Аргоновая сварка

ВВЕДЕНИЕ

В производственной практике используется сварка K-TIG, новый метод сварки с глубоким проникновением, отличающийся высокой эффективностью и превосходным качеством сварки. Без скашивания кромки и присадочных материалов листы толщиной 3–16 мм могут быть сварены с одной стороны с форматированием с обеих сторон [1–3]. Таким образом, эта работа, направленная на то, чтобы интеллектуализация и автоматизация K-TIG стали реальностью. Однако из-за аккумуляции тепла, изменения геометрии соединения и ошибок при сборке трудно обеспечить качество сварки, особенно проникновения. Следовательно, важно обеспечить качество сварки K-TIG, особенно в процессе роботизированной сварки. По сравнению с этими автономными разрушающими или неразрушающими методами исследования, методы оценки качества сварки в режиме реального времени не только могут улучшить стабильность и надежность качества сварки, но также повысить эффективность и производительность сварки. Те методы оценки качества сварного шва в режиме реального времени, которые могут предоставить достаточную информацию для контроля качества сварного шва с помощью различных методов измерения, включают спектральные методы исследования [4], визуальное освидетельствование [5–11], измерение напряжения [12–14], измерение силы тока. [13,14] и акустическое зондирование [13–19] и т. д. Однако большой ток (300–1000 А) при сварке K-TIG вызывает интенсивную дугу, что затрудняет оценку качества сварки с помощью визуального зондирования. Поэтому, чтобы избежать влияния интенсивной дуги, делается снимок задней стороны сварочной ванны, чтобы исследовать влияние падающего фронта тока и газовой защиты на форму, т. е. на проплавление или качество сварки K-TIG [10,11]. Между тем, сварка K-TIG представляет собой технологию сварки постоянным током, а не технологию сварки переменным током или импульсную сварку, такую как импульсная GTAW [13,14], и поэтому во время сварки K-TIG трудно получить очевидную информацию с помощью измерения тока. В практическом промышленном производстве, независимо от получения изображения передней или задней стороны сварочной ванны, трудно использовать метод визуального контроля из-за его стоимости и ограничения доступа к сварке. Акустическое зондирование широко используется для получения достаточной информации во время различных сварочных процессов [13–20]. Эти методы обнаружения, включая определение тока, определение напряжения и акустическое обнаружение, просты в установке и не ограничивают доступ к сварке. Однако, с одной стороны, звуковой шум, создаваемый системой охлаждения, сварочным аппаратом и роботизированной системой, настолько интенсивен, что его трудно подавить, чтобы получить чистый звук дуги. С другой стороны, до сих пор не было ни одного исследователя, который контролировал бы качество сварки с помощью мультисенсорного контроля во время сварки K-TIG.
Принимая во внимание очень нелинейный и сложный во времени процесс сварки, информация, полученная от одного датчика, может отражать состояние сварки в реальном времени только с одной точки зрения, особенно датчики могут быть легко нарушены, как указано в вышеупомянутом анализе. Чтобы преодолеть это ограничение, в процессе сварки для различных целей используется мультисенсорная технология, которая может использовать возможности каждого датчика. Например, Чжан и др. [14] предложил мультисенсорный метод контроля качества сварки в режиме реального времени и обнаружения дефектов GTAW из алюминиевого сплава с максимальной точностью 94,72% для выявления различных дефектов сварки. Чен и др. [13] применили технологию объединения мультисенсорной информации в импульсный GTAW для прогнозирования состояния проходки. Бестар и др. [21] оценили глубину и ширину валика сварного шва в GTAW на основе слияния информации от нескольких датчиков. Не говоря уже о том, что искусственный интеллект (ИИ) вызвал интерес исследователей, поскольку применение методов ИИ для мониторинга процесса сварки демонстрирует впечатляющие показатели точности и надежности. Более того, данные для ИИ — это то же самое, что масло для автомобиля, а технология мультисенсорного зондирования может увеличить широту и глубину набора данных. Например, модель МОВ использовалась в [14], а искусственная нейронная сеть — в [13, 21]. Таким образом, необходимо исследовать метод шумоподавления и решение для контроля проникновения при сварке с помощью мультисенсорного зондирования. Взаимосвязь между сварочным током или мощностью и звуком дуги при импульсной GTAW и GMAW предложена в [15, 22], и их взаимосвязь при сварке K-TIG необходимо определить. В этой статье впервые представлен метод для шумоподавления звукового сигнала дуги, а также представлена новая методология распознавания проплавления при сварке K-TIG, основанная на объединении характеристик, извлеченных из звуковых сигналов, сигналов тока и напряжения. Различные состояния проплавления искусственно создаются путем регулировки сварочного тока для эксперимента по стыковой сварке пластин. Основная структура данной работы представлена на рис. 1.

Рисунок. 1. Основная структура данной работы.

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ СИСТЕМА

На рис. 2 показана экспериментальная система, включающая четыре секции.


Рисунок. 2. Принципиальная схема установки сварочного эксперимента.

Первая секция представляет собой сварочную систему K-TIG, состоящую из источника постоянного тока, системы охлаждения и специальной сварочной горелки K-TIG. Второй раздел — это система движения, включающая в себя промышленного робота с шестью степенями свободы и его систему управления. Третья секция — сенсорная секция, включающая в себя микрофон, датчики Холла и ПЗС-камеру. Последняя секция — это секция управления для сбора данных и настройки параметров сварки. Звук дуги регистрируется всенаправленным емкостным микрофоном с частотной характеристикой от 20 Гц до 20 кГц, который фиксируется с предпочтительным углом 80° [15]. Изображение обратной стороны короны захватывается ПЗС-камерой с большим диапазоном частот и фильтруется узкополосным оптическим фильтром в диапазоне нм. Сварочный ток и напряжение регистрируются датчиком Холла со схемой защиты, которая используется для изоляции высокочастотных помех от зажигания дуги. Сигналы звука дуги, тока и напряжения собираются картой сбора данных с частотой дискретизации 42 кГц. Изображение короны с обратной стороны снято с частотой кадров 14 к/с. Все эти сигналы синхронно записываются. Существует три типа проникновения, которые были обнаружены после многочисленных сварочных испытаний. На рис. 3 показаны три типа проникновения: частичное проникновение, полное проникновение и чрезмерное проникновение.

Рисунок. 3. Классификация трех типов проникновения.
Сварочный ток регулируется от 420 А до 580 А с шагом 80 А, что приводит к трем типам проникновениям соответственно. Параметры эксперимента приведены в табл. 1.