RU2748861C1

RU2748861C1 - Способ визуально-измерительного неразрушающего контроля качества сварного соединения, преимущественно полученного способом сварки трением с перемешиванием, и устройство для его осуществления

Info

Publication number: RU2748861C1
Application number: RU2020134867A
Authority: RU
Inventors: Евгений Александрович Колубаев; Алексей Николаевич Иванов; Валерий Евгеньевич Рубцов; Леонид Леонидович Жуков; Владимир Анатольевич Белобородов; Павел Станиславович Соколов; Владимир Александрович Бакшаев; Иван Николаевич Ивашкин; Юрий Владимирович Никитин; Владимир Андреевич Батаев; Владимир Григорьевич Буров
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество "Чебоксарское Предприятие "Сеспель" (ЗАО "Чебоксарское Предприятие "Сеспель")
Priority date: 2020-10-23
Filing date: 2020-10-23
Publication date: 2021-06-01

Abstract

Использование: для визуально-измерительного неразрушающего контроля качества сварного соединения. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют контроль сварного соединения, преимущественно полученного способом сварки трением с перемешиванием, перемещая автоматизированным образом устройство, снабженное средствами визуально-измерительного неразрушающего контроля, относительно зоны готового сварного соединения, при этом для осуществления контроля используют устройство, содержащее сканер, оснащенный системой его позиционирования относительно сварного соединения с пятью степенями свободы и средствами визуально-измерительного контроля, установленными на сканере, а его перемещение относительно упомянутой зоны осуществляют с числом степеней в зависимости от пространственной конфигурации сварного соединения, при этом в процессе перемещения осуществляют лазерное сканирование лицевой поверхности зоны сварного соединения источником лазерного луча малой мощности, освещение упомянутой зоны по меньшей мере двумя источниками света и высокоскоростную съемку двумя камерами высокого разрешения для получения изображения сканируемой зоны и контроля её отражательной способности, а полученное изображение подвергают цифровой обработке для оценки геометрических и оптических параметров полученного сварного соединения, формирования графического построения результатов и их сопоставления с эталонными значениями. Технический результат: обеспечение возможности реализации универсального и простого метода, позволяющего контролировать сварные соединения, полученные сваркой трением с перемешиванием, любой толщины и пространственной конфигурации. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области диагностики, а именно к автоматизации методов визуального контроля сварных соединений с помощью оптических средств.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно устройство неразрушающего контроля [RU94714 U1], выполненное в виде роботизированного комплекса, содержащего систему рычагов и пьезопреобразователь, снабженное лазерным сканером и дефектоскопом, содержащим системы вихретокового, импедансного и ультразвукового контроля объектов, преобразователи которых установлены на шарнирном роботе с возможностью их перемещения по заданной траектории и позиционирования в трехмерном пространстве, при этом шарнирный робот размещен на портале, снабженном механизмами горизонтального и вертикального перемещения.

К недостаткам вышеприведенного технического решения можно отнести то, что методы контроля, реализуемые в данном решении, позволяют определять лишь наличие или отсутствие дефектов сварных соединений, и не позволяет делать выводы о нарушении режима сварки при получении соединения.

Известен видеосенсорный блок для сварочного автомата [RU2372176 C2] для дуговой сварки толстолистового металла методом «Поперечная горка», содержащий корпус, цифровую видеокамеру с объективом, лазерный щелевой излучатель, иллюминатор и систему отклоняющих зеркал с защитным светофильтром, при этом цифровая видеокамера с объективом и лазерный щелевой излучатель установлены в корпусе, а иллюминатор - в нижней части корпуса и направлен в сторону анализируемого участка сварного стыка, между объективом цифровой видеокамеры и иллюминатором установлена система отклоняющих зеркал с защитным светофильтром, расположенных таким образом, что изображение каждой точки стыка попадает в объектив видеокамеры под углом 39,41°, предварительно проходя через светофильтр, а для получения на поверхности сварного стыка узкой световой полосы видимого излучения лазерный щелевой излучатель снабжен цилиндрической оптикой, а объектив цифровой видеокамеры направлен на сварной стык и получаемую световую полосу.

К недостаткам вышеприведенного технического решения можно отнести то, что данное устройство не дает комплексной оценки совокупности параметров, необходимых для определения качества сварного соединения, получаемого сваркой трением с перемешиванием, а также правильности режима его получения.

Известно устройство для оценки качества сварного шва [RU2550673 C2]. Техническим результатом данного устройства является количественная оценка качества сварного шва по форме его поверхности. В том числе это устройство позволяет количественно оценивать качество поверхности сварных швов труб как снаружи, так и внутри, а также профильных (двутавр, уголки) и геометрически сложных сварных конструкций. Может оценивать ширину и форму шва. Устройство оценивает качество сварного шва по результатам измерения геометрических размеров поверхности сварного шва и состоит из считывающего устройства содержащего модуль перемещения, шаговый электродвигатель, контроллер, позволяющий задавать шаг перемещения вдоль оси сварки лазерного датчика, оснащенного контроллером. Этот контроллер управляет параметрами развертки лазерного луча в поперечном оси сварного шва направлении. Ширина сканирующего луча в поперечном оси сварного шва направлении задается контроллером лазерного триангуляционного 2-D датчика. Сигналы от лазерного датчика и контроллера шагового электродвигателя поступают в запоминающее устройство, в котором происходит преобразование данных измерения высот поверхности сварного соединения 9 при каждом шаге перемещения считывающего устройства, в цифровые значения.

К недостаткам вышеприведенного технического решения можно отнести то, что данная система не отслеживает отражающую способность поверхности сварного соединения, которая является одним из основных параметров, свидетельствующих о нарушении режима сварки и, следовательно, дефектности сварного соединения.

Известен [RU2571159 C2], в котором раскрыт способ автоматизации метода визуального и измерительного контроля поверхности труб и устройство для его осуществления. Способ автоматизации метода визуального и измерительного контроля поверхности труб, в котором в результате перемещения устройства для автоматизации визуального и измерительного контроля относительно обследуемой трубы либо обследуемой трубы относительно устройства производится лазерное сканирование всей поверхности трубы, которое позволяет сформировать трехмерную математическую модель поверхности трубы высокой точности и определить геометрические параметры дефектов и их расположение на поверхности трубы, а также геометрические параметры трубы, такие как длина, диаметр, овальность, кривизна, при этом сканирование поверхности трубы осуществляется по принципу триангуляционного сканирования и в результате установленных геометрических параметров дефектов и геометрических параметров трубы выполняется прочностной расчет для оценки влияния выявленных дефектов на работоспособность трубы, определения безопасного рабочего давления и принятия решения о необходимом виде ремонта поверхности стенки труб.

Устройство для осуществления способа автоматизации метода визуального и измерительного контроля поверхности труб представляет собой автономный роботизированный комплекс, снабженный средствами перемещения, содержащее жесткий несущий корпус, оптический лазерный блок, при этом оно содержит взаимосвязанные системы лазерного сканирования поверхности труб, регистрации измерений, передачи данных на ПЭВМ, расшифровки расположения дефектов на поверхности труб, их геометрических параметров и геометрических параметров трубы, прочностного расчета для оценки влияния выявленных дефектов на работоспособность трубы, определения безопасного рабочего давления и принятия решения о необходимом виде ремонта поверхности труб, при этом на корпусе установлен, по меньшей мере один оптический лазерный блок, использующий триангуляционный принцип сканирования, который содержит два объектива и две матрицы, при этом сканирование поверхности труб производится путем перемещения лазерного блока относительно обследуемой трубы либо обследуемой трубы относительно лазерного блока.

К недостаткам вышеприведенного технического решения можно отнести то, что данный способ и устройство применимы только для радиусных заготовок (труба или сегмент трубы), т.е. не является универсальным.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В основу изобретения поставлена задача преодоления вышеупомянутых недостатков и создания автоматизированного способа и устройства для визуально-измерительного неразрушающего контроля качества плоских, круговых, кольцевых и конических сварных соединений из материала любых толщин получаемых сваркой трением с перемешиванием.

Технический результат - универсальность метода и простота его технической реализации, позволяющие контролировать сварные соединения, полученные сваркой трением с перемешиванием, любой толщины и пространственной конфигурации.

Другой технический результат - возможность диагностики сварного соединения не только по наличию сварочных дефектов, но и по условиям нагрева в зависимости от параметров режима сварки.

Поставленная задача достигается тем, что, как и в известном, в предлагаемом способе визуально-измерительного неразрушающего контроля сварных соединений контроль зоны готового сварного соединения осуществляют путем автоматизированного перемещения устройства контроля относительно готового сварного соединения.

Новым является то, что автоматизированное перемещение устройства контроля, представляющего собой сканер, оснащенный средствами визуально-измерительного неразрушающего контроля, осуществляют относительно сварного соединения с пятью степенями свободы, при этом в процессе его перемещения одновременно осуществляют:

- лазерное сканирование лицевой поверхности зоны сварного соединения источником лазерного луча малой мощности,

- освещение контролируемой зоны сварного соединения, по меньшей мере, двумя источниками света ориентированными по нормали к её лицевой поверхности;

- высокоскоростную съемку двумя камерами высокого разрешения для получения изображения сканируемой зоны и контроля её отражательной способности, при этом полученное изображение подвергают цифровой обработке на предмет:

- оценки геометрических и оптических параметров полученного сварного соединения,

- формирования графического построения результатов и

- сопоставления их с эталонными значениями.

Предварительно перед перемещением устройства контроля вдоль сварного соединения производят фокусировку лазерного луча и настройку взаимного положения камер и источника лазерного луча.

При этом одну камеру ориентируют по нормали к лицевой поверхности сварного соединения (шва), а вторую камеру ориентируют под углом 45 град к лицевой поверхности.

Источниками света обеспечивают освещение лицевой поверхности сварного соединения для контроля ее отражательной способности.

Кроме того, камерой, ориентированной по нормали осуществляют съемку сварного соединения, во время которой производят оценку ширины сварного соединения и наличия грата на сварном соединении либо сужения сварного соединения на лицевой стороне.

Кроме того, камерой, ориентированной осуществляют съемку сварного соединения при которой также определяют отражающую способность лицевой поверхности сварного соединения и яркость лазерного пятна на ней.

Яркость лазерного пятна позволяет качественно оценить шероховатость поверхности» При ярком пятне - скорость сварки (один из параметров сварочного режима) выбрана, верно, и условия нагрева свариваемого материала удовлетворительные, при тусклом пятне - режим сварки выбран с нарушениями, какие конкретно нарушения оценивают по всей совокупности данных с обеих камер средствами компьютерного программного обеспечения.

При этом камерой K2 при сканировании осуществляют съемку сварного соединения, при которой производится оценка завышения либо занижения лицевой поверхности сварного соединения относительно поверхности свариваемого материала по смещению лазерного пятна.

Поставленная задача достигается также тем, что предлагаемое устройство визуально-измерительного неразрушающего контроля для реализации вышеописанного способа содержит сканер, систему позиционирования, обеспечивающую автоматизированное перемещение сканера - изменение пространственного положения сканера относительно контролируемого сварного соединения с пятью степенями свободы и блок управления.

При этом сканер, представляет собой раму, на которой установлены источник лазерного луча малой мощности, два источника света, и два кронштейна, на которых закреплены две камеры высокого разрешения, с четырьмя степенями свободы, позволяющими вручную выполнить настройку пространственного положения камер относительно зоны сварного соединения перед проведением операции контроля и привод, обеспечивающий вертикальное перемещение источника лазерного луча и двух камер для их фокусировки в одну точку на сварном соединении.

Система позиционирования обеспечивает крепление рамы сканера и пять степеней свободы для его позиционирования относительно сварного соединения, а также крепление всего устройства в целом к перемещаемому вдоль сварного соединения элементу оборудования сварки трением с перемешиванием.

Предлагаемые в настоящем изобретении способ неразрушающего контроля сварных соединений и устройство предназначены для осуществления контроля сварных соединений не в процессе сварки, а после его выполнения.

Сущность предлагаемого в настоящем изобретении метода контроля заключается в высокоскоростной съемке с высоким разрешением ((1600*1200) мегапикселей)) и последующей оценке геометрических и оптических параметров готового сварного соединения, получаемого сваркой трением с перемешиванием, и их связи с используемыми параметрами режима сварки.

Внешний вид готового сварного соединения является производной от параметров сварочного режима, в частности, от частоты вращения инструмента и скорости его перемещения в материале. При оптимальном соотношении этих двух параметров сварное соединение имеет заданную ширину без занижений и грата, а его лицевая поверхность имеет внешний вид с образованием «полуколец», расположенных друг за другом с равными промежутками и обеспечивающими определенную отражающую способность при падении на них источника света. Поэтому, при совокупной оценке параметров внешнего вида сварного соединения, делается заключение об условиях его нагрева в процессе сварки (перегрев-недогрев-оптимум) и, соответственно, об оптимальности параметров частоты вращения и скорости перемещения инструмента, что и является правильностью режима сварки. Такие данные необходимы для понимания - можно ли использовать применяемый режим сварки в дальнейшем, во избежание систематического брака при сварке на производстве. Общеизвестные методы измерения температуры (тепловизором или какими-либо датчиками) не дают такой информации. Кроме того, нарушения режимов сварки сопровождаются не только внешними проявлениями, но и наличием внутренних дефектов, характерных для различных неоптимальных условий нагрева. Т.е. возможно косвенное определение наличия или отсутствия внутренних дефектов (качественное) по нарушению режима. Недогрев материала вызывает непровары, а перегрев - выход металла из-под сварочного инструмента на лицевую поверхность (или грат).

Для реализации метода используют сканер, оснащенный средствами для визуально-измерительного контроля: источником лазерного луча малой мощности, двумя камерами высокого разрешения и источниками освещения, и системой позиционирования, обеспечивающей пять степеней свободы при позиционировании сканера, что дает возможность контроля сварных швов плоского типа, кольцевого типа («обечайка») и кругового типа («люк»), а также блок управления.

Сканер и система позиционирования соединены в единую конструкцию, устанавливаемую на оборудовании для сварки трением с перемешиванием. Блок управления связан со сканером и системой позиционирования, но располагается отдельно, возле поста оператора оборудования и с помощью оригинального программного обеспечения выполняет функции управления работой сканера и системы перемещения, а также анализа данных неразрушающего контроля и обработки и представления его результатов.

Предварительно перед перемещением устройства контроля вдоль сварного соединения производят фокусировку лазерного луча и настройку взаимного положения камер: взаимного положения источника лазерного луча (далее L), одной камеры, ориентированной по нормали к поверхности сварного шва (далее K1) и второй камеры, ориентированной под углом к поверхности сварного шва (далее K2) (фиг. 5).

При сканировании лазерный луч из источника L падает на поверхность сварного соединения с формированием на ней пятна, которое фиксируется оптическими системами камер K1, K2.

Камерой K1 осуществляют съемку сварного соединения, при которой производится оценка ширины сварного соединения и наличия грата на сварном соединении либо сужения сварного соединения на лицевой стороне, а также оценку отражающей способности лицевой поверхности сварного соединения и яркость лазерного пятна на ней. Камерой K2 при сканировании осуществляют съемку сварного соединения, при которой производится оценка завышения либо занижения лицевой поверхности сварного соединения относительно поверхности свариваемого материала по смещению лазерного пятна.

В общем виде, система позиционирования представляет из себя рамную конструкцию и может быть закреплена как на оборудовании для сварки трением с перемешиванием, так и на любом другом оборудовании, например, на суппорте оборудования для сварки трением любым произвольным способом, обеспечивающим перемещение устройства вдоль контролируемого сварного соединения, что обеспечивает первую степень свободы (по координате Х) (фиг. 3).

Вторая степень свободы (координата Y) позволяет перемещать сканер перпендикулярно координате Х, таким образом, обеспечивая возможность перемещения сканера по двум координатам (X и Y). Такое перемещение позволяет контролировать криволинейные сварные швы, лежащие в одной плоскости, например, круговые. Третья степень свободы позволяет повернуть сканер в вертикальной плоскости, что позволяет контролировать швы с пространственной геометрией в двух и более плоскостях (например, конические или кольцевые). Четвертая степень свободы позволяет повернуть сканер в плоскости XY, что позволяет контролировать, круговые швы со сложной пространственной геометрией, например, при варке люков.

Т. е. при перемещении суппорта с установленным на нем устройством обеспечивается первая степень свободы сканера для перемещения вдоль сварного соединения при контроле прямолинейных швов на плоских сварных заготовках.

Остальные четыре степени свободы системы позиционирования реализуются, за счёт конструктивного решения составной рамной конструкции, имеющей: неподвижную раму, предназначенную для крепления к перемещаемому вдоль сварного соединения элементу оборудования сварки трением с перемешиванием; подвижную раму, установленную на неподвижной раме с возможностью её перемещения относительно упомянутой неподвижной рамы, что обеспечивает вторую степень свободы (перемещение поперек зоны контролируемого сварного соединения); поворотную раму, установленную на подвижной раме с возможностью её вращения относительно упомянутой подвижной рамы, что обеспечивает третью (перемещение в вертикальной плоскости) степень свободы системы позиционирования; раму крепления сканера, установленную на поворотной раме, с возможностью её вращения относительно упомянутой поворотной раме, что обеспечивает четвертую (в горизонтальной плоскости) степень свободы системы позиционирования, при этом на раме крепления сканера установлен привод перемещения сканера, который обеспечивает позиционирование сканера (поперек поворотной рамы), что обеспечивает пятую степень свободы системы позиционирования.

ИЗОБРЕТЕНИЕ ПОЯСНЯЕТСЯ ГРАФИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ

На фиг. 1 приведен общий вид устройства визуально-измерительного контроля.

На фиг. 2 изображены вид справа и слева сканера устройства визуально-измерительного контроля.

На фиг. 3 приведен общий вид системы позиционирования, где стрелками показаны направления возможных перемещений, обеспечивающих сканеру пять степеней свободы.

На фиг. 4 приведена схема осуществления съемки сварного соединения предлагаемым способом

На фиг. 5 приведен алгоритм работы устройства в виде блок-схемы.

На фиг. 6 приведены кадры со съемки камеры К1 сварного соединения, полученного с нормальными параметрами (А) и с нарушенными параметрами (Б) режима сварки.

На фиг. 7 приведены кадры со съемки камеры К2 шва, полученного с нормальными параметрами (А) и с нарушенными параметрами (Б) режима сварки

На фиг. 8 приведен вид в сечении шва, полученного с нормальными параметрами (А) и с нарушенными параметрами (Б) режима сварки

На фиг. 9 приведены графики результатов визуально-измерительного контроля шва, полученного с нарушенными параметрами режима сварки

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предлагаемое устройство визуально-измерительного неразрушающего контроля качества сварных соединений (фиг. 1) содержит сканер 1; систему 2 позиционирования сканера c пятью степенями свободы, и блок управления 3. Сканер 1 (фиг. 2) включает в себя неподвижную раму 4, через которую он крепится к системе позиционирования 2 устройства. На раме 4 установлен привод 5, обеспечивающий вертикальное перемещение контролирующих элементов сканера для их фокусировки (ΔZ на фиг.4). К контролирующим средствам визуально-измерительного контроля относится камера 6, располагаемая перпендикулярно поверхности контролируемого сварного соединения (камера К1 на фиг. 4), камера 7, располагаемая под углом 45 град. к лицевой поверхности контролируемого сварного соединения (камера К2 на фиг. 4). Обе камеры закреплены на раме сканера 4 на кронштейнах 8 и 9 с четырьмя степенями свободы, позволяющими вручную выполнить настройку пространственного положения камер перед проведением операции контроля. К контролирующим средствам также относится источник лазерного луча 10, в качестве которого может быть, например, использован одномодовый лазерный модуль LG-H635-7-5 (L на фиг. 4). Также в передней части рамы 4 установлены источники света 11, 12, обеспечивающие освещение лицевой поверхности сварного соединения для контроля ее отражающей способности. В качестве источников света могут быть использованы светодиодные лампы или любые другие с достаточной яркостью светового потока.

Система позиционирования 2, представляющая собой рамную конструкцию, содержит неподвижную раму 13, одна из частей которой 28, предназначена для жесткого крепления к элементу оборудованию для сварки трением с перемешиванием, при помощи которого устройство контроля перемещается вдоль сварного соединения, обеспечивая первую (вдоль сварного соединения) степень свободы сканера 1. На неподвижной раме 13 установлена подвижная рама 14, перемещение которой относительно неподвижной рамы 13 обеспечивается работой привода перемещения 15 типа линейного актуатора или аналогичного, что даёт 2 (вторую) степень свободы системы позиционирования 2 (перемещение поперек зоны контролируемого сварного соединения).

На подвижной раме 14 установлены приводы вращения 16, которые соединены с поворотной рамой 17 и обеспечивают ее вращение (в вертикальной плоскости) относительно подвижной рамы 14, таким образом, обеспечивая третью степень свободы системы позиционирования. На поворотной раме 17 жестко закреплен привод вращения 18, работа которого обеспечивает вращение рамы крепления сканера 19 относительно поворотной рамы 17, что обеспечивает четвертую (в горизонтальной плоскости) степень свободы системы позиционирования. Рама крепления 19 сканера имеет привод перемещения сканера 20, оснащенный шариковинтовой передачей, который обеспечивает перемещение сканера (поперек поворотной рамы) при постановке его на раму 19, что обеспечивает пятую степень свободы системы позиционирования. Также на неподвижной раме 13 размещен блок контроллеров 21 (фиг. 3), который обеспечивает работу всех вышеуказанных приводов при поступлении команд от блока управления 3 и преобразования их в соответствующие сигналы управления.

Блок управления 3 представляет собой компьютер типа моноблока или иной конфигурации, имеющий дисплей для предоставления оператору результатов визуально – измерительного неразрушающего контроля сварных соединений. Все манипуляции при помощи блока управления осуществляются с использованием оригинального программного обеспечения, оснащенного графическим интерфейсом.

Алгоритм работы устройства в виде блок-схемы приведен на фиг. 5.

В состав блока управления 3 входит модуль ввода исходных данных 22, позволяющий оператору начинать и прерывать процесс неразрушающего контроля и управлять работой системы позиционирования 2. Также модуль ввода исходных данных 22 позволяет задавать команды сканеру 1 устройства на включение и отключение средств визуально измерительного контроля: камер, источников света и лазерного луча, установленных на сканере 1. Кроме того, модуль ввода исходных данных 22 позволяет вводить параметры эталонных значений контролируемых параметров сварного соединения (отражающей способности и геометрических параметров), передаваемых в модуль графического построения и сопоставления результатов 23 для сопоставления их значений с результатами контроля.

Один выход блока управления 3 подключен к входу блока контроллеров 21 (фиг. 3), через который осуществляется управление приводами системы позиционирования 2 и сканера 1, другой выход блока управления подключен к разъёму сканера 1 - что позволяет включать и выключать средства визуально измерительного контроля) Входы блока управления 3 подключены к камерам К1 и К2, и через эти подключения осуществляется передача сигналов с камер. Сигналы поступают в запоминающее устройство 24, в котором формируется база данных. Далее данные передаются в модули анализа геометрии шва 25 и отражающей способности 26, где они обрабатываются для передачи в модуль графического построения и сопоставления результатов 23. В модуле 23 происходит формирование графического построения результатов и их сопоставление с эталонными значениями с последующей передачей сформированных данных в модуль вывода результатов 27. модуль вывода результатов 27 формирует на дисплее блока управления графики сопоставления, демонстрирующие отклонения параметров проконтролированного сварного соединения от эталонного, а также выдает заключение об оптимальности параметров режима сварки проконтролированного сварного соединения.

Пример осуществления способа.

Производили сканирование прямолинейных сварных соединений из листового проката алюминиевого сплава Д16Т толщиной 10,0 мм. Модель камер UNICMA0200D11CDC с разрешением (2M pixels (1600*1200)) [https://www.visionmeasurementmachine.com/sale-8302191-gigabit-ethernet-high-speed-industrial-camera-color-1-3-m-2-m-5-m-10-m-pixels.html], модель источника лазерного излучения LG-H635-7-5, источники света IEK 50W.

Сканер 1 устанавливается в требуемое положение относительно контролируемого соединения, что достигается его поперечным перемещением (пятая степень свободы) при работе привода 20. Перед сканированием производили фокусировку лазерного луча - перемещение ΔZ (фиг. 3) и настройку взаимного положения источника лазерного луча (L), камеры 6, ориентированной по нормали к поверхности сварного шва (K1) и камеры 7, ориентированной под углом 45 к поверхности сварного шва (K2) (Фиг. 4).

После настройки и фокусировки источника L и камер K1, K2 система позиционирования 2 вместе со сканером 1 перемещается (первая степень свободы) при перемещении элементов оборудования для сварки вдоль контролируемого сварного соединения. И, таким образом, осуществляется сканирование сварного соединения.

Для сравнения производилось сканирование прямолинейных сварных соединений из листового проката алюминиевого сплава Д16Т толщиной 10,0 мм с различными режимами. Режимы получения сварных соединений представлены в таблице 1.

Таблица 1

Обозначение сварного шва	Усилие внедрения инструмента, кН	Скорость сварки, мм/мин	Частота вращения инструмента, об/мин
А	30	100	400
Б	30	110	500

Камера K1 при сканировании ведет съемку сварного соединения, при которой производится оценка ширины сварного соединения и наличия грата на сварном соединении либо сужения сварного соединения на лицевой стороне. Наличие грата свидетельствует о перегреве свариваемого материала в процессе сварки, сужение сварного соединения свидетельствует о недогреве сварного материала в процессе сварки. Кроме того, камера К1 определяет отражательную способность лицевой поверхности сварного соединения и яркость лазерного пятна на ней. Камера K2 при сканировании ведет съемку сварного соединения, при которой производится оценка завышения либо занижения лицевой поверхности сварного соединения относительно поверхности свариваемого материала по смещению лазерного пятна.

На фиг. 6 и 7 приведены данные с камер K1 и K2 зон сварных соединений А и Б.

На фиг. 6 приведены кадры со съемки камерой К1 двух сварных соединений при сканировании в направлении сварки Х (Δb1 и Δb2 - отклонение ширины сварного соединения от номинального значения).

На фиг. 7 приведены кадры со съемки камеры К2 шва, полученного с нормальными параметрами (А) и с нарушенными параметрами (Б) режима сварки (Δh - отклонение высоты сварного соединения от номинального значения).

Соединение А обладает шириной, близкой к эталонной (20 мм). более высокой отражательной способностью, что свидетельствует о лучших условиях нагрева и перемешивания материала в процессе сварки. Яркость пятна 20 свидетельствует об удовлетворительном значении скорости сварки. Соединение Б сварено с увеличенной частотой вращения инструмента 500 об/мин. Скорость сварки при этом недостаточно увеличена (со 100 до 110 мм/мин), а усилие внедрения инструмента сохранило свое значение 30 кН. Таким образом, увеличенная частота вращения вызывает перегрев металла при сварке, из-за этого он сильнее пластифицируется, что приводит к дальнейшему погружению инструмента в свариваемый металл. При этом плечи инструмента врезаются в металл, что приводит к ухудшению отражательной способности сварного соединения и к снижению яркости лазерного пятна. Излишки материала выходят из-под инструмента в виде грата, что визуально приводит к уширению соединения по бокам инструмента с величинами Δb₁ и Δb₂.Погружение инструмента приводит к общему понижению поверхности сварного соединения, которое выражается величиной перепада высоты Δh. Таким образом, режим Б вызывает перегрев сплава Д16 в процессе формирования сварного соединения.

На фиг. 8 приведено изображение поперечного сечения сварных соединений А и Б для демонстрации описываемых эффектов, вызванных нарушением режима сварки.

По показаниям с камер установлено, что сварное соединение имеет уширение в виде грата 5 мм с одной стороны и 7 мм с другой стороны к концу соединения. При этом общее занижение лицевой поверхности сварного соединения составляет 2 мм к концу соединения. Сравнительный анализ соединений А и Б показал, что повышение частоты вращения инструмента более 400 об/мин для сплава Д16Т толщиной 10 мм приводит к снижению качества сварного соединения при равных усилиях внедрения инструмента. Поэтому повысить качество сварного соединения, получаемого по режиму А можно за счет повышения скорости сварки.

На Фиг. 9 приведены графики построения результатов визуально-измерительного контроля шва, полученного с нарушенными параметрами режима сварки: графики Δb₁ и Δb₂ - отклонение ширины сварного соединения от номинального значения, Δh - отклонение высоты сварного соединения от номинального значения. Ось Δb - ось отклонений по ширине сварного соединения. Ось Δh - ось отклонений по высоте сварного соединения, линия 0 - линия номинальных значений высоты и ширины сварного соединения.

Claims

1. Способ визуально-измерительного неразрушающего контроля качества сварного соединения, преимущественно полученного способом сварки трением с перемешиванием, в котором относительно зоны готового сварного соединения осуществляют автоматизированное перемещение устройства, снабженного средствами визуально-измерительного неразрушающего контроля, отличающийся тем, что для осуществления контроля используют устройство, содержащее сканер, оснащенный системой его позиционирования относительно сварного соединения с пятью степенями свободы и средствами визуально-измерительного контроля, установленными на сканере, а его перемещение относительно упомянутой зоны осуществляют с числом степеней в зависимости от пространственной конфигурации сварного соединения, при этом в процессе перемещения осуществляют лазерное сканирование лицевой поверхности зоны сварного соединения источником лазерного луча малой мощности, освещение упомянутой зоны по меньшей мере двумя источниками света и высокоскоростную съемку двумя камерами высокого разрешения для получения изображения сканируемой зоны и контроля её отражательной способности, а полученное изображение подвергают цифровой обработке для оценки геометрических и оптических параметров полученного сварного соединения, формирования графического построения результатов и их сопоставления с эталонными значениями.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед перемещением упомянутые камеры, источники света и лазерного луча фокусируют в одну точку на сварном соединении, при этом лазерный луч ориентируют перпендикулярно лицевой поверхности сварного соединения, источники света и одну камеру ориентируют по нормали к лицевой поверхности; другую камеру ориентируют под углом к лицевой поверхности сварного соединения, предпочтительно под углом 45° к лицевой поверхности сварного соединения.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что камерой, ориентированной по нормали, осуществляют съемку сварного соединения, при которой производится оценка ширины сварного соединения и наличия грата на сварном соединении либо сужения сварного соединения на лицевой стороне, а также определение отражательной способности лицевой поверхности сварного соединения и яркости лазерного пятна на ней.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что камерой, ориентированной под углом к поверхности, осуществляют съемку сварного соединения, при которой производится оценка завышения либо занижения лицевой поверхности сварного соединения относительно поверхности свариваемого материала по смещению лазерного пятна.

5. Устройство визуально-измерительного неразрушающего контроля качества сварного соединения, преимущественно полученного способом сварки трением с перемешиванием, характеризующееся тем, что содержит сканер для автоматизированной высокоскоростной съёмки зоны готового сварного соединения, систему позиционирования, обеспечивающую изменение пространственного положения сканера относительно контролируемого сварного соединения, с пятью степенями свободы и блок управления, при этом сканер представляет собой раму, на которой установлены источник лазерного луча малой мощности, два источника света, два кронштейна, на которых закреплены две камеры высокого разрешения с четырьмя степенями свободы, позволяющими вручную выполнить настройку их пространственного положения перед проведением операции контроля, и привод, обеспечивающий вертикальное перемещение источника лазерного луча и двух камер для их фокусировки в одну точку на сварном соединении.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что система позиционирования, обеспечивающая пять степеней свободы перемещения сканера, представляет собой составную раму, выполненную с возможностью крепления её к элементу оборудования, например суппорту оборудования, для сварки трением с перемешиванием.

7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что источники света установлены таким образом, чтобы световой поток падал перпендикулярно лицевой поверхности контролируемого сварного соединения.