KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 27 nr 1 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2007 MAREK S. WĘGLOWSKI* MONITOROWANIE SPAWANIA METODĄ TIG Z WYKORZYSTANIEM PROMIENIOWANIA ŁUKU SPAWALNICZEGO W artykule przedstawiono wyniki rozkładu widmowego w zakresie 480 860 nm promieniowania łuku spawalniczego w metodzie TIG. Celem badań było sprawdzenie możliwości wykorzystania promieniowania widzialnego łuku spawalniczego do monitorowania jakości procesu spawania. W ramach badań określono wpływ parametrów spawania (natężenie prądu spawania, długość łuku spawalniczego, rodzaj gazu osłonowego) na promieniowanie łuku spawalniczego. Eksperymenty ujawniły, że zmiany długości łuku w zakresie od 1 do 6 mm i zmiany natężenia prądu spawania w zakresie od 25 do 200 A wpływają znacząco na promieniowanie elektromagnetyczne łuku spawalniczego. Wykonane doświadczenia pokazują kierunek kolejnych badań zjawiska promieniowania łuku spawalniczego i możliwości wykorzystania go do monitorowania on-line innych procesów spawania. Badania prowadzono na zautomatyzowanym stanowisku do spawania metodą TIG. Do rejestracji rozkładu widmowego wykorzystano spektrofotometr światłowodowy. Słowa kluczowe: monitorowanie, promieniowanie łuku spawalniczego, rozkład widma 1. WPROWADZENIE 1.1. Monitorowanie procesów spawania Procesy spawalnicze, jako procesy specjalne, których wyniki nie mogą być w pełni sprawdzone podczas późniejszej kontroli i badania wyrobu, muszą być prowadzone przez personel o odpowiednich kwalifikacjach, a warunki technologiczne procesu muszą być monitorowane i nadzorowane w sposób ciągły w celu spełnienia określonych wymagań jakościowych. Dodatkowo zamiast różnych tradycyjnych metod oceny jakości złączy zalecane jest sterowanie parametrami procesu spawalniczego w czasie rzeczywistym z wykorzystaniem metody SKJ [1]. Metody kontroli jakości pozwalają wykryć wadliwe warunki spawalnicze tylko po ich wystąpieniu. Tymczasem należy podjąć działania zapobiegawcze * Mgr inż. Zakład Badań Spawalności i Konstrukcji Spawanych w Instytucie Spawalnictwa. Badania były częściowo wykonane w ramach projektu badawczego 3 T10C 021 28 finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w latach 2005-2007.
104 M. S. Węglowski w postaci sterowania tymi parametrami procesu, które mogą powodować wadliwość. Celem monitorowania procesu spawania jest wykrywanie odstępstw od założonych parametrów spawania w czasie wykonywania złącza. Możliwe jest zidentyfikowanie obszaru spoiny, w którym nastąpiła zmiana parametrów, i przeprowadzenie dokładniejszych badań. Dzięki temu ulegają zmniejszeniu koszty wykonania i kontroli ostatecznej konstrukcji, a także koszty prac naprawczych. Warunkiem uzyskania tych efektów jest automatyczne oddziaływanie urządzenia monitorującego. Wymaga to optymalnej metody analizy parametrów spawania i sygnałów generowanych przez łuk spawalniczy, w tym promieniowania łuku spawalniczego, i jednocześnie określenia kryteriów klasyfikacji złączy na te, które spełniają wymagania, i te, które wymagają dokładnego sprawdzenia i ewentualnej naprawy [3]. Parametry procesu spawania to [5]: natężenie prądu spawania, napięcie łuku spawalniczego, prędkość spawania, natężenie przepływu gazu, prędkość podawania drutu spawalniczego itp. Jeżeli do powyższej listy dopiszemy jeszcze oczekiwane właściwości złącza: mechaniczne, plastyczne, odporność na korozję i na pękanie, to otrzymamy zbiór parametrów umożliwiających zdefiniowanie modelu procesu spawania (rys. 1). W modelu tym parametry procesu są parametrami wejściowymi, a oczekiwane właściwości złącza parametrami wyjściowymi. Rys. 1. Model procesu spawania Fig. 1. Model of welding process Procesy spawalnicze są monitorowane z wykorzystaniem metod tradycyjnych, opartych na rejestracji parametrów elektrycznych łuku spawalniczego, lub metod niekonwencjonalnych, wykorzystujących promieniowanie rentgenowskie, widzialne lub podczerwone, fale ultradźwiękowe, emisję akustyczną jako nośnik informacji o przebiegu i stabilności spawania.
Monitorowanie spawania metodą TIG... 105 Konwencjonalne metody monitorowania procesów spawalniczych, tzw. trough the arc sensor, są oparte przede wszystkim na pomiarze i rejestracji natężenia prądu spawania i napięcia łuku spawalniczego. W metodach tych rejestruje się również natężenie przepływu gazu osłonowego, prędkość spawania i prędkość podawania drutu spawalniczego. Monitorowanie jest prowadzone za pomocą specjalistycznych urządzeń monitorujących lub uniwersalnych kart pomiarowych. Pomiar natężenia prądu spawania i napięcia łuku spawalniczego jest wykorzystywany do oceny stabilności procesu spawania, zwłaszcza jeżeli korzysta się z zaawansowanej analizy sygnałów. Metody te są użyteczne zwłaszcza do synergicznego sterowania urządzeniami spawalniczymi w metodzie MIG/MAG. Szczególnym przypadkiem zastosowania tradycyjnych metod jest kontrola procesu spawania wąskoszczelinowego metodą MAG z magnetycznym odchylaniem łuku spawalniczego, oparta na rejestracji przebiegu natężenia prądu spawania, lub monitorowanie spawania plazmowego przez pomiar i rejestrację parametrów elektrycznych łuku pomocniczego. Metody konwencjonalne są stosowane również do wykrywania zakłóceń procesu spawania, takich jak zanieczyszczenia powierzchni blachy i brak prawidłowej osłony gazowej w metodzie spawania MAG. 1.2. Promieniowanie łuku spawalniczego Promieniowanie widzialne łuku spawalniczego występuje we wszystkich łukowych metodach spawania, a w większości z nich może być obserwowane bezpośrednio, co stanowi zagrożenie dla wzroku spawaczy. Można je także traktować jako jeden z sygnałów emitowanych przez proces spawania i wykorzystać jako nośnik informacji o procesie spawania [4]. Pomiary i analiza widma promieniowania widzialnego łuku spawalniczego są wykorzystywane do badania rozkładu temperatury w łuku, obliczenia średniej temperatury łuku spawalniczego [6], przewodności słupa łuku, temperatury i emisyjności elektrod wolframowych, temperatury kropel ciekłego metalu, ilości wodoru w osłonie gazowej, jak również temperatury jeziorka ciekłego metalu. Badanie promieniowania widzialnego łuku spawalniczego w metodzie MIG/MAG służy również do monitorowania sposobu przenoszenia metalu w łuku, zwłaszcza podczas przenoszenia natryskowego. Metody optyczne wykorzystuje się także do śledzenia długości łuku spawalniczego w metodzie TIG [2] i MIG/MAG [7]. Wykonano badania, które miały na celu sprawdzenie, czy promieniowanie widzialne łuku zawiera informacje przydatne do monitorowania procesu spawania, podobnie jak sygnały rejestrowane w obwodzie elektrycznym łuku spawalniczego lub sygnały akustyczne emitowane przez łuk. Badania prowadzono w zakresie widzialnym promieniowania łuku w metodzie TIG. Zbadano związki pomiędzy natężeniem promieniowania łuku w metodzie TIG a wybranymi parametrami spawania.
106 M. S. Węglowski 2. OPIS STANOWISKA Próby były prowadzone na stanowisku do automatycznego spawania metodą TIG. W skład układu pomiarowego wchodziły: przetworniki prądowy, napięciowy i optyczno-elektryczny, przetwornik obrotowo-impulsowy, spektrofotometr, karta pomiarowa i komputer PC (rys. 2). Rys. 2. Schemat układu pomiarowego Fig. 2. Meter circuit diagram Sygnały elektryczne, odpowiadające natężeniu promieniowania widzialnego łuku, i sygnały z obwodu spawania były rejestrowane przez urządzenie rejestrujące wykorzystujące kartę pomiarową NI DAQ 6036E w komputerze PC. Sygnały te były następnie analizowane. Do rejestracji rozkładu widma promieniowania łuku spawalniczego wykorzystywano spektrofotometr firmy Ocean Optics oparty na detektorze CCD Sony typ ILX511. Spektrofotometr ten umożliwiał badanie widma promieniowania elektromagnetycznego łuku spawalniczego w zakresie 200 1100 nm. W badaniach wykorzystywano zakres pomiarowy od 350 do 850 nm. 3. WPŁYW PARAMETRÓW SPAWANIA METODĄ TIG NA PROMIENIOWANIE WIDZIALNE ŁUKU SPAWALNICZEGO 3.1. Wpływ zmiany długości łuku spawalniczego w metodzie TIG na jego promieniowanie widzialne Pomiar i kontrola długości łuku jest jednym z głównych zadań układów monitorujących na zrobotyzowanych i zautomatyzowanych stanowiskach spawalni-
Monitorowanie spawania metodą TIG... 107 czych. Długość łuku wpływa na rozkład energii łuku, a w konsekwencji na ilość ciepła wprowadzonego do złącza i na szerokość spoiny. W prowadzonych badaniach długość łuku była zmieniania w zakresie od 1 do 6 mm. Na rysunku 3 przedstawiono wpływ długości łuku spawalniczego L na rozkład jego widma promieniowania (w zakresie 480 700 nm) przy natężeniu prądu spawania I = 200 A. Rys. 3. Rozkład widma promieniowania łuku spawalniczego w metodzie TIG; natężenie prądu spawania I = 200 A, długość łuku spawalniczego L = 1 6 mm, skala lgarytmiczna Fig. 3. Spectrum of light emission of the welding arc according to the TIG method. Welding current I = 200 A, arc length L = 1 6 mm. Logaritmic scale 3.2. Wpływ zmiany natężenia prądu spawania metodą TIG na promieniowanie widzialne łuku spawalniczego Badania obejmowały pomiar rozkładu widma promieniowania łuku spawalniczego przy prądzie spawania I w zakresie 25 200 A i długości łuku L w zakresie 1 6 mm. Na rysunku 4 przedstawiono rozkład widma promieniowania elektromagnetycznego łuku (w zakresie długości fali 480 700 nm) dla długości łuku L = 6 mm i natężenia prądu spawania I = 25 200 A. Jako gaz osłonowy zastosowano czysty argon.
108 M. S. Węglowski Rys. 4. Rozkład widma promieniowania łuku spawalniczego w metodzie TIG; długość łuku spawalniczego L = 6 mm, natężenie prądu spawania I = 25 200 A, skala logarytmiczna Fig. 4. Spectrum of light emission of the welding arc according to the TIG method. Arc length L = 6 mm, welding current I = 25 200 A. Logarytmic scale 4. MONITOROWANIE METODY SPAWANIA TIG NA PODSTAWIE PROMIENIOWANIA ŁUKU SPAWALNICZEGO W trakcie badań wykonano złącza spawane z blachy ze stali gatunku S275 (wg PN-EN 10020) grubości 4 mm. Złącze wykonano przy następujących parametrach technologicznych: długość łuku spawalniczego L = 2,5 mm, natężenie prądu spawania I = 140 A, gaz osłonowy 100% Ar, prędkość spawania 17 cm/min, prędkość podawania drutu spawalniczego v el = 1,22 m/min, drut spawalniczy gatunek SG2, φ1,2 mm. Pomiar natężenia promieniowania łuku prowadzono przy stabilnym procesie spawania (obszar I). W celu wprowadzenia zakłóceń w trakcie wykonywania złącza przerwano podawanie drutu spawalniczego (obszar II). Na rysunku 5 pokazano również obszar III, w którym nastąpiło przepalenie złącza. Rozkład widma promieniowania łuku spawalniczego, zarejestrowany w trakcie wykonywania złącza (rys. 5), przedstawiono na rys. 6 w zakresie 480 700 nm i na rys. 7 w zakresie 680 860 nm. Na tych rysunkach natężenie promieniowania łuku przedstawiono w skali logarytmicznej.
Monitorowanie spawania metodą TIG... 109 Rys. 5. Złącze ze stali S275 spawane metodą TIG z zaznaczonymi charakterystycznymi obszarami Fig. 5. Weld joint, steel grade S275 welding by TIG method with characteristic areas Rys. 6. Rozkład widma promieniowania łuku spawalniczego w metodzie TIG w zależności od obszaru spawania złącza spawanego; długość łuku spawalniczego L = 2,5 mm, natężenie prądu spawania I = 100 A, obszary zaznaczone jak na rys. 5, skala logarytmiczna Fig. 6. Spectrum of light emission of the welding arc according to the TIG method in depends of areas weld joint. Arc length L = 2,5 mm. Welding current I = 100 A. Areas market as shown in the Fig. 5. Logarytmic scale Na podstawie analizy rozkładów widma promieniowania łuku spawalniczego nie stwierdzono istotnych zmian w kształcie rozkładu widmowego. Nie stwierdzono obecności dodatkowych linii widmowych. Zmianie ulega natomiast natężenie promieniowania łuku spawalniczego poszczególnych linii widmowych. Uwzględniając otrzymane dane, na podstawie atlasów linii widmowych odseparowano linie widmowe odpowiadające atomom argonu i poddano je analizie w funkcji czasu.
110 M. S. Węglowski Rys. 7. Rozkład widma promieniowania łuku spawalniczego w metodzie TIG w zależności od obszaru spawania złącza; długość łuku spawalniczego L = 2,5 mm, natężenie prądu spawania I = 100 A, obszary zaznaczone jak na rys. 5, skala logarytmiczna Fig. 7. Spectrum of light emission of the welding arc according to the TIG method in depends of areas weld joint. Arc length L = 2,5 mm. Welding current I = 100 A. Areas market as shown in the Fig. 5. Logarytmic scale Na rysunku 8 przedstawiono wpływ zakłóceń procesu spawania złącza metodą TIG na natężenie promieniowania wybranych linii widmowych. Rys. 8. Wpływ zakłóceń procesu spawania metodą TIG na natężenie promieniowania łuku spawalniczego dla wybranych długości fali Fig. 8. Influence of disturbance welding process on arc light emission for single wavelength
Monitorowanie spawania metodą TIG... 111 5. PODSUMOWANIE Nowoczesne metody monitorowania procesu spawania są nieodłącznym elementem każdego zautomatyzowanego lub zrobotyzowanego systemu produkcji. Pozwalają one na szybkie wykrycie już w trakcie produkcji wadliwie wykonanej spoiny, a co za tym idzie, na obniżenie kosztów produkcji. Oznacza to możliwość wykrycia wadliwych elementów bez konieczności prowadzenia kosztownych badań nieniszczących. Powszechnie stosowane do tej pory konwencjonalne metody monitorowania procesów spawania, oparte na pomiarze natężenia prądu spawania i napięcia łuku spawalniczego, w wielu przypadkach okazują się niewystarczające i są uzupełniane lub zastępowane metodami niekonwencjonalnymi, takimi jak systemy wykorzystujące promieniowanie łuku spawalniczego do diagnozowania stabilności procesu spawania, w tym również kontrolowanie długości łuku spawalniczego. Celem przedstawionych badań było sprawdzenie możliwości wykorzystania promieniowania widzialnego łuku spawalniczego do monitorowania jakości procesu spawania. Zbudowane stanowisko pomiarowe pozwoliło na rejestrację rozkładu widma promieniowania łuku spawalniczego w zakresie długości fal od 340 do 860 nm. Do rejestracji rozkładu widma promieniowania łuku spawalniczego wykorzystywano spektrofotometr PC 2000 ISA-A oparty na detektorze CCD Sony typ ILX511. W zarejestrowanym widmie promieniowania łuku w metodzie TIG można wyróżnić promieniowanie wzbudzonych atomów argonu ArI. Zmiana długości łuku spawalniczego w metodzie TIG powoduje zmiany natężenia promieniowania widzialnego łuku spawalniczego i zmiany rozkładu widma promieniowania. Zwiększenie długości łuku powoduje wzrost natężenia promieniowania widzialnego łuku spawalniczego w metodzie TIG w całym badanym zakresie widmowym (340 860 nm). Zwiększenie natężenia prądu spawania przy stałej długości łuku spawalniczego powoduje wzrost natężenia promieniowania widzialnego łuku. Na podstawie badań stwierdzono, że wyniki rejestracji widma promieniowania widzialnego łuku spawalniczego w metodzie TIG mogą być przedmiotem dalszych badań w celu wykorzystania natężenia promieniowania widzialnego łuku spawalniczego do monitorowania procesu spawania. Istnieje zależność pomiędzy natężeniem promieniowania widzialnego łuku spawalniczego w metodzie TIG a parametrami spawania. Pomiar natężenia poszczególnych linii widmowych w trakcie procesu spawania pokazał, że największą zmianą charakteryzuje się natężenie linii o długości fali 752,85 nm. Przedstawione w artykule wyniki badań wskazują, że promieniowanie łuku spawalniczego zawiera informacje o przebiegu spawania. Sygnał ten jest bardzo czuły na zmiany warunków spawania i powinien być wykorzystany do monitorowania procesów spawalniczych.
112 M. S. Węglowski LITERATURA [1] Klimpel A., Kontrola i zapewnienie jakości w spawalnictwie, Gliwice, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej 1998. [2] Li P. J., Zhang Y. M, Precision Sensing of Arc Length in GTAW Based on Arc Light Spectrum, Transaction of the ASME, 2001, no. 2, s. 62 65. [3] Luksa K., Monitorowanie procesów spawania, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, 1999, nr 5, s. 59 62. [4] Luksa K., Węglowski M, Arc light emission in GMA and GTA welding, in: Proceedings of III th International Conference on Advances in Production Engineering APE2004, vol. 2, Warszawa 2004, s. 69 79. [5] Papritan J. C., Helzer S. C., Statistical process control for welding, Welding Journal, 1991, no. 3, s. 44 48. [6] Węglowski M., Determination of GTA and GMA welding arc temperature, Welding International, 2005, nr 3. [7] Yoo C. D., Yoo Y. S., Sunwoo H-K., Investigation on arc light intensity in gas metal arc welding. Part 1: relationship between arc light intensity and arc length, in: Proceeding of the Institution of Mechanical Engineers. Part B, Journal of Engineering Manufacture, 1997, vol. 211, part B, s. 345 353. Praca wpłynęła do Redakcji 19.03.2007 Recenzent: prof. dr hab. inż. Jerzy Nowacki SENSING OF THE TIG WELDING METHOD BASED ON ARC LIGHT INTENSITY S u m m a r y The results of investigation spectrum of welding arc light in the range of 480 860 nm are presented. The main goal of these researches was to check that welding arc light can be seen as a signal carrying essential information about the welding process and exploiting in the monitoring of the welding process. Conditions of arc burning were modified by changing the welding parameters (welding current and arc length). The changes of welding current in the range of 25 200 A and arc length in the range of 1 6 mm influence significantly on spectrum of arc light emission. The investigation results indicate the next steps of researchers of arc light radiation phenomena and possibilities of application of this unconventional method to monitoring on-line another welding processes. To data acquisition of spectrum of arc light the advanced spectrophotometers was used. Key words: sensing, arc light emission, distribution of spectrum