Инжиниринг

Контроль качества шва при сварке перемешиванием

Об инновационной для отечественного машиностроения технологии перемешивающей сварки трением (ПСТ) мы уже рассказывали на страницах журнала «Умное производство». В предлагаемой читателю статье речь пойдет о методах обеспечения контроля свойств и качества сварных соединений – одной из наиболее важных задач при осуществлении ПСТ, как, впрочем, и любого другого метода промышленной сварки.
11 апреля 2012

Так как перемешивающая сварка трением является высокоавтоматизированным процессом, применяемое оборудование должно иметь способность обеспечивать контроль и отслеживание параметров процесса с достаточной точностью. Это крайне необходимо для того, чтобы отвечать требованиям качества и производительности, которые и определяют сферу практического применения сварки перемешиванием. Для мониторинга процесса и выполнения соответствующих сигнальных или управляющих действий, таких как предупреждение оператора об опасности, остановка процесса сварки или корректировка параметров управления, можно использовать методы статистического контроля.

Текущий мониторинг процесса может включать в себя контроль в режиме реального времени параметров ПСТ, температуры сварки, ошибок в траектории сваривания и визуальный мониторинг сварки, например, для отслеживания появления излишнего выдавливания и натеков материла. Он также может включать в себя недавно разработанные аналитические методы, которые описывают связь между отслеживаемыми данными. Это делается с целью определения свойств и характеристик сварного шва, которые затруднительно или невозможно выявить в режиме реального времени. Расскажем о них немного подробней.

ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ПСТ

Режимы сварки, полученные в результате технологической разработки конкретного процесса ПСТ, определяют значения параметров сварки для всей траектории производимого шва. Это касается, например, осевого положения сварочного инструмента, усилия его осевого перемещения, частоты вращения и скорости рабочего хода. Система ЧПУ вырабатывает надлежащие команды для осевых перемещений рабочего инструмента и посредством обратной связи отслеживает реакцию, чтобы убедиться, что ошибки управления находятся в допустимых границах. В качестве датчиков обратной связи используются энкодеры, измерительные преобразователи линейных перемещений, датчики нагрузки, давления и крутящего момента и т.д. При обнаружении ошибки сообщение о ней выводится на экран за пределы окна управления процессом, и система надлежащим образом реагирует на ошибку, подавая оператору предупреждающий сигнал об опасности или останавливая процесс сварки (рис. 1).

Если разработка технологического процесса ПСТ осуществлялась правильно и сварочная установка обладает необходимыми возможностями контроля, то мониторинг текущих параметров процесса может стать одним из лучших вариантов обеспечения высококачественной сварки. По существу, этот процесс замыкает цикл обеспечения заданного качества сварного соединения. Именно такой тип мониторинга при выполнении ПСТ успешно используется для производства ракет «Delta II» и «Delta IV» компании Boeing, реактивного двигателя «EAC-500» компании Eclipse Aviation и высокоскоростных поездов «Shinkansen» компании Nippon Sharyo.

КОНТРОЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ СВАРКИ

Температура сварки является показателем, связанным с количеством энергии, передаваемой от рабочего инструмента детали. Она может использоваться как контролируемый параметр, влияющий на качество сварки, т.к. тепловой поток через деталь напрямую связан с механическими свойствами сваренной детали.

Осуществить точное измерение температуры сварки весьма затруднительно, так как технически непросто разместить датчики непосредственно на границе детали и инструмента. Для различных методов измерения температуры сварки может быть различное размещение температурного зонда или термопары – внутри сварочного инструмента (рис. 2) или вдоль опорной подкладной планки. Измерение также может осуществляться с использованием ИК-излучения (например, пирометром или инфракрасной камерой). Каждый из методов, вместе с тепловыми моделями, отражающими тепловую картину качественного шва, имеет свои преимущества и недостатки, но все они могут быть использованы для мониторинга поступающего в деталь тепла. Наиболее точным измерением температуры считается измерение температурным зондом, расположенным внутри или очень близко к сварочному инструменту.

Из-за множества взаимосвязанных параметров ПСТ (усилия инструмента, скорости хода, материала, соединения и т.д.) и сложности измерения температуры, зависимости между качеством и температурой не получили широкого практического использования в качестве контрольного параметра или как средство оценки качества сварки. Однако это направление продолжает оставаться предметом активных исследований.

КОНТРОЛЬ ТРАЕКТОРИИ СВАРКИ

Способность установки ПСТ поддерживать правильное положение сварочного инструмента вдоль всей траектории сварки является важным условием для обеспечения качества сварного соединения. Во время разработки технологического процесса сварки перемешиванием обычно проводятся тестовые испытания с целью выяснения, каким должно быть допустимое смещение от оси сварного шва. Однако из-за отклонений, связанных с точностью самой сварочной установки и точностью закрепления свариваемых деталей в зажимной оснастке, могут возникнуть ошибки позиционирования перекрестных швов. Эти ошибки можно исправить вручную, корректируя положение оси инструмента во время сварки и/или применяя систему слежения за стыком. Системы визуального контроля и слежения за стыком могут быть включены в состав оборудования и использованы для мониторинга и выполнения соответствующих корректирующих действий.

ВИЗУАЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ

С помощью изображений, фор-мируемых видеосистемой, как в примере на рисунке 3, оператор может тщательно визуально контролировать качество сварки и вносить соответствующие корректировки. Например, чрезмерные натеки материала обычно свидетельствуют о слишком сильном погружении плеча рабочего инструмента в материал. Его можно откорректировать регулировкой инструмента по оси Z, снижением нагрузки или снижением скорости вращения инструмента. Следует отметить, что такой вид ручной регулировки сварочного процесса необходимо выполнять под жестким контролем, чтобы случайно не вывести параметры сварки за нижние и верхние допустимые пределы, определенные для конкретного процесса.

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИЗМЕРЕНИЕ

Большая работа была проделана недавно в области анализа данных по процессу и поиску их взаимосвязи с дефектами сварки, которые ранее можно было обнаружить только с помощью послесварочного неразрушающего контроля. В Школе горнорудного дела и технологии в Южной Дакоте была проведена работа с использованием нейронных сетей, чтобы определить взаимосвязь между рассогласованием усилия подачи по различным осям, течением пластифицированного материала и возникновением свищей в сварном шве. Но данные методы в настоящее время находятся на стадии разработки и носят в большей степени фундаментальный характер научных исследований.

По мере появления новой информации и проверки данных о влиянии параметров управления на конечное качество сварки следующим шагом будет интеграция в систему контроля установки сварки перемешиванием возможности осуществлять регулировку процесса в режиме реального времени с целью поддержания стабильного качества сварки.

Также важно отметить, что в меру возможностей целесообразно фиксировать все данные мониторинга и вносить их в архив вместе с любой другой соответствующей информацией о детали. Это поможет впоследствии более глубоко проанализировать причины возникновения проблем, которые невозможно обнаружить при использовании готовой детали по назначению.

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ

Хотя процесс ПСТ предварительно тщательно разрабатывается и является устойчивым и надежным методом сварки, в ряде случаев в качестве дополнительного контроля, а иногда даже в качестве обязательного требования необходимо провести неразрушающие испытания сваренной детали. Несмотря на то что по сравнению со сваркой плавлением ПСТ характеризуется малым количеством источников дефектообразования, тем не менее, некоторые изъяны могут появиться в процессе сварки.

Методы неразрушающего контроля, применяемые для проверки швов сварки трением, в основе своей такие же, как и используемые для других видов сварки. Они включают в себя визуальный контроль, мониторинг параметров, анализ контрольных данных, полученных в процессе сварки, радиационную дефектоскопию, капиллярную дефектоскопию, методы контроля с использованием ультразвука и вихревых токов. Подробно о результатах исследования многих из этих технологий можно прочитать в статье Д. Кинчена и Э. Альдахира «Неразрушающий контроль швов, полученных перемешивающей сваркой трением в аэрокосмической сфере применений. Правильная методика проведения неразрушающих испытаний».

В заключение следует отметить, что существует множество различных методик, которые можно использовать для текущего контроля процесса ПСТ и проверки качества сварного шва. Выбор конкретной методики должен определяться требованиями, исходящими из практического применения процесса.

Также не стоит забывать, что первым этапом контроля качества является определение требований к сварному шву таким образом, чтобы их можно было использовать как отправную точку, от которой следует отталкиваться при проверке и оценке качества сварного шва. Ключевым моментом внедрения сварки перемешиванием является разработка технологического процесса и критериев оценки качества сварки, которая заключается в установке связи между параметрами сварки и качеством сварки.