PL229922B1 - Sposób kontroli jakości procesu zgrzewania rezystancyjnego doczołowego iskrowego - Google Patents

Abstract

Sposób kontroli jakości procesu zgrzewania doczołowego iskrowego, elementów metalowych, polegający na pomiarze parametrów zgrzewania przez czujniki pomiarowe parametrów elektrycznych urządzenia zgrzewającego, które mierzą natężenie i napięcie w obwodzie zgrzewania, na podstawie których wyznacza się wielkości pochodne, czujniki pomiarowe parametrów mechanicznych, które mierzą przemieszczenie elektrod, skrócenie elementów zgrzewanych i siłę docisku elektrod, które następnie przetwarza układ sterująco - monitorujący urządzenia komputerowego, posiadającego zasoby zarejestrowanych danych pomiarowych określonych parametrów elektrycznych i mechanicznych oraz ich parametry pochodne, stanowiące nauczone wzorce zgrzewania elementów konstrukcyjnych, przy czym proces prowadzi się w określonym przedziale czasowym z fazami nagrzewania (wyiskrzania) oraz spęczania, w oparciu o zadane parametry, które powinny być osiągnięte w trakcie zgrzewania, charakteryzuje się tym, że dla wartości natężenia prądu zgrzewania (Izgrz) i napięcia zgrzewania (Uzgrz) mierzonych w określonym przedziale czasowym w fazie wyiskrzania oraz fazie spęczania wyznacza się dla tych faz średnie skuteczne wartości prądu oraz średnie skuteczne wartości napięcia, dla których wyznacza się parametry pochodne, korzystnie energię dostarczoną do zgrzeiny w fazie wyiskrzania i fazie spęczania, a następnie porównuje z wartościami odniesienia parametrów wzorcowych wyznaczonych dla każdej z odpowiadających faz procesu.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób kontroli jakości procesu zgrzewania rezystancyjnego doczołowego iskrowego, zwłaszcza elementów metalowych konstrukcyjnych.

Znane są sposoby zgrzewania doczołowego iskrowego, w których trwałe połączenie części metalowych uzyskane jest przez nadtopienie powierzchni łączonych przekrojów (powierzchni czołowych) w wyniku przepływu prądu i oddziaływania siły docisku, które prowadzi się z równoczesną kontrolą parametrów procesu. Urządzenia zgrzewające posiadają w tym celu głowice pomiarowe wyposażone w układy pomiarowe i układy sterowania procesem. Urządzenia te rejestrują parametry procesu w czasie poszczególnych faz zgrzewania - wyiskrzania wstępnego dopasowującego elementy, wyiskrzania właściwego i spęczania, a rejestracji podlegają parametry elektryczne, tj. prąd i napięcie zgrzewania w obwodzie wtórnym transformatora (obwodzie zgrzewania). Urządzenia takie są również wyposażane w zaawansowane układy kontroli procesu, np. do pomiaru drogi, tj. skrócenie/spęczenie elementów w czasie zgrzewania, z podziałem na całkowitą drogę spęczania i drogę szybkiego przemieszczania w czasie fazy spęczania.

W procesie zgrzewania dla zachowania odpowiedniej jakości wykonywanych połączeń, wprowadza się rozwiązania umożliwiające stałą kontrolę warunków zgrzewania dla uzyskania wysokiej jakości zgrzein, a oceny czy stan połączenia jest dopuszczalny, czy nie dokonuje się np. na podstawie kryterium dochowania mierzonych lub pochodnych parametrów procesu.

Znane z opisu patentu JP4091374(B2) (publikacja JP2004050271A1) urządzenie do zgrzewania iskrowego, wyposażone w urządzenie sterujące nadzorujące przebieg procesu zgrzewania, oraz urządzenia do pomiaru prądu zgrzewania oraz skrócenia elementów (przemieszczenia elektrod), które to parametry są mierzone w sposób ciągły przez cały czas trwania procesu zgrzewania. Ocenę jakości procesu zgrzewania dokonuje się na podstawie przemieszczenia (skrócenia) elementów zgrzewanych, i porównuje się do wartości odniesienia. Z publikacji wynalazku WO2006112702 A1 (pierwszeństwo ze zgłoszenia NL20051028829 z 2005.04.20) znany jest sposób oraz system zgrzewania iskrowego elementów pierścieniowych. W procesie poddaje się kontroli, przez układ sterowania, temperaturę w obszarze zgrzewania oraz rezystancję, i w zależności od wartości tych parametrów proces jest automatycznie sterowany aż do uzyskania odpowiednich założonych wartości. Z opisu patentu US8395072 (B2) znany jest sposób określania jakości w procesie zgrzewania rezystancyjnego, który polega na pomiarze prądu i napięcia zgrzewania i wyliczaniu rezystancji, która jest porównywana z wartością odniesienia. W opisie zgłoszeniowym wynalazku P.395048 jakość procesu zgrzewani a rezystancyjnego ocenia się na podstawie zmienności parametrów pochodnych, takich jak: moc chwilowa, energia dostarczona do procesu lub rezystancja zastępcza, wyznaczonych z pomiarów prądu oraz napięcia zgrzewania. Natomiast opis zgłoszeniowy wynalazku EP2495064 A1 ujawnia technologię zgrzewania iskrowego, w której wyróżnia się fazy zgrzewania z wyiskrzaniem wstępnym (dopasowującym elementy), nagrzewaniem, wyiskrzaniem formującym, wyiskrzaniem końcowym oraz spęczaniem, gdzie określona jest prędkość skrócenia elementów w zakresie 2.1 mm/sek. - 2.8 mm/sek.

W przedstawionych powyżej rozwiązaniach prąd mierzony w niektórych urządzeniach jest prądem pierwotnym transformatora zgrzewarki co nie ma bezpośredniego przełożenia na prąd zgrzewania, a rodzaj materiału zgrzewanego oraz zamocowanie elementów zgrzewanych (długość wysunięcia elementów zgrzewanych z elektrod mocujących) ma bezpośredni wpływ na wartość prądu zgrzewania. Takie rozwiązanie nie jest korzystne, w efekcie czego uzyskiwane może być różne skrócenie elementów.

Do sterowania procesem zgrzewania wykorzystuje się również sieci neuronowe, gdzie dynamiczny model analogowy jest używany do konfigurowania elementów tej sieci. Z opisu patentowego EP1145795 (B1 ) znane jest urządzenie spawalniczne zawierające detektor, kontroler oraz sieć neuronową. W odpowiedzi na sygnały wyjściowe z detektora, sieć neuronowa, która jest skonfigurowana zgodnie z charakterystyką wyjściową równania przewodnictwa cieplnego, przesyła sygnały do sterownika. Taka konstrukcja pozwala na elastyczne łączenie urządzeń w odpowiedzi na skomplikowane zmiany stanu procesu zgrzewania.

Sposób kontroli jakości procesu zgrzewania rezystancyjnego doczołowego iskrowego, polegający na pomiarze parametrów zgrzewania przez czujniki pomiarowe parametrów elektrycznych urządzenia zgrzewającego, które mierzą natężenie i napięcie prądu w obwodzie zgrzewania na podstawie których wyznacza się wielkości pochodne, czujniki pomiarowe parametrów mechanicznych, które mierzą przemieszczenie elektrod, skrócenie elementów zgrzewanych i siłę docisku elektrod, które

PL 229 922 B1 następnie przetwarza układ sterująco-monitorujący urządzenia komputerowego posiadającego zasoby zarejestrowanych danych pomiarowych określonych parametrów elektrycznych i mechanicznych oraz ich parametry pochodne, stanowiące nauczone wzorce zgrzewania elementów konstrukcyjnych, przy czym proces prowadzi się w określonym przedziale czasowym z fazami nagrzewania wyiskrzania oraz spęczania, w oparciu o zadane parametry, które powinny być osiągnięte w trakcie zgrzewania, charakteryzuje się tym, że dla wartości natężenia Izgrz prądu zgrzewania i napięcia zgrzewania Uzgrz zmierzonych w określonym przedziale czasowym At w fazie wyiskrzania oraz fazie spęczania wyznacza się średnie skuteczne wartości prądu Isk fazy wyiskrzania oraz fazy spęczania oraz średnie skuteczne wartości napięcia Usk fazy wyiskrzania oraz fazy spęczania.

Dla wyznaczonej średniej skutecznej wartości prądu fazy wyiskrzania i fazy spęczania oraz średniej skutecznej wartości napięcia fazy wyiskrzania i fazy spęczania wyznacza się parametry pochodne, korzystnie energię dostarczoną do zgrzeiny w fazie wyiskrzania i fazie spęczania.

Wyznaczone średnie skuteczne wartości prądu fazy wyiskrzania i fazy spęczania lub parametry pochodne porównuje się z wartościami odniesienia parametrów wzorcowych wyznaczonych dla każdej z odpowiadających faz procesu, przy czym dla wartości odniesienia wyznacza się wartości dopuszczalnych odchyłek od wartości zadanych. Wyznaczone średnie skuteczne wartości napięcia fa zy wyiskrzania i fazy spęczania lub parametry pochodne porównuje się z wartościami odniesienia parametrów wzorcowych wyznaczonych dla każdej z odpowiadających faz procesu, przy czym dla wartości odniesienia wyznacza się wartości dopuszczalnych odchyłek od wartości zadanych. Przy porównywaniu parametrów uwzględnia się co najmniej jeden parametr wybrany z zakresu obejmującego prędkość skracania elementów, z odpowiadających faz zgrzewania, czas szybkiego spęczania Atsp po zakończeniu fazy wyiskrzania i na początku fazy spęczania oraz wartości rezystancji zgrzeiny na końcu fazy spęczania.

Rozwiązanie według wynalazku pozwala na pełną kontrolę procesu zgrzewania z potwierdzeniem poprawności technologii lub wykryciem sytuacji awaryjnej względem przyjętych kryterió w oceny. W przedstawionym sposobie zgrzewania stosuje się pomiar napięcia zgrzewania, który wraz z prądem zgrzewania pozwala na wyznaczenie, analizę i kontrolę zasadniczych wielkości elektrycznych. Dodatkowo niektóre z parametrów, jak np. wartość rezystancji złącza lub energia mogą być wyznaczone w dowolnie wybranym momencie lub przedziale czasu, co pozwala na analizowanie zmienności danego parametru w danej fazie procesu.

Sposób kontroli jakości zgrzewanych elementów konstrukcyjnych, według wynalazku, jest bliżej wyjaśniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy urządzenia zgrzewającego, fig. 2 przedstawia graficzne odwzorowanie pomiarów w poszczególnych fazach zgrzewania natężenia prądu, napięcia, mocy oraz skrócenia elementów, fig. 3 przedstawia graficzne odwzorowanie pomiarów w fazie szybkiego spęczania.

W sposobie według wynalazku kontroli jakości poddaje się elementy metalowe np. stalowe pręty, zgrzewane w procesie doczołowym iskrowym. Proces prowadzi się z fazami nagrzewania (wyiskrzania) oraz spęczania na zgrzewarce doczołowej iskrowej. Urządzenie zgrzewające, pokazane na fig. 1, która przedstawia jego schemat blokowy z czujnikami pomiarowymi prądu zgrzewania 2, napięcia 3, przemieszczenia elektrod i skrócenia materiałów zgrzewanych 4, siły docisku 5. Czujniki połączone są z układem sterująco-monitorującym (LogWeld) komputerowego urządzenia 1, wyposażonego w człon sygnalizacyjny 6, którego jeden sygnalizator optyczny Li potwierdza poprawność przeprowadzonego procesu zgrzewania, a drugi sygnalizator L2 sygnalizuje sytuację awaryjną, po uzyskaniu wskazania z układu sterująco-monitorującego. W komputerowym urządzeniu 1, jednostka obliczeniowa układu sterująco-monitorującego zlicza czas i zapamiętuje poszczególne okresy oraz zdarzenia, które miały miejsce od rozpoczęcia procesu zgrzewania z rozdziałem na poszczególne fazy. Ponadto komputerowe urządzenie 1 zawiera zasoby zarejestrowanych danych pomiarowych określonych parametrów, minimum 100-tu zgrzein sklasyfikowanych jako zgrzeiny poprawne. Na tej podstawie wylicza się wartości średnie dla analizowanych parametrów oraz wyznaczane są odchylenia średnio kwadratowe (sigma σ). Dla każdego wybranego do kontroli parametru wyznaczana jest automatycznie górna granica, tj. wartość średnia powiększona o liczbę odchyleń średnio kwadratowych np. 3 i podobnie granica dolna, tj. wartość średnia pomniejszona o liczbę odchyleń średnio kwad ratowych np. 3 lub możliwe jest wprowadzanie ręczne wartości granicznych. Taki sposób ustawiania granicznych dopuszczalnych wartości zmienności parametru pozwala na dowolne określenie zakresu zmienności kontrolowanych parametrów mierzonych i wybranych do analizy.

PL 229 922 B1

Zgrzewarka iskrowa posiada elektrodę nieruchomą 8a w której zamocowany jest nieruchomy element zgrzewany 7a, elektrodę ruchomą 8b mocującą i dociskającą element zgrzewany ruchomy 7b oraz układ zasilający 9 z transformatorem, w którego obwodzie wtórnym umieszczony jest czujnik pomiarowy prądu zgrzewania 2. W trakcie procesu zgrzewania czujniki pomiarowe mierzą cztery podstawowe parametry tj. prąd zgrzewania Izgrz, napięcie zgrzewania Uzgrz, skrócenie materiałów zgrzewanych As oraz siłę docisku F, przy czym napięcie Uzgrz i prąd zgrzewania Izgrz mierzy się w obwodzie wtórnym transformatora układu zasilania 9. Dla wartości natężenia prądu zgrzewania Izgrz i napięcia zgrzewania Uzgrz zmierzonych w określonym przedziale czasowym w fazie wyiskrzania oraz fazie spęczania wylicza się dla poszczególnych faz, w jednostce obliczeniowej układu sterująco-monitorującego, średnie skuteczne wartości prądu Isk oraz średnie skuteczne wartości napięcia Usk. Następnie wyznacza się, jako parametr pochodny energię E dostarczoną do zgrzeiny w każdej z tych faz, co pozwala określić ilość wprowadzonego do niej ciepła. Parametr ten ma duży wpływ na jakość procesu zgrzewania. Jako parametr kontrolny procesu mogą zostać uwzględnione również inne dodatkowe parametry pochodne np. prędkość skracania elementów, czas szybkiego spęczania AtSP, prędkość szybkiego spęczania Vsp po zakończeniu fazy wyiskrzania i na początku fazy spęczania oraz wartości rezystancji zgrzeiny na końcu fazy spęczania. Po fazie wyiskrzania następuje zwiększenie siły docisku i prądu zgrzewania co powoduje gwałtowne skrócenie elementów zgrzewanych. Czas w którym następuje skrócenie elementów do wartości 0.8 maksymalnego skrócenia w fazie spęczania nazywany jest czasem szybkiego spęczania AtSP, a stosunek skrócenia elementów AIsp do czasu skrócenia AtSP nazywany jest prędkością szybkiego spęczania Vsp. Zmiany zachodzące w procesie zgrzewania w tej fazie zostały pokazane na fig. 3. Spośród powyżej wymienionych parametrów uwzględnia się wszystkie lub dokonuje wyboru uwarunkowanego cechami procesu zgrzewanych elementów, a następnie porównuje wartości parametrów wybranych z wartościami odniesienia parametrów wzorcowych, wyznaczonych dla każdej z odpowiadających faz procesu, przy czym dla wartości odniesienia wyznacza się wartości dopuszczalnych odchyłek od wartości zadanych w sposób już opisany. Natomiast jednostka obliczeniowa układu sterująco-monitorującego dla wybranych parametrów kontrolnych, porównuje aktualne wyliczenia z wartościami granicznymi poszczególnych parametrów i wielkości mierzonych. W przypadku gdy aktualne wyliczenia dla parametrów podlegających kontroli mieszczą się w założonych granicach, uaktywniany jest sygnalizator Li potwierdzający poprawność wykonania zgrzeiny. W przypadku gdy wartości parametrów podlegających kontroli są poza wyznaczonymi granicami, uaktywniany jest sygnalizator L2 informujący o wykryciu sytuacji awaryjnej. Przykład rejestracji parametrów procesu zgrzewania doczołowego iskrowego, tj. prądu i napięcia zgrzewania, skrócenia elementów oraz mocy chwilowej w postaci graficznej przedstawiono na fig. 2.

Claims (5)

1. Sposób kontroli jakości procesu zgrzewania rezystancyjnego doczołowego iskrowego, polegający na pomiarze parametrów zgrzewania przez czujniki pomiarowe parametrów elektrycznych urządzenia zgrzewającego, które mierzą natężenie i napięcie prądu w obwodzie zgrzewania na podstawie których wyznacza się wielkości pochodne, czujniki pomiarowe parametrów mechanicznych, które mierzą przemieszczenie elektrod, skrócenie elementów zgrzewanych i siłę docisku elektrod, które następnie przetwarza układ sterująco-monitorujący urządzenia komputerowego posiadającego zasoby zarejestrowanych danych pomiarowych określonych parametrów elektrycznych i mechanicznych oraz ich parametry pochodne, stanowiące nauczone wzorce zgrzewania elementów konstrukcyjnych, przy czym proces prowadzi się w określonym przedziale czasowym z fazami nagrzewania (wyiskrzania) oraz spęczania, w oparciu o zadane parametry, które powinny być osiągnięte w trakcie zgrzewania, znamienny tym, że dla wartości natężenia (Izgrz) prądu zgrzewania i napięcia zgrzewania (Uzgrz) zmierzonych w określonym przedziale czasowym (At) w fazie wyiskrzania oraz fazie spęczania wyznacza się średnie skuteczne wartości prądu (Isk) fazy wyiskrzania oraz fazy spęczania oraz średnie skuteczne wartości napięcia (Usk) fazy wyiskrzania oraz fazy spęczania.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dla wyznaczonej średniej skutecznej wartości prądu (Isk) fazy wyiskrzania i fazy spęczania oraz średniej skutecznej wartości napięcia (Usk)

PL 229 922 Β1 fazy wyiskrzania i fazy spęczania wyznacza się parametry pochodne, korzystnie energię (E) dostarczoną do zgrzeiny w fazie wyiskrzania i fazie spęczania.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że wyznaczone średnie skuteczne wartości prądu (l_Sk) fazy wyiskrzania i fazy spęczania lub parametry pochodne porównuje się z wartościami odniesienia parametrów wzorcowych wyznaczonych dla każdej z odpowiadających faz procesu, przy czym dla wartości odniesienia wyznacza się wartości dopuszczalnych odchyłek od wartości zadanych.

4. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że wyznaczone średnie skuteczne wartości napięcia (U_Sk) fazy wyiskrzania i fazy spęczania lub parametry pochodne porównuje się z wartościami odniesienia parametrów wzorcowych wyznaczonych dla każdej z odpowiadających faz procesu, przy czym dla wartości odniesienia wyznacza się wartości dopuszczalnych odchyłek od wartości zadanych.

5. Sposób według zastrz. 3 albo 4, znamienny tym, że przy porównywaniu parametrów uwzględnia się co najmniej jeden parametr wybrany z zakresu obejmującego prędkość skracania elementów z odpowiadających faz zgrzewania, czas szybkiego spęczania (Atsp) po zakończeniu fazy wyiskrzania i na początku fazy spęczania oraz wartości rezystancji zgrzeiny na końcu fazy spęczania.