочном контуре 30
2.1. Оценка информационного содержания параметров процесса сварки 30
2.2. Технологическое обоснование выбора количественных характеристик свойств сварочных электродов 34
2.3. Методика классификации электродов по качественным категориям 51
2.4. Конкурсный выбор наилучшей партии сварочных электродов при нечетко сформулированных требованиях 62
Выводы 68
3. Информационно-регистрирующая измерительная система для экспериментальных исследований параметров сварочного контура 70
3.1. Анализ информативности сигналов сварочного процесса 70
3.2. Разработка аппаратных средств экспериментальной системы 75
3.3. Экспериментальные исследования технологических свойств сварочных электродов 86
3.4. Экспериментальные оценки показателей качества при выборе оптимальной партии 93
Выводы 98
4. Автоматизированная система аттестации сварочных материалов 100
4.1. Разработка аппаратных средств системы аттестации сварочных материалов 100
4.2. Программное обеспечение автоматизированной системы аттестации сварочных материалов 114
4.3. Особенности использования программно-аппаратной компьютеризованной системы в сварочном производстве 132
Выводы 135
Заключение 137
Список литературы 139
- Испытания сварочных электродов для ручной дуговой сварки. Технологические свойства сварочных электродов и методы их оценки
- Технологическое обоснование выбора количественных характеристик свойств сварочных электродов
- Разработка аппаратных средств экспериментальной системы
- Программное обеспечение автоматизированной системы аттестации сварочных материалов
Испытания сварочных электродов для ручной дуговой сварки. Технологические свойства сварочных электродов и методы их оценки
Перед использованием сварочных электродов для выполнения сварочных работ, они должны пройти предварительную проверку их качества. Испытания электродов выполняются в соответствии с ГОСТ 9467-75. При этом учитываются специальные требования соответствующих технических условий [4].
Сначала производится оценка качества изготовления электродов. При этом смотрят, чтобы покрытие было однородным, прочным, без вздутий, наплывов, надрывов и трещин. На поверхности покрытия электродов 1-й и 2-й групп качества допускаются поры с максимальным наружным размером не более 1,5 толщины покрытия, но не более 2 мм и глубиной не более 50% толщины покрытия. На 100 мм длины электрода количество пор не должно превышать трех для электродов 1-й группы и двух для электродов 2-й группы. Допускаются также поверхностные продольные волосные трещины и местные сетчатые растрескивания в суммарном количестве не более двух на электрод при протяженности каждой волосной трещины или участка растрескивания не более 15 мм для электродов 1 -й группы и не более 10 мм для электродов для электродов 2-й группы, если для проверки прочности покрытия отбираются электроды с волосными трещинами и сетчатым растрескиванием. На поверхности покрытия электродов допускаются отдельные продольные риски глубиной не более 25% толщины покрытия, а также местные вмятины глубиной не более 50% толщины покрытия в количестве не более четырех при суммарной протяженности до 25 мм на одном электроде. Две местные вмятины, расположенные с двух сторон электрода в одном поперечном сечении, могут быть приняты за одну, если их суммарная глубина не превышает 50% толщины покрытия. Для электродов 1-й группы на участке, примыкающем к зачищенному от покрытия контактному торцу, допускается ого-ленность стержня протяженностью по длине электрода не более половины диаметра стержня, но не более 3 мм. Допускаются также местные задиры на поверхности покрытия, если их глубина не превышает 25% толщины покрытия, а их количество на одном электроде составляет не более трех для электродов 1-й группы, не более двух для электродов 2-й группы и не более одного для электродов 3-й группы.
Покрытие не должно разрушаться при свободном падении на гладкую стальную плиту электродов диаметром менее 4 мм с высоты 1 м, а электродов диаметром 4 мм и более - с высоты 0,5 м. Для электродов с особо толстым покрытием высота падения должна устанавливаться паспортом или техническими условиями. Допускаются частичные откалывания покрытия общей протяженностью до 5% длины прокрытой части электрода.
Также производится проверка химического состава наплавленного металла. Она предусматривает выполнение электродами контролируемой партии восьмислойной наплавки площадью не менее 80x40 мм на пластину из стали марки ВСтЗсп по ГОСТ 380-71 или из стали 08Х18Н10 или 12Х18Н9Т по ГОСТ 5632-72. Пробы для химического и спектрального анализов наплавленного металла следует отбирать из трех верхних слоев восьмислойной наплавки или из двух верхних слоев пятислойной наплавки. В монтажных условиях для проверки соответствия легированных электродов марочному составу производится наплавка на малоуглеродистую пластину трех бобышек высотой и диаметром у основания не менее четырех диаметров контролируемого электрода. Каждая бобышка наплавляется одним электродом, при этом из партии отбираются три электрода. Верхняя площадка бобышки должна быть очищена до металлического блеска и после этого подвергнута спектральному анализу с помощью стилоскопа.
При отсутствии сертификата или при сомнениях в качестве каждая партия электродов подвергается проверке механических свойств металла шва [4], для чего выполняют стыковое соединение двух стальных пластин размером 330x20 мм. При проверке электродов диаметром до 5 мм допускается выполнять стыковое соединение двух пластин длиной 330 мм, шириной 100 мм и толщиной 14-Н8 мм каждая. Из стыкового сварного соединения для проверки механических свойств металла шва изготавливают три образца для испытания на растяжение типа II и три образца для испытания на ударных изгиб (ударную вязкость) типов VI или IX по ГОСТ 6996-66. Тип образцов для испытания на ударный изгиб (VI или IX) принимают в соответствии с указаниями паспорта или технических условий на электроды контролируемой марки.
Если испытываются электроды, дающие аустенитный наплавленный металл, то проверяется количество феррита в наплавке и склонность к образованию горячих трещин при сварке [5]. Проверка на склонность к образованию горячих трещин производится на жесткой тавровой пробе или шестислойной наплавке.
Определение содержания ферритной фазы в металле, наплавленном электродами диаметром более 2,5 мм, проводят объемным магнитным методом с использованием ферритометров, обеспечивающих погрешность измерения ±10% от измеряемой величины. Для определения содержания ферритной фазы на пластине размером 160x80x15 мм из стали ВСтЗсп или из стали, для сварки которой предназначены электроды контролируемой марки, или из стали 08X18Н10 или 12Х18Н9Т электродами каждой контролируемой партии выполняют семислойную наплавку. Первый слой из семи валиков, второй из шести и т.д. до одного валика, так что получается горка, имеющая в сечении треугольник. Длина наплавки должна составлять не менее 150 мм. Выполнение наплавки производится на режимах тока, регламентированных паспортом или техническими условиями на электроды.
Технологическое обоснование выбора количественных характеристик свойств сварочных электродов
Как было показано выше, существующие в настоящие время методы оценки качества технологических характеристик электродов субъективные, трудоемкие и не дают достаточной количественной информации. В связи с этим, была поставлена задача, выявить параметры, дающие оперативную количественную информацию о технологических характеристиках электродов. Для этого, выбираемые параметры должны удовлетворять следующим требованиям [16]: - давать полную и достоверную информацию о том или ином технологическом свойстве электродов (или группе свойств); нахождение этих параметров должно осуществляться через наиболее доступные для измерения исследователю параметры.
Объектом наших исследований является сварочный контур (рис.2.5), состоящий из источника питания, сварочной дуги и сварочной ванны. Этот контур, а также его участки, характеризуются электрическими параметрами. Поскольку дуга является участком сварочного контура, то все процессы, протекающие в ней или с ее участием, находят свое отражение в ее электрических параметрах. Сварочная дуга характеризуется такими электрическими параметрами, как сварочный ток Iсв, напряжение на дуге Uд, напряженность электрического поля столба дуги, плотность тока и т.д. При этом основными параметрами, которые несут необходимый объем информации о дуге, как это было показано выше, и наиболее доступны для измерения, являются сварочный ток 1св и напряжение на дуге U д [16].
Традиционно исследования процессов в сварочном контуре проводились методами анализа статических электрических характеристик процесса сварки [9,45]. Процессы в сварочной дуге оценивались по статическим вольтамперным характеристикам источника питания и сварочной дуги (рис.2.6). Однако, как показывают проведенные исследования, область существования действительных значений сигналов сварочного тока Iсв и напряжения на дуге U д гораздо шире (рис.2.6). Это связано с тем, что на мгновенные значения сварочного тока и напряжения на дуге влияет большое количество недетерминированных (случайных по величине и времени) возмущений. Следовательно, эти сигналы следует рассматривать, как случайные процессы, протекающие во времени. В связи с этим, при исследовании сигналов сварочного тока 1св и напряжения на дуге Uд необходимо учитывать их динамические и статистические характеристики.
Единственные параметры, которые нельзя определить из осциллограммы 1СВ - это длина электрода до и после сварки. Их определяют путем измерения линейных размеров электрода до выполнения сварочных работ и по окончании сварки, например штангельциркулем или обычной линейкой.
Коэффициент расплавления ССР наиболее объективный и достоверный показатель производительности процесса плавления и нормируется для всех марок электродов. Как было показано выше, его значение нетрудно определить, поэтому ССр был взят для определения данной технологической характеристики.
Оценка возможности сварки в различных пространственных положениях является важным технологическим свойством в том случае, электроды предполагается использовать для сварки в положении отличном от нижнего (в потолочном, вертикальном или горизонтальном положении). Основным показателем, характеризующим возможность сварки в том или ином пространственном положении, является пространственная устойчивость и теплофизические свойства расплава металл-шлак сварочной ванны [7], определение которых затруднительно и требует наличия специального оборудования. Поэтому, в качестве критерия позволяющего оперативно оценивать возможность сварки в различных пространственных положениях была взята длительность короткого замыкания Ткз, предложенная для данной цели в ИЭС им. Е.О. Патона [6,31,53].
Защита расплавляемого металла электрода и сварочной ванны от накопления в них вредных примесей осуществляется обычно комбинированной газовой и шлаковой защитой [1]. Однако защита расплавленного металла при разных типах электродного покрытия сильно отличается [3]. Шлаки рутиловых и рудно-кислых покрытий содержат большие количества окислов железа. Поверхностное натяжение таких шлаков и их межфазное натяжение на границе с расплавленным металлом значительно меньше, чем основных шлаков [49]. Чем меньше межфазное натяжение, тем лучше шлак смачивает металл, лучше покрывает капли электродного металла и сварочную ванну, а следовательно, тем меньше вероятность непосредственного контакта металла с газовой фазой.
Исследования процесса переноса металла с помощью скоростной рентгенокиносъемки [3] показали, что шлаки рутиловых и рудно-кислых покрытий хорошо покрывают капли электродного металла. Шлаки карбонатно-флюоритных покрытий (покрытия основного типа) покрывают капли металла не полностью. Сварочная ванна также плохо защищена шлаком. Поэтому, если для электродов с основным типом покрытия газовая защита будет недостаточной, то в наплавляемом металле начнется недопустимое образование пор, вызванных повышенной абсорбцией азота.
Размер пор и их количество на 100 мм сварного шва нормированы [15] и превышение указанных нормативов является показателем того, что газовая защита зоны сварки неудовлетворительная. Поры в металле швов выявляются методами ультразвуковой дефектоскопии, просвечиванием и т.д. Эти методы является дорогостоящими, трудоемкими и перед каждым измерением требуют предварительной калибровки аппаратуры и контроля чувствительности [50].
Разработка аппаратных средств экспериментальной системы
Как показал анализ, проведенный в первой главе, существующие в настоящее время автоматизированные измерительные системы, предназначенные для исследования процессов в сварочном контуре, на базе ЭВМ [20,38,39] обладают рядом существенных недостатков: 1) недостаточная точность измерений, обусловленная низкой разрядностью применяемых АЦП и недостаточным быстродействием ЭВМ; 2) неудобное управление системой; 3) отсутствие мобильности системы регистрации в связи с большими габаритами и массой. Поэтому, для проведения экспериментов по исследованию технологических характеристик электродов для ручной дуговой сварки и установления их связи с параметрами осциллограмм сварочного тока 1СВ и напряжения на дуге Uд возникла необходимость в разработке информационно-регистрирующей измерительной системы (ИРИС). Подобные системы уже разрабатывались в ВИ(Ф) ЮРГТУ(НПИ) на кафедре "Информационные и управляющие системы", однако им были присущи перечисленные выше недостатки. Развитие цифровой вычислительной техники и радиоэлектроники позволяет устранить указанные несовершенства измерительных систем. При разработке данной системы были сформулированы следующие предъявляемые к ней требования: 1) возможность просмотра осциллограмм сварочного тока 1СВ и на пряжения на дуге Uд; 2) возможность записи осциллограмм сварочного тока 1СВ и напря жения на дуге Uд для дальнейшей обработки; 3) подключаемая к сварочному оборудованию измерительная система не должна быть громоздкой, чтобы не ограничивать рабочее пространство сварщика и не стеснять его манипуляции с электродом при проведении сварочного процесса; 4) система должна считывать и записывать измеряемые сигналы с требуемой точностью, достаточной для достоверной оценки параметров, характеризующих технологические свойства электродов; 5) измерительная система должна быть мобильной, чтобы она легко доставлялась к месту проведения исследований (аттестации) элек 77 тродов и ее подключение к сварочному оборудованию осуществлялось без больших затрат времени; 6) помехозащищенность аппаратуры - процесс сварки электрической дугой постоянного тока с плавящимся электродом сопровождает ся мощными электромагнитными помехами, которые вносят по грешности в аналоговые сигналы, поэтому должна предусматри ваться защита от паразитных наводок на входе и внутри измери тельной системы; 7) частотные свойства измерительного тракта должны обеспечивать регистрацию сигналов сварочного тока 1СВ и напряжения на дуге Uд без потери их информативности.
Первые два требования осуществляются посредством применения компьютера, который позволяет легко визуализировать на мониторе измеряемые сигналы в режиме осциллографа. Запись сигналов производится на жесткий диск компьютера (винчестер). Дальнейшая обработка записанных данных также производится на этом компьютере, если позволяют его характеристики, либо записанную информацию можно перенести на другую более мощную машину и произвести необходимую обработку сигналов.
Чтобы не стеснять движения сварщика при проведении сварки, согласующие усилители подключались к сварочному оборудованию с помощью достаточно длинных, тонких проводов. А сам блок согласующих усилителей и все остальное оборудование выносились за пределы рабочей зоны сварщика.
Для обеспечения требуемой точности измерений, достижения минимального веса и габаритных размеров ИРИС при ее конструировании применялись современные миниатюризированные электронные элементы, стандартные блоки и устройства. Наиболее крупногабаритным устройством в нашей измерительной системе является компьютер. Однако применение портативного компьютера типа NoteBook позволило решить данную проблему, так как такие компьютеры обладают сравнительно небольшими размерами и массой. На сегодняшний день они по своим техническим характеристикам мало уступают стационарным компьютерам.
Помехозащищенность измерительной системы достигается за счет выноса блока согласующих усилителей, модуля Е-330 (АЦП) и микро-ЭВМ от места сварки на расстояние 3- 4 м. А соединение согласующих усилителей со сварочным оборудованием выполнено витой парой в экране [64].
Результаты исследования спектральной плотности помех при ручной дуговой сварке в линиях связи каналов передачи данных [41] показывают, что для снижения уровня помех при измерении сигналов сварочного тока и напряжения в измерительный тракт необходимо включит ФНЧ (рис.3.6). Частота среза ФНЧ должна выбираться таким образом, чтобы не было потери информации о процессах, характеризующих технологические характеристики сварочных электродов.
Чтобы определить необходимые частотные свойства измерительной системы, был проведен спектральный анализ сигналов сварочного тока 1СВ и напряжения Uд при ручной дуговой сварке. При исследованиях процессов в дуге, при сварке плавящимся электродом, для нас наибольший интерес представляют процессы капельного переноса металла, и нам важно, чтобы при регистрации сигналов сварочного тока 1СВ и напряжения на дуге Uд, не было потери информации именно об этих процессах. Для того, чтобы оценить вклад процесса переноса расплавленного электродного металла в спектре сигналов 1СВ и Uд при ручной дуговой сварке, произвели исследование спектра сигналов при сварке неплавящимся электродом в среде защитных газов (в аргоне) по медной пластине.
Программное обеспечение автоматизированной системы аттестации сварочных материалов
Программная часть автоматизированной системы аттестации сварочных материалов состоит из двух программ, позволяющих удобно и эффективно производить запись и обработку регистрируемой информации: 1) "Осциллоскоп" - Программа управления параметрами АЦП, визуализации и записи на диск регистрируемых сигналов; 2) "НейроПАЭ 1.1" - Нейросетевая программа аттестации электродов, определяющая качество исследуемых электродов на основе обработки записанной информации. Данные программы установлены на одном компьютере, и последовательный переход из одной программы в другую позволяет быстро и эффективно производить запись и соответствующую обработку регистри 115 руемых сигналов сварочного тока 1св и напряжения на дуге Uд. Главное окно программы "Осциллоскоп" (рис.4.5) появляется на экране сразу после запуска программы. В этом окне выводятся графики зарегистрированных сигналов, устанавливаются параметры их отображения, вызываются окна настройки параметров регистрации и настройки каналов, окно анализатора спектра. Минимальные размеры главного окна таковы, чтобы в нем помещались все элементы управления.
Кнопки "Запуск регистрации" и "Стоп" включают и выключают процесс измерения платой АЦП в соответствии с параметрами, установленными в окне настройки параметров регистрации, по каналам, установленным в окне настройки каналов. После запуска регистрации в главном окне в области графиков начинают отображаться регистрируемые сигналы (рис.4.7). Нажатие кнопки "Настройка" вызывает появление окна настройки параметров регистрации, нажатие кнопки "Настройка каналов" -окна настройки каналов, а кнопки "Плата" - окно настройки драйверов используемой платы АЦП. При нажатии кнопок "Настройка", "Настройка каналов", "Плата" регистрация автоматически прекращается. Переключатель "Отображение" включает или выключает прорисовку на экране регистрируемых данных. Отображение регистрируемых сигналов на экране требует значительных вычислительных затрат и может быть отключено для достижения максимальной частоты дискретизации при непрерывной записи на диск в реальном времени.
Переключатель "Запись" включает или выключает запись на диск регистрируемых данных. Запись на диск может многократно включаться и выключаться во время регистрации для фиксирования интересных участков в исследуемом процессе.
Переключатель "Анализ" вызывает появление на экране или закрывает окно спектральной обработки в реальном времени. Закладка "Видимая часть" (рис.4.8, а) дает возможность увидеть ту часть выборки, которая наиболее интересна, в увеличенном масштабе по времени (по X). Нажмите мышью на верхний движок и, не отпуская кнопки мыши, двигайте его, чтобы изменить левую границу отображаемой части. Двигая мышью нижний движок, можно изменить правую границу отображаемой части. Зеленая полоска показывает, какая часть выборки в данный момент выводится на экране в виде графика.
Закладка "Масштаб по Y" (рис.4.8, б) позволяет определить область рисования графиков по каждому каналу. Если параметр "Полноэкранный режим" отмечен, то все каналы рисуются вместе на всей области графика, иначе каждому каналу отводится своя область на экране.
Закладка "Сетка по X" (рис.4.8, в) определяет вид координатной сетки и разметку по времени (по X). Чтобы заставить программу рисовать координатную сетку по времени, следует отметить параметр "Сетка по X". Местоположение линий сетки определяется параметром "Шаг сетки по X" (в секундах на деление сетки). Отметив параметр "Разметка", можно увидеть проставленные по оси времени значения. Также можно определить, через сколько делений сетки будут расставляться цифровые значения.
Слово "Регистрация" указывает на то, что в данный момент идет процесс регистрации (иначе вместо этого выводится символ "="). "Загрузка" показывает текущую загрузку компьютера. Значение "Макс." показывает максимальную загрузку за весь сеанс регистрации. Если значение "Макс." превысило 100%, то это значит, что компьютер не успел обработать очередную выборку данных до прихода следующей и в записываемом файле появился пропуск.
Индикатор желтого цвета на правом краю строки статуса означает, что программа "Осциллоскоп" ожидает окончания передачи очередной выборки от платы (или внешнего модуля) АЦП в память компьютера. Графики на экране в это время не меняются, но все элементы управления работают.
В левой части окна, в списке стилей, перечислены стили, существующие в программе, справа - таблица настройки каналов по этому стилю. Если в списке выбрать другой стиль, то изменится и таблица настройки каналов в соответствии с указанным стилем. Когда окно закрывается, выбранный стиль устанавливается как стиль по умолчанию. Регистрация, отображение и анализ в осциллоскопе производятся в соответствии с настройками стиля по умолчанию. Установленный стиль по умолчанию сохраняется и в следующем сеансе работы.
В окне настройки каналов существует две кнопки - "Новый стиль" и "Удалить стиль", нажимая которые мышью можно создать новый или удалить выбранный стиль. Всегда должен оставаться хотя бы один стиль (иначе нельзя будет закрыть окно).
В правой части (в таблице настроек каналов) для каждого канала выбранного стиля указаны: цвет, тип и толщина линии, которой канал отображается на экране; следует ли этот канал отображать при регистрации; следует ли проводить по нему дополнительный анализ; включен ли этот канал; диапазон измерения и коэффициенты полинома для пересчета измеренных значений. Каждый из этих параметров по любому из каналов можно изменить.
