teza doctorat sudura

7/30/2019 teza doctorat sudura

1/42

UniversitateaUniversitatea Dunrea de JosDunrea de Jos din Galadin Galaii

Facultatea de MecanicFacultatea de Mecanic

CONTCONTRRIBUIBUII LA TRANSFERUL MASICII LA TRANSFERUL MASICDIN ARCUL ELECTRIC DE SUDAREDIN ARCUL ELECTRIC DE SUDARE

IIngng.. LuigiLuigi RenatoRenato MISTODIEMISTODIE

CONDUCTORCONDUCTOR TIINTIINIFIC:IFIC:Prof.Prof. ddr.r. iingng. Emil CONSTANTIN. Emil CONSTANTIN

20201010


2/42

UNIVERSITATEA DUNREA DE JOS DIN GALAIFACULTATEA DE MECANIC

Tez de doctorat

CONTRIBUII LA TRANSFERULMASIC DIN ARCUL

ELECTRIC DE SUDARE

SL. ing. Luigi Renato MISTODIE

Conductor tiinific,Prof. dr. ing. Emil CONSTANTIN

Galai, 2010


3/42

- 3 -

INTRODUCERE

Sudarea n mediu de gaze -MIG- reprezint, i la ora actual, un procedeu cuextindere larg n multe domenii industriale precum naval i siderurgic. Acest lucru sedatoreaz avantajelor pe care acesta le ofer: productivitate mare, calitate superioar a

mbinrii, posibiliti de mecanizare i robotizare.n paralel cu extinderea domeniului de aplicaie s-au dezvoltat continuu i au

aprut materiale i tehnologii noi, surse de sudare sinergice, digitale performante.Pentru conceperea, proiectarea i testarea acestora s-au utilizat echipamente de

cercetare, analiz a fenomenelor chimice, metalurgice, electromagnetice i de transfercare guverneaz procesele din arc i din baia de sudur.

n mod tradiional, n studiile efectuate asupra proceselor de sudare cu arcelectric, accentul este pus pe corelaiile ntre parametrii de regim, considerai ca mrimide intrare, i geometria arcului concretizai n parametrii de ieire sau de calitate. Acesteabordri urmresc rezultatul final, i anume geometria cordonului i proprietile

mecanice ale mbinrii sudate corelate cu parametrii regimului de sudare. Astfel esenaprocesului, instrumentul prin care se realizeaz sudarea, ARCUL ELECTRIC, esteconsiderat drept o cutie neagr. Acest lucru se datoreaz greutii i complexitiiinvestigrii i modelarii fenomenelor care guverneaz acest mic univers.

Metodele clasice de investigare a fenomenelor fizice din arcul electric utilizeazinformaiile generate de proces: sunetul, radiaia arcului n spectrul vizibil (luminozitatea)i n infrarou (generatoare de cldur).

Acestea sunt direct dependente, pe de-o parte, de parametrii electrici, msurabiliai regimului de sudare, i pe de alta de tipul procesului n sine, materialele de adaosutilizate i anumii factori tehnologici.

n cadrul tezei de doctorat autorul i-a propus s realizeze o abordare original, amodului n care sunt analizate procesele de sudare cu arc, n centrul tuturor corelaiilorstnd PICTURILE transferate n spaiul arcului electric. n acest scop, n prima faz,a trebuit realizat un sistem complex care s permit vizualizarea fenomenelor detransfer masic, din spaiul arcului. Concomitent a fost analizat cmpul termic la sudare,elaborndu-se modelele matematice pentru distribuia temperaturilor la sudarea prinprocedeele WIG i MIG.

S-a realizat studiul dinamicii picturilor transferate, utiliznd diferite modelematematice, verificate ulterior pe baza rezultatelor experimentale.

n final a fost elaborat un concept nou FUNCIE PICTUR prin care este

realizat controlului ntregului proces de sudare MIG-P.Metoda de investigare utilizat n tez se bazeaz n mod exclusiv, pe informaiilefurnizate de radiaia arcului electric. Acestea sunt nregistrate prin filmare ultrarapid,prelucrate prim metode i algoritmi specifici. Din imaginile rezultate, dup o selecieprealabil, se extrag dimensiunile mrimilor specifice picturilor, stropilor, arcului i biide sudare. Acestea sunt supuse ulterior unor corelaii statistice. n final se obine unmodel global, care are n centrul tuturor corelaiilor, ntre parametrii de intrare i cei deieire, pictura metalic transferat prin arcul electric de sudare.

Procedeul, la care practic este predictibil geometria i dinamica picturilortransferate prin arcul electric, utilizeaz curentul pulsat. Pentru realizarea cercetrilor

experimentale, autorul tezei, a dezvoltat un sistem performant de investigare a arculuielectric prin filmare directi msurare sincron a parametrilor electrici ai regimului desudare, cu aplicabilitate, la investigarea fenomenelor la sudarea prin procedeul MIG ncurent pulsat, MIG-P.


4/42

- 4 -

CUPRINS

INTRODUCERE .............................................................................................. 3 3SEMNIFICAIA PRINCIPALELOR MRIMI APRUTE N LUCRARE 9CAPITOLUL 1. Procese fizice n arcul electric 7 121.1. Arcul electric. Studiu teoretic ..................................................................... 7 12

1.1.1. Descrcarea autonom ....................................................................... 7 12

1.1.2. Conductivitatea gazelor ionizate.......................................................... 141.1.3. Conductivitatea electric a gazului puternic ionizat ............................. 15

1.2. Regimul dinamic al arcului electric ............................................................ 7 161.2.1. Ecuaia de micare. Bilanul puterilor .................................................. 161.2.2. Modele cilindrice ale coloanei arcului .................................................. 171.2.3. Efectul Pinch ...................................................................................... 8 201.2.4. Arcul electric de curent continuu.......................................................... 22

1.3. Formarea i elementele arcului electric de sudare .................................... 8 241.3.1. Ionizarea gazului ................................................................................ 251.3.2. Temperatura arcului ............................................................................ 9 27

Concluzii........................................................................................................... 28CAPITOLUL 2. Modelarea matematic a arcului electric ............................ 9 292.1. Modelarea arcului electric la sudarea fr transfer masic ......................... 9 29

2.1.1. Ipoteze de studiu ................................................................................. 10 322.1.2. Coeficienii de transport....................................................................... 10 352.1.3. Metode numerice de rezolvare ............................................................ 382.1.4. Modelul coloanei arcului ...................................................................... 42

2.2. Modelarea arcului electric la sudarea cu transfer masic............................ 10 432.2.1. Teoria echilibrului static al forelor din arc ........................................... 11 462.2.2. Teoria instabilitii Pinch...................................................................... 12 48

Concluzii........................................................................................................... 52CAPITOLUL 3. Ciclogramele transferului pulsat ......................................... 13 533.1. Transferul masic la sudarea n mediu de gaz protector. Clasificarea dupmodul de transfer metalic n arc ...................................................................... 53

3.1.1.Tensiunea superficial.......................................................................... 543.1.2. Efectul Pinch ....................................................................................... 55

3.2. Transferul metalic ntr-un arc pulsat .......................................................... 13 553.3. Condiii experimentale pentru sudarea n arc pulsat.................................. 583.4. Teoria transferului n curent pulsat ............................................................ 653.5. Caracteristici principale ale sudarii MIG-P................................................. 13 67

3.6. Avantajele i direciile de dezvoltare ale procedeului de sudare MIG ncurent pulsat..................................................................................................... 70Concluzii........................................................................................................... 71CAPITOLUL 4. Transferul masic la sudarea prin impulsuri ........................ 13 734.1. Clasificarea tipurilor speciale de transfer masic ........................................ 13 734.2. Sudarea MIG pulsat cu pulsaie termic la frecvene mici ......................... 754.3. Sudarea n impulsuri scurte....................................................................... 76

4.3.1. Avantaje .............................................................................................. 764.3.2. Dezavantaje ........................................................................................ 76

4.4. Procedee moderne de sudare cu arc comandat n impulsuri .................... 14 77

4.4.1. Procesele de sudare CMT (Cold Metal Transfer) ................................ 14 774.4.2. Aristo SuperPulse / QSet TrueArcVoltage........................................... 14 784.4.3. Procedee moderne MIG/MAG dezvoltate de firma Cloos.................... 14 81

Concluzii........................................................................................................... 83


5/42

- 5 -

CAPITOLUL 5. Contr ibuii la transferul masic n cazul sudrii MIG-MAG . 15 845.1. Introducere ................................................................................................ 15 845.2. Modelarea fenomenelor de transfer masic ................................................ 15 84

5.2.1. Forele din arcul de sudare.................................................................. 15 845.2.2. Formarea picturilor din srma electrod .............................................. 15 85

5.3. Verificarea numeric a modelului transferului masic ................................. 16 865.4. Analiza factorilor tehnologici asupra transferului la sudarea MIG-P .......... 86

5.4.1. Caracteristici principale ale sudarii MIG-P. Selectarea parametrilorregimului de lucru ............................................................................................. 87

5.4.2. Analiza stabilitii transferului masic .................................................... 89Concluzii........................................................................................................... 91CAPITOLUL 6. Achiziia i prelucrarea imaginilor la sudarea cu arculelectric ............................................................................................................. 17 936.1. Conceperea sistemelor pentru procesarea imaginilor ............................... 94

6.1.1. Sisteme de iluminare a zonei de interes.............................................. 946.1.2. Metode de captare a imaginilor i sisteme senzoriale ......................... 956.1.3. Placa de captur.................................................................................. 103

6.1.4. Configuraia sintetic a sistemului de filmare ...................................... 17 1046.2. Aspecte privind prelucrarea imaginilor....................................................... 17 1046.2.1. Generaliti .......................................................................................... 17 1046.2.2. Achiziia imaginilor. Alegerea componentelor sistemului .................... 1066.2.3. Clase de imagini .................................................................................. 1076.2.4. Prelucrri grafice ................................................................................. 17 1076.2.5. Recunoaterea formelor ...................................................................... 109

6.3. Utilizarea camerelor HDRC Cmos n sistemele de monitorizare a arculuielectric.............................................................................................................. 18 110

6.3.1. Introducere .......................................................................................... 110

6.3.2. Aplicaii ................................................................................................ 1106.3.3. Tehnici de filmare ultrarapid .............................................................. 18 1116.3.4. Aspecte privind cerinele sistemelor de filmare ................................... 18 1116.3.5 Tehnica Shadowgraphic sau Back-lighting .................................... 1126.3.6. Varianta cu proiector stroboscopic ...................................................... 1136.3.7. Varianta utiliznd camere HDRC......................................................... 18 113

Concluzii........................................................................................................... 123CAPITOLUL 7. Contribuii la realizarea unui sistem computerizat pentruanaliza prin f ilmare ultrarapid a transferului masic .................................. 20 1247.1. Echipamentul realizat i utilizat n cadrul investigaiilor ............................. 20 124

7.1.1. Realizarea sistemului de monitorizare n cadrul laboratoarelorDepartamentului de Robotici Sudare al Universitii Dunrea de Jos dinGalai, utiliznd componente software National Instruments.......................... 124

7.1.2. Prezentarea sistemului utiliznd camere HDRC cu sincronizareextern. Subsistemul de msur a mrimilor analogice ................................... 20 1247.2. Echipamentul de filmare ............................................................................ 21 126

7.2.1. Sistemul de filmare.............................................................................. 21 1277.2.2. Camer C-MOS cu senzor LIN-LOG 2 ................................................ 21 1297.2.3. Sistemul optic-macro ........................................................................... 21 1327.2.4. Placa de captur microEnable III......................................................... 22 133

7.3. Unitatea de calcul specializat .................................................................. 1337.4. Soft integrat de comand pentru instrumentaie virtual ........................... 22 1337.4.1. Meniul de configurare a parametrilor de achiziie de date

Configuration.................................................................................................... 133


6/42

- 6 -

7.4.2. Meniul de achiziie a parametrilor analogici Acquisition.................... 1347.4.3. Meniul de achiziie de imagine Image ACQ...................................... 1357.4.4. Meniul de sincronizare ntre cadrele de imagine i mrimile analogice

SYNC Image & ACQ ..................................................................................... 1367.4.5. Meniul de analiz de imagine Image Analisys.................................. 1377.4.6. Bloc conector....................................................................................... 138

7.5. Surse de sudare sinergic ESAB ARISTO 2000, cap de sudare cu

dispozitivul de poziionare aferent .................................................................... 1387.6. Sistem de deplasarea a tablelor (pieselor) sudate .................................... 22 140Concluzii........................................................................................................... 143CAPITOLUL 8. Testarea sistemului de achiziie de date i a camerei defilmare ............................................................................................................. 23 1448.1. Testarea sistemului de achiziie de date utiliznd osciloscopul digitalTektronics TDS 2012 i pachetul software Wavestar ....................................... 23 144

8.1.1 Introducere ........................................................................................... 1448.1.2. Parametrii curentului pulsat la sudarea MIG-P.................................... 1448.1.3. Sisteme de msuri monitorizare ..................................................... 145

8.1.4. Metode de msurare a curentului de sudare ....................................... 23 1468.1.5. Senzor Hall.......................................................................................... 23 1468.1.6. Calibrarea sistemului de achiziie ........................................................ 23 148

8.2. Testarea i alegerea vitezei optime de filmare pentru camera ultrarapidMV-D-1024-160................................................................................................ 24 151Concluzii........................................................................................................... 154CAPITOLUL 9. Cercetri experimentale privind corelaiile dintreparametrii regimului de sudare MIG-P cu diametrul picturilor igeometria arcului .......................................................................................... 25 1559.1. Introducere ................................................................................................ 25 155

9.1.1. Datele de intrare a determinrilor experimentale................................. 25 1559.1.2. Analiza regimurilor sinergice standard................................................. 25 1559.2. Cercetri asupra variaiei diametrului picturii n diferite faze a unui ciclutransfer ............................................................................................................. 26 1589.3. Corelaii ntre parametrii regimului de sudare n curent pulsat geometriaarcului i diametrul picturilor ........................................................................... 28 165Concluzii........................................................................................................... 177CAPITOLUL 10. Optimizarea regimurilor sinergice la sudarea MIG ncurent pulsat 32 17810.1. Introducere .............................................................................................. 178

10.2. Obiective ................................................................................................. 17910.3. Concluzii.................................................................................................. 183CAPITOLUL 11. Concluzii generale i contribuii personale ...................... 34 18411.1. Concluzii generale ................................................................................... 34 18411.2. Contribuii personale................................................................................ 37 186BIBLIOGRAFIE ................................................................................................ 40 190ANEXA 1 .......................................................................................................... 198ANEXA 2 .......................................................................................................... 204ANEXA 3 .......................................................................................................... 211ANEXA 4 .......................................................................................................... 213


7/42

- 7 -

CAPITOLUL 1. PROCESE FIZICE N ARCUL ELECTRIC1.1. Arcul electric. Studiu teoretic

1.1.1. Descrcarea autonomArcul electric sau descrcarea prin arc este o descrcare autonom n gaze sau

vapori care se caracterizeaz prin [3,35,91,139,165]:- densitatea de curent mare(102-108 A/cm2);- cderea de tensiune catodic mic;- temperatura nalti presiunea mrit a gazelor (arcul se sprijin pe o suprafaa

foarte mic iar temperatura din coloana arcului este de 3000-24000 oK).Pentru ca electronul s obin energia necesar excitrii i ionizrii unui gaz el

trebuie s fie accelerat n cmpul electric.Trecerea curentului electric, excitarea i recombinarea, provoac o nclzire

puternic a spaiului de arc, astfel c ntreg gazul se afl la temperaturi nalte. Aceaststare de nclzire puternic provoaci ea ionizarea gazului.

Ca n orice alt descrcare electric n gaz, i n cazul arcului electric, ionizareaprin oc joac un rol important n multiplicarea purttorilor de sarcin. Aceasta poate fiuna din explicaiile densitilor foarte mari de curent. Condiiile ionizrii sunt determinatede gradul de ionizare a electronului i gradul de ionizare a ionului pozitiv. n figura1.1 este prezentat fenomenul ionizrii n care electrozii sunt plasai la distana larci suntalimentai de la o surs de tensiune continu.

Fenomenele care intervin odat cuobinerea descrcrii autonome sunt:ionizarea prin oc, fotoionizarea, emisiasecundar, emisia termic, emisia datoritcmpului electric. Cifra de ionizare depinde de natura gazului, de energiaionului care face impact cu catodul, denatura catodului etc. n concluzie,fenomenul ionizrii scoate n evidendependena exponenial a numruluipurttorilor de sarcin funcie de distan.

Figura 1.1. Ionizarea arcului

1.2. Regimul dinamic al arcului electric Bilanul puterilor

Bilanul puterilor n unitatea de volum din coloana arcului electric poate fi dedus

prin nmulirea ecuaiei de micare cu viteza, relaie n care inem cont de relaia [106]:

tpp

dtd

pv

=

r

Simple nlocuiri conduc la ecuaia conservrii energiei. Astfel se mai poate scrie :

IUPdtdQ

=+ (1.20)

n multe studii, ceea ce intereseaz n mod deosebit, este caracterizarea arculuielectric din punct de vedere electric i anume printr-un element de circuit.Caracterizarea oricror elemente de circuit este posibil prin relaia de dependen

cauz-efect dac elementul este liniar. n cazul elementelor neliniare aceast relaie nuse poate prezenta analitic. Indiferent de relaia cauz-efect, elementul de circuit estecomplet definit de produsul semnalelor (cauz-efect) numit putere instantanee.Fenomenele din coloana arcului electric depinznd de coninutul de cldur sunt


8/42

- 8 -

caracterizate de elemente ineriale ntruct temperatura este o mrime inerial. Fiindun fenomen inerial, relaia cauz-efect depinde de valorile anterioare ale temperaturiidin coloana arcului electric. Caracterizarea arcului este posibil n aceste condiii printr-o mrime ce face legtura ntre cauzi efect, mrime numit conductan dinamicdefinit pe mrimi instantanee prin relaia G=I/U. innd cont c arcul electric are otemperatur ridicati c exist o interdependen reciproc ntre temperaturi gradulde ionizare termic, se poate admite c valoarea energiei Q este o funcie de

conductana arcului electric:( )GfQ = (1.21)

Pentru arcul electric au fost elaborate de-a lungul timpului mai multe modele.Dintre modelele cilindrice ale coloanei arcului cele mai importante se bazeaz peipotezele elaborate de Mayr i Cassie.

Ipoteza Mayr se verific experimental pentru domeniul trecerii prin zero acurentului cnd diametrul coloanei arcului electric este minim i se admite c rcirea serealizeaz prin conductivitate termic.

Ipoteza Cassie se verific experimental pentru zone de curent intens i deci nafara trecerii prin valoarea zero a curentului cnd se admite c rcirea se realizeazprin convecie.

n baza acestor ipoteze arcul electric de lungime larc are o seciune constantreprezentnd un cilindru n care fie conductivitatea termic este constant (Mayr) fiecmpul electric este constant (Cassie). n ambele ipoteze constanta arcului are aceeaivaloare.

1.2.3. Efectu l PinchArcul electric este supus forelor electrodinamice i contactului cu mediul exterior.

De aceea att lungimea arcului ct i dimensiunile seciunii transversale sunt variabilen timp, forma sa geometrica fiind diferit n majoritatea cazurilor de un cilindru

n axa coloanei arcului electric presiunea este cea mai mare de valoare:

42

20

Rrmax R4I

)pp(p

== (1.40)

Procesul de comprimare al coloanei de plasm ca urmare al dezvoltrii foreiLorentz se numete efect Pinch. Practic, acest efect conduce la diametre de arc electricsensibil mai mici dect n cazul cnd nu se ia n considerare fora Lorentz. n realitatearcul electric care arde ntr-un gaz nu i menine coloana sub forma cilindric deoarecepiciorul arcului i are sediul pe un material conductor unde J = 106 - 108 A/cm2 iarcoloana se dezvolt ntr-un gaz, care este mediu mai puin conductor. Ca urmare

diametrul coloanei arcului n gaz va depi sensibil diametrul petei catodice iar arculelectric va prezenta o dilatare n zona central. Aceast modificare de diametre, pemsur ce se trece la alt seciune transversal n coloana arcului, cauzeaz oasimetrie de cmp magnetic i de densitate de curent deci o modificare a forei Lorentzfa de cazul modelului cilindric. Efectul acestei asimetrii l constituie formarea decureni de plasm ctre axa de simetrie transversal a arcului.

1.3. Formarea i elementele arcului electric de sudare

Densitatea de curent cauzat de termoemisie se calculeaz cu formula

Richardson-Dushman [10,25]:TkUe

2ie0

eTAj oo

= (1.55)


9/42

- 9 -

n care T este temperatura absolut, k=1,38 . 10-23 J/K constanta lui Boltzmann,iar A - constanta egal cu 120,4 A/cm .K n cazul n care electronii nu sufer reflexii icare se njumtete cnd apar reflexii ale electronilor.

1.3.2. Temperatura arculuiTemperatura coloanei arcului depinde de intensitatea curentului, de amestecul

gazos din coloani de polaritate. Astfel temperatura coloanei arcului crete odat cu

creterea curentului, scade odat cu scderea potenialului de ionizare i este mairidicat la sudarea cu polaritate invers. Prin scderea potenialului de ionizarerezistena coloanei arcului scade i, la acelai curent de sudare n coloan se dezvoltmai puin cldur [25,28,36,39,57].

La sudarea cu polaritate invers temperatura coloanei crete cu circa 500K.Aceasta se ntmpl datorit faptului c pata anodic are o temperatur mai ridicatdect pata catodic. La polaritate invers, anodul este la electrod i rcirea este maipuin intens dect atunci cnd anodul este pe piesele de sudat. Ca atare anodulradiaz o cantitate de cldur mai mare spre coloana arcului. Fcnd abstracie deceilali factori, K. K. Hrenov propune ca temperatura coloanei arcului s se calculeze

numai n funcie de potenialul de ionizare, cu relaia[28]:n urma calculelor rezult:

0"U810T = (1.78)

adic o evaluare global simplist, verificabil experimental.

CAPITOLUL 2. MODELAREA MATEMATIC A ARCULUI ELECTRIC2.1. Modelarea arcului electric la sudarea fr transfer masic

Arcul electric reprezint un proces guvernat de procese metalurgice, chimice i

electrice. Din aceast cauz o analiz computerizat a arcului este o problem foartedificil n schimb poate duce la rezultate spectaculoase.Pentru modelarea i simularea proceselor de sudare cu gaze inerte (MIG i WIG)

sunt necesare informaii amnunite att despre distribuia fluxului de energie ct idespre valoarea suprapresiunii de pe suprafaa bii de sudare. Modelarea numeric aarcului poate da informaii care pot fi folosite ca date de intrare pentru modelarea bii desudare, optimizarea parametrilor arcului, simularea diverselor procedee de sudare[139].Pentru a pstra aceast structur modular, se poate defini modelul arcului ca o cutieneagr. Cel mai important rezultant il constituie determinarea distribuia deenergie/temperatura transmis pieselor sudate.

Figura 2.1. Schema modulat a procesului de sudare


10/42

- 10 -

2.1.2. Modelul matematicPentru realizarea modelului s-au considerat urmtoarele ecuaii[139]: Maxwell,

continuitii masei, de moment, de energie, pentru transportul vaporilor de metal, Sahai ecuaia de stare.

2.1.2. Coeficienii de transportPlasma arcului este foarte sensibil la impuritile de gaz i vapori de metal.

Aceste efecte sunt determinate de variaiile drastice ale coeficienilor de transport(densitatea, entalpia, conductivitatea electric, conductivitatea termic, radiaia) cutemperatura plasmei i sensibilitatea sa la impuriti.

Figura 2.3. Procesele fizice din zonelei subzonele arcului electric

2.2. Modelarea arcului electr ic la sudarea cu transfer masic

Modelul global al procedeului de sudare MIG este alctuit din urmtoarelesubmodele (Fig. 2.13) [134, 135, 136, 137, 141]:

- modelul plasmei arcului electric;- modelul bii de metal topit;- modelul transferului metalic i de cldur n coloana arcului.Utiliznd diferite modele matematice i folosindu-se de metode moderne de

modelare numeric prin diferene finite (PDE), volumului de fluid (VOF) au fostsimulate diferitele faze ale procesului de sudare cu arc electric, precum sunt:

- formarea, creterea i desprinderea picturii;

- deplasarea picturilor n zbor liber prin coloana arcului;- impactul picturii cu baia de metal topit;- solidificarea bii de metal topit;- cldura i presiunea exercitat de plasma arcului asupra bii de metal topit.


11/42

- 11 -

Figura 2.13. Modelul global al procedeului de sudare MIG-P.

Au fost elaborate mai multe teorii pentru explicarea tipurilor de transfer metalic:- teoria echilibrului static al forelor din arc;- teoria instabilitii forelor Pinch;- teoria forei jetului de plasm;- teoria vitezei critice.n cazul sudrii MIG, pentru explicarea fenomenelor de transfer au fost utilizate n

mod deosebit primele dou teorii.Fiecare dintre teoriile de mai sus prezint anumite limitri.

2.2.1. Teoria echilibrului static al forelor din arcTeoria echilibrului static se poate rezuma astfel: pictura se detaeaz de pe

captul electrodului, n stare topit, n momentul n care se rupe echilibrul static al

forelor care acioneaz n arc (Fig.2.16)[27,41,117,119,133]: +=+++ FFFFFF exemplg (2.50)

unde Fg fora gravitaional cu valoarea:

ypg gmF = , gr34

F p3

pg = (2.51)

Fpl fora dinamic de transport datorat propulsiei n jetul de plasm:

CrgV5,0F 2ppl2

pl = (2.52)

unde: pl - densitatea gazului plasmei; rp - raza picturii, C coeficientul de

proporionalitate, care depinde de caracteristicile de proces.Aceast for are o caracteristic considerabil n cazul sudrii spray arc ct i pe

perioada curentului de puls Ip


12/42

- 12 -

Fem- fora electrodinamic datorat efectului Pinch (fig. 2.18) este:

=

e

agem r

rln

4F , (2.53)

unde: re este raza electrodului iar ra estedefinit n figura 2.17, relaie care este valabil ncazul arcului conic.

Fan fora datorat vaporizrii, de reacieanodic este:

IJ'm

Fan

= (2.54)

F fora datorat tensiunii superficiale:

= ar2F (2.55)

unde reprezint tensiunea de superficial ametalului lichid.

Figura 2.16. Aciunea forelor la sudarea MIG

Teoria echilibrului static al forelor din arc are la baza urmtoarele ipoteze:- srma electrod este cilindric cu geometrie constant;- densitatea de curent care strbate pictura (n formare) este constant;- pictura este considerat sferic;- expresia utilizat pentru determinarea forei de curgere este specific unei

picturi sferice imersat ntr-un fluid cu viteza uniform;- fora de tensiune superficial se consider constant pe toata suprafaa

picturii.

Condiia de detaare a picturii conform teoriei de mai sus se poate scrie:

( ) ( ) >++

+ a

2a

2p

2ffap

20

p3p r2rrC2

13236,025,0rlnrln

4I

gr34

(2.56)

Din relaia 2.56 se determin valoarea critic n momentul detarii a picturii.

2.2.2. Teoria instabi li tii Pinch

La baza teoriei instabilitii Pinch st modelul Rayleigh al instabilitii coloanei delichid. Utiliznd aceasta teorie se poate aproxima raza picturii detaate cu relaia

[26,133,135,136,137]: )

( )

21

0p2

20

0pp

rrI

1n25,1

rrR

+

+

+= (2.57)

Teoriei instabilitii Pinch este fcut n urmtoarele ipoteze:- geometria este cilindric, poriunea lichid este considerata un cilindru;- perturbaiile sistemului neexcitat sunt sinusoide;- presiunea radial are o distribuie uniform de-a lungul axei centrale a

cilindrului;

- strangularea picturii din coloana cilindric de metal lichid de ctre fora Pinchse datoreaz forelor electrodinamice.


13/42

- 13 -

CAPITOLUL 3. CICLOGRAMELE TRANSFERULUI PULSAT3.2. Transferul metalic ntr-un arc pulsat

Se cunoate c sudarea MIG-MAG a fost introdus la origine ca rspuns laproblemele sudrii aluminiului n industria aeronautic. Introducerea arcului pulsat apermis obinerea un transfer puls-picatur-TPP pentru un curent mediu inferiorintroducnd impulsurile de curent pentru desprinderea picturilor la intervale controlate,cu ntreruperi de curent ce menin arcul i permit formarea picturilor topite. Acest lucrua permis sudarea prin transfer TPP a tablelor subiri, n orice poziie.

3.5. Caracterist ici principale ale sudrii MIG-P

Situarea transferului de metal n domeniul valorilor sczute ale curentului permiteobinerea unui arc n permanen stabil, absena total a stropilor, realizarea unei bicalme, cu volum redus i depuneri de calitate. Toate acestea constituie avantajeeseniale ale sudrii MIG pulsat.

Dezvoltnd cele cteva consideraii asupra parametrilor care definesc curentulpulsat, se pot stabili criterii de baz ale reglajelor la sudarea MIG pulsat.

a) Curentul de puls, Ip, trebuie s aib o valoare superioar valorii critice, Icr, caredefinete domeniul de pulverizare axial. Forele electromagnetice trebuie s joace unrol preponderent pentru a putea dirija transferul pe durata pulsurilor. n plus, o valoareridicat a curentului Ip favorizeaz rigiditatea arcului.

b) Durata curentului de puls tp, depinde de valoarea aleas pentru curentul Ip.Cuplul de valori (Ip, tp) permite definirea condiiilor de transfer. Cea mal mare parte alucrrilor de specialitate n domeniu au ajuns la o concluzie comun, admind c optim,din punct de vedere al stabilitii i al absenei stropilor, se obine atunci cnd seproduce o pictur pe un puls. nregistrri video realizate cu o camer special, demare vitez arat c:

- Dac durata curentului de puls este prea scurt, pictura de metal nu se poatedetaa n cursul unui puls. Ea se mrete n fiecare ciclu, i apoi se detaeaz subefectul gravitaiei i a forei de mpingere a gazului. Transferul se efectueaz, deci, nzbor liber prin topire globular, ca i cum curentul ar fi constant. Aceast modificare amodului de transfer este foarte defavorabil din punct de vedere al sudabilitiioperatorii (fig. 3.18);

- Dac durata curentului de puls este prea lung, fiecare puls antreneazdetaarea mai multor picturi. Stabilitatea arcului este mai puin bun dect n cazuldetarii unei picturi pe un puls. Aceasta este posibil a fi n legtur cu mrimea

timpului rece tb, necesar pentru meninerea unei aceleiai valori a curentului mediu,cnd timpul cald, tp este mai lung (fig. 3.19).

A fost propus o lege de echivalen ntre parametrii reglai, de tipul [115,127]:DtI p

np = unde:

n i D sunt constante care depind n mod esenial de natura i diametrul srmaelectrod, precum i de gazul de protecie.

CAPITOLUL 4. TRANSFERUL MASIC LA SUDAREA PRINIMPULSURI

4.1. Clasificarea tipurilor speciale de transfer masic

Pentru a putea nelege condiiile n care se realizeaz un cordon corect sauincorect, sudnd diferite materiale, se impune studierea fenomenelor fizice care


14/42

- 14 -

guverneaz procesul de sudare. n cazul sudrii MIG-MAG n mod particular estenecesar analiza aciunii forelor din arc i dinamica transferului metalic. Stabilitateaarcului depinde de forele dezvoltate n coloana arcului. n fapt, transferul materialului deadaos este determinat de echilibrul forelor dezvoltate n arcul electric, care acioneazla un moment dat asupra picturii de metal topit [47,50,51].

Dintre procedeele careasigur o calitate foarte bun a

mbinrii sudate se distinge netsudarea MIG n impulsuri sauMAG-M pulsat (unii autori).Utilizarea curentului pulsat cuund perfect controlabil,constituie tehnica modern carest la baza multora dintreprocedeele amintite anterior.Prin realizarea unor forme deund personalizate care s se

plieze perfect pe cerinele fiziceale procesului de sudare,indiferent de etapele de lucru, s-a permis obinerea unui controlfoarte riguros a momentului i acantitii de metal i energietransferate spre baia de metaltopit.

4.4. Procedee moderne de sudare cu arc comandat n impulsur i

Anterior au fost prezentate cteva din procedeele de sudare cu arc comandat nimpulsuri i anume: CMT, CMT-puls, CM, STT, TIME, RAPID ARC, RAPID MELT,SHORT-ARC++, SUPERPULS, LINFAST, TWIN, TANDEM, LASER-HIBRID(LASER-WIG, PLASMA-LASER, PLASMA-WIG. n continuare se face o scurta prezentare actorva dintre ele.

4.4.1. Procesele de sudare CMTProcesele de sudare CMT (Cold Metal Transfer- dezvoltat de firma FRONIUS) i

cu arc pulsat sunt folosite separat sau combinate ntre ele, pentru obinerea unui

domeniu mai larg de puteri. Puls-Mix" este o variant a procedeului de sudare cu arcelectric. Aceasta combin procedeele de sudare respectiv lipire n mediu de gazprotector prin tehnologia CMT (Cold Metal Transfer), cu procesul de sudare cu arcpulsat.

4.4.2. Aristo SuperPulse / QSet TrueArcVoltageSuperPulse (dezvoltate de firma ESAB) este funcia care ofer trei tipuri de arc

modulat, destinat diverselor tipuri i grosimi de materiale sudate, n special pentrusudarea aluminiului i a oelurilor nalt aliate. Sarcina de baz a acestei funcii este sreduc cldura introdus n piese i s mreasc productivitatea sudrii.

4.4.3. Procedee moderne MIG/MAG pentru sudarea robot izatan prezent, s-au dezvoltat noi (sub)procedeele precum: Cold Weld, Control Weld,

Speed Weld (proces special pentru sudarea cu mare productivitate), Vari Weld (pentru

Figura 4.1. Procedeele moderne de mareproductivitate


15/42

- 15 -

sudarea aluminiului i brazare MIG), la care se adaug alte doua procedee de mareproductivitate derivate, Tandem i LaserHibrid (toate dezvoltate de firma Cloos)[165].

CAPITOLUL 5. CONTRIBUII LA TRANSFERUL MASIC N CAZULSUDRII MIG-MAG

5.1. Introducere

n acest capitol este prezentat o nou teorie asupra transferului masic la sudareacu arcul electric. De asemenea, sunt analizate i influenele factorilor tehnologici asupratransferului. Transferul masic, n cazul sudrii MIG-MAG este dictat de aciunea forelorcare se manifest n arcul electric, influennd stabilitatea acestuia, dinamica igeometria picturii metalice.

5.2. Modelarea fenomenelor de transfer masic

Prin modelarea transferului metalic s-au stabilit corelaii ntre parametrii de sudaren vederea controlului numrului, dimensiunilor i frecvenei picturilor de metal. Atuncicnd se are n vedere sudarea sinergic, rezultatele cercetrii sunt ecuaiile careguverneaz comanda transferului de metal. Aceast abordare a permis dezvoltareasurselor de sudare inteligente, capabile s calculeze i s comande orice proces desudare, plecnd de la un minim de date de intrare necesare.

5.2.1. Forele din arcul de sudare

Pictura se deta

eaz

de pe captul electrodului nstare topit n momentul ncare se rupe echilibrul statical forelor care acioneaz narc (fig.5.1) [41,42,43,44]:

n continuare sepropune un nou modelmatematic pentru transferulmasic prin coloana arcului,bazat pe forele careacioneaz n picturile demetal topit (fig. 5.1).

5.2.2. Formarea picturilor din srma electrodn arcul electric, srma electrod se topete, la captul acesteia formndu-se

picturi. Acestea traverseaz coloana arcului, spre baia de metal topit, format nmetalul de baz, datorit n special forei electrostatice de atracie (fora Coulomb).

Se poate scrie intensitatea curentului, Is:

Is = Is1 + Is2 (5.1)unde, Is1 reprezint intensitatea datorat electronilor liberi n micare; Is2 reprezint

intensitatea produs de micarea picturilor metalice. Sursa care emite electroni o

Figura 5.1 a. Aciunea forelor la sudarea MIG-P.b. Cele dou componente ale curentului de sudare


16/42

- 16 -

reprezint pata catodic de pe electrod. Considernd numai fenomenul de termoemisie,intensitatea de curent se poate calcula cu formula Richardson-Dushman [2][14]:

j = (1-r)AT2exp(-/KT) (5.2)n A/mm2 unde r este coeficientul de deflexie; A - constant, A = 1.2, A/mm2 K2; T

- temperatura catodului n K; - lucrul mecanic de extracie al electronilor, n J; K -constanta lui Boltzmann, K = 1.38 10-23, n J/K.

Intensitatea curentului Is1 poate fi calculat cu formula:Is1 = j de2/4 (5.3)unde de este diametrul electrodului.Acest curent este responsabil de ionizarea coloanei arcului i de nclzirea i

topirea electrodului ct i a materialului de baz.Picturile metalice sunt expulzate de pe srma electrod datorit forei

electrostatice. Aceast for (pentru ntreaga coloan a arcului) poate fi determinat curelaia:

F = E np e (5.4)unde E este intensitatea cmpului electrostatic; np numrul de purttori ncrcai

de sarcin existent n pictur; e sarcina electric elementar.

S presupunem c n coloana arcului exist (momentan) un numr de Np picturi.Fora lui Coulomb ce acioneaz pe o singur pictur este:

Fd = E nd e/ Np (5.5)Ideal, intensitatea electrostatic poate fi scris:E = Ua/ La (5.6)unde Ua este tensiunea de sudare; La lungimea coloanei arcului.Sarcina electric a picturilor de metal topit, datorit intensitii curentului Is2,

transportat de pictur:Np e = Is2 t (5.7)unde t este timpul de transfer.

Utiliznd ecuaiile (5.6) i (5.7), fora lui Coulomb, de extracie a picturii de peelectrod poate fi descris prin ecuaia:

Fp = Ua Is2 t / (La Np) (5.8)Formarea i separarea picturii de srma electrod apare n momentul cnd fora

de extracie este mai mare dect fora de tensiune superficial. Fora de tensiunesuperficial poate fi scris:

Fp = dp (5.9)unde dp este diametrul picturii; = tensiunea superficial.La limit, forele din ecuaiile (5.8) i (5.9) sunt egale i avem:Ua Is2 t / (La Np) = dp

Numrul picturilor detaate n unitatea de timp, este:Np/t = Ua Is2/ (La dp) (5.10)

5.3. Verificarea numeric a modelului transferului masic

A fost realizat un calcul de verificare a modelului propus la sudarea MIG-MAGpentru oeluri cu parametri de sudare situai la limita dintre tipurile de transfer short-arci spray-arc. Diametrul electrodului ales este de = 2mm, tensiunea arcului Ua = 35V iarintensitatea curentului de sudare Is = 250A.

Acceptnd temperatura catodului de T = 4100K iar lucrul mecanic de extracie

pentru oel = 4.44eV.A rezultat o eroarea a modelului (comparat cu datele experimentale): = (AD

* - AD) 100/AD* = (2.625 - 2.7) 100/2.625 = - 2.86%


17/42

- 17 -

CAPITOLUL 6. ACHIZIIA I PRELUCRAREA IMAGINILOR LASUDAREA CU ARCUL ELECTRIC

Un sistem de procesare a imaginii (SPI) (fig. 6.1) este format dintr-o surs delumin pentru iluminarea spaiului, senzorul video (de obicei o camera CCD sau CMOS)i o interfa ntre senzor i calculator [69].

6.1.4. Configuraia sintetic a sistemului de filmareExist pe pia o multitudine de sisteme de procesare a imaginii. n esen un SPI

este format din:- o uni tate de iluminare: Pentru marea majoritate a aplicaiilor lumina natural nu

este potrivit. Iluminarea adecvat reduce timpul de calcul. Iluminarea defectuoascauzeaz erori grave ireparabile;

- o unitate senzorial, de exemplu o camer CCD: Piaa de camere estesaturat cu numeroase modele. Cumprarea unei camere trebuie fcut cu mareatenie, avnd n minte un SPI optim;

- una sau mai multe lentile, care se potrivesc aplicaiei: Mrimea lentileitrebuie s fie superioar sau egal cu mrimea cipului. Utilizarea inelelor distaniere i alentilelor de mrire pot duce la apariia aberaiilor.

- o plac de captur: aplicaiile n timp real necesit un plac de captur cuhardware inteligent, la care majoritatea calculelor trebuie preluate de procesoare desemnal rapide;

- uniti periferice potr ivi te pentru datele de ieire: (monitor, imprimant, placI/O).

Au fost prezentate componentele hardware specifice sistemelor de procesare aimaginilor (SPI). S-au prezentat noiunile de baz necesare conceperii unui SPI, ct ipentru a putea compara facilitile i compatibilitatea dintre componentele oferite dediveri productori. Terminologia utilizat este cea specific domeniul IT.

6.2. Aspecte privind prelucrarea imaginilor

6.2.1. GeneralitiPrelucrarea (digital) a imaginilor reprezint un domeniu foarte larg, de sine

stttor. Acest domeniu are la baz o teorie matematic riguroas, bine pus la punct,dar n general implementrile pe diverse maini de calcul sunt destul de mariconsumatoare de resurse (putere de calcul, memorie), n special dac ne referim lautilizarea n timp real a informaiilor extrase din imagini [74].

Figura 6.11. Structura general a unui sistem de vedere artificial

6.2.4. Prelucrri graficePrelucrri grafice sunt operaiile de preprocesare ce se efectueaz asupra

imaginilor achiziionate. Aceste operaii au rolul de a elimina zgomotele sau informaiile

inutile din imagine (filtrarea, segmentarea) sau sunt operaii de restaurare. Astfel deprelucrri sunt necesare pentru a mbunti att timpii de execuie ct i rezultatelediverilor algoritmi (clasificare, recunoaterea formei, recunoatere fee umane etc.).


18/42

- 18 -

6.3. Utilizarea camerelor HDRC Cmos n sistemele de monitor izare aarcului electric

6.3.3. Tehnici de filmare ultrarapidPentru studierea transferului masic se utilizeaz diferite tehnici de filmare

ultrarapid: tehnica Shadowgraphic sau Back-lighting [127]; tehnica cu proiector stroboscopic; tehnica cu camere HDRC [88].

6.3.4. Aspecte privind cerinele sistemelor de filmareProblema realizrii sistemului de filmare a arcului electric care s permit

obinerea unor informaii sigure, clare a fenomenelor ce se desfoar n spaiul deardere a acestuia nu este deloc simpl.

n primul rnd imaginea care rezult trebuie sa fie clar i interpretabil. Acestlucru presupune o filtrare corespunztoare, un sistem de nlturare a fumului n exces ia stropilor care apar n mod accidental.

Pentru a putea avea o imagine complet, nealterat, asupra dinamicii procesului,numrul de cadre captat ntr-o secund trebuie s fie suficient de mare. n funcie deprocedeul studiat i de scopul propus, viteza de filmare trebuie adaptat n modcorespunztor. Trebuie utilizate deci camere de filmare cu viteza mare.

n cazul procedeului de sudare MIG-P la care frecvena maxim a picturilortransferate este de pana la 300 picturi/secund, se impune utilizarea unei camere cuviteza de filmare de minim 1000 cadre/secund.

n concluzie, aspectele de care trebuie sa inem cont la realizarea sistemului defilmare sunt urmtoarele:

9 filtrarea corespunztoare dinamic, optic mare;9 protecie sporit (temperatura, stropi);9 vitez de filmare ridicat, corelat cu un timp de expunere mic;9 posibilitatea mririi imaginii-macro, corelat cu posibilitatea modificrii irisului;9 posibilitatea sincronizrii externe;9 fiabilitate sporit n condiii grele de lucru (sistem de rcire forat).

6.3.7. Varianta utiliznd camere HDRCAceast metod utilizeaz o camer HDRC cu trigger extern, un computer pentru

declanarea nregistrrii imaginilor sincronizat cu nregistrarea parametrilor electrici aiprocesului de sudare, o plac pentru procesarea semnalelor pentru calcularea automat

a caracteristicilor parametrilor de sudare i o plac de procesare a imaginii pentruanaliza vizual a transferului masic [88,140].

Imaginile pot fi nregistrate dup ce este stabilit criteriul de declanare (trigger) ivariabila adiional de ntrziere (delay-time). Msurarea parametrilor de sudare ncepeodat cu semnalul de declanare (trigger) i se menine un timp variabil pe perioadaprocesului de sudare.

n continuare este prezentat un sistem de monitorizare eficient bazat pe un PC denalt performan pentru monitorizarea sudrii MIG-P. Acesta permite monitorizareaon-line a tuturor etapelor procesului de sudare, inclusiv a transferului masic fr a utilizao surs adiional de lumin. n plus, este posibil, msurarea sincronizat a curentului

de sudare i a tensiunii de sudare n timpul nregistrrii imaginilor i prelucrareastatistic a acestora (valori medii etc.). n plus, sistemul permite analiza vizual atransferului de metal pe imaginile nregistrate [104,112,118]. Sistemul poate fi folosit


19/42

- 19 -

pentru optimizare i analiza proceselor de sudare folosind informaii vizuale despretransferul de metal i parametrii arcului electric.

Figura 6.16. Sistem cu camera HDRC

6.3.7.7. Aplicaii ale algoritmilor la prelucrarea imaginilor transferului prin picturEficiena sistemului rezult din datele experimentale conform figurii 6.36. Sunt

prezentate toate datele msurate i calculate specifice transferului masic. Esteprezentat o imagine a transferului masic rezultat al analizei vizuale sincron cuparametrii regimului se sudare (curent, tensiune) n funcie de care sunt calculatevalorile aferente reaciei negative pentru corectarea eventualelor erori.

Imaginea 1 Imaginea 2 Imaginea 3

Figura 6.27. Analiza vizual. a) imaginea original; b) imaginea rezultat prin cretereacontrastuluii corectarea umbrelor; c) segmentarea imaginiid) detectarea obiectelori clasificarea acestora


20/42

- 20 -

CAPITOLUL 7. CONTRIBUII LA REALIZAREA UNUI SISTEMCOMPUTERIZAT PENTRU ANALIZA PRIN FILMARE ULTRARAPID

A TRANSFERULUI MASIC

7.1. Echipamentul realizat i ut ilizat n cadrul investigaiilor

7.1.2. Prezentarea sistemului utiliznd camere HDRC cu sincronizareextern. Subsistemul de msur a mrimilor analogice

Pentru studierea fenomenelor fizice din arcul electric n curent pulsat se impuneanaliza riguroas a transferului masic. S-a realizat n acest scop un echipamentcomplex format dintr-un echipament de filmare ultrarapidi un sistem computerizat demsurare sincronizat a parametrilor electrici ai arcului. Camera video digital permitefilmarea cu o vitez de peste1000 cadre/sec, direct n zona arcului de sudare, friluminare suplimentar, camera fiind de tipul C-MOS logaritmic. Pentru obinerea uneiimagini corespunztoare s-a utilizat un sistem optic MACRO 6X. Realizarea practic asistemului a fost fcut utiliznd instrumentaia virtual, pe baza pachetelor softwaredezvoltate de firma National Instruments: Labview (varianta 7.0) i Vision DevelopmentModule (varianta 6.0). Acesta permite analiza tuturor etapelor procesului de sudare,inclusiv a transferului masic, fr a utiliza o surs adiional de lumin. n plus, esteposibil, msurarea sincronizat a curentului de sudare i a tensiunii de sudare, ntimpul nregistrrii imaginilor i prelucrarea statistic a acestora (valori medii, etc.)[62,64,65,66,67,69,78,80,83].

Elementele componente ale sistemului sunt (fig. 7.1):9 Subsistemul de msurare a mrimilor analogice;9 Echipamentul de filmare ultrarapid cu camer CMOS cu dinamic ridicata

(HDRC) [152];9 Unitatea de calcul specializat;9 Soft integrat de comand pentru instrumentaie virtual, realizat n Labview i

Vision Development Module [159];9 Sistem de deplasare a tablelor (pieselor) sudate;9 Surse de sudare sinergic ESAB ARISTO 2000, cap de sudare cu dispozitivul

de poziionare aferent [161,162].

Figura 7.1. Stand experimental - Elemente componente


21/42

- 21 -

Subsistemul de msur a mrimilor analogice are n componen sa urmtoarelesubansamble:9 Traductoarele pentru msurarea valorilor curentului de sudare, Is, tensiunea arcului

LT 505 S de producie LEM, Ua, viteza de avans va i viteza de sudare;9 Modulele de condiionare de semnal i separare galvanic;9 Placa de achiziie date;9 Blocul conector care face legtura dintre elementele senzoriale i placa de achiziie.

Cabluri de date;9 Surse de alimentare exterioare (pentru traductoare de curent, module de

condiionare);9 Unitate central de calcul mpreun cu accesoriile aferente.

7.2. Echipamentul de fi lmare

Avnd n vedere sistemele prezentate n capitolul 6 i evoluia performaneloractuale ale camerelor C-MOS HDRC, comparativ cu preul de cost, am ales realizareasistemului nostru cu un astfel de tip de camer (fig. 7.1).

Camerele C-MOS actuale au o rezoluie ridicat, viteza mare de filmare, dinamica-optic ridicat (optical dinamic range), posibiliti multiple de sincronizare, transferultrarapid de date pe magistrale dedicate de tip C-link.

Echipamentul de filmare este alctuit din:9 Filtre de polarizare i interferen;9 Camer CMOS HDRC cu surs de alimentare, trepied i cablu de date aferent;9 Ansamblul optic macro;9 Plac de captur imagine;9 Modul de sincronizare.

n continuare, vom prezenta aspectele legate de alegerea i tipul fiecrei

componente n parte.

7.2.1 Sistemul de fi ltrareSistemele video i cele cu vedere artificial se bazeaz pe dispozitive electronice

de achiziie a imaginii care de obicei au un raport semnal-zgomot cuprins ntre 8 i 12bii. Dei este suficient pentru multe aplicaii, n cazul sudrii se impune cretereaacestui raport prin metode de optice filtrare, datorit faptului c n cmpul vizual suntregiuni extrem de luminoase.

7.2.2. Camer C-MOS cu senzor LIN-LOG 2

La ora actual exist mai muli productori care comercializeaz camere de tipHDRC. n acest sens putem aminti urmtoarele tipuri de camere[1,2,3]: 1M-150-SA(DALSA), HDRC 4 camera (Kamera Werk), CCF1000 (C-CAM Technologies), iMVS-155 (FAST COM Technologies) i MV-D 1024-160 (Photon Focus).

Bineneles c exist diferene de la productor la productor. Toate au n comunns, tipul senzorului, CMOS logaritmic, domeniul dinamicii optice (120dB), adic potfilma direct n zone cu luminozitate foarte puternic. Fcnd o analiz a ofertei existentepe pia, am considerat drept o soluie optim, alegerea camerei de tip MDV-1024-160de la Photon Focus [149,153].

7.2.3. Sistemul optic-macroPentru a obine imagini cu o claritate bun, n condiiile n care dimensiunile

picturilor analizate nu depesc cu puin un milimetru iar aria vizual este de maxim 15mm la o distan obiectiv-arc sudare de 200 mm, am utilizat un sistem optic macro 6X.


22/42

- 22 -

7.2.4. Placa de captur microEnable IIIPrincipala caracteristic a acestei plci de captur inteligente, utilizat n sistemelede procesare n timp real a imaginilor, o reprezint flexibilitatea prii hardwarebazat pe tehnologia FPGA (procesor FPGA Xilinx Spartan 2).

7.4. Soft integrat de comand pentru instrumentaie virtual

Softul integrat de comand pentru instrumentaie virtual a fost realizat nLabView i Vision Development Module, pachete software ale firmei NationalInstruments. Interfaa utilizator conine meniurile (descrise n subcapitolele urmtoare):

+ meniul de configurare a parametrilor de achiziie de date Configuration, cuajutorul cruia se stabilesc urmtoarele mrimi de intrare analogice,

+ meniul de achiziie a parametrilor analogici Acquisition, cu ajutorul cruia sepot msura pn la opt mrimi electrice n mod de lucru diferenial (16 unipolare).Mrimile msurate sunt reprezentative grafic att scalat ct i n mrimi reale (valorifurnizate direct de traductoarele din procesul de sudare);

+ meniul de achiziie de imagine Image ACQ, prin intermediul cruia se

configureaz parametrii de funcionare ai plcii de achiziie imagine i al camerei+ meniul de sincronizare ntre cadrele de imagine i mrimile analogice SYNC

Image & ACQ, prin care este realizat analiza ntre imaginile transferului masic iparametrii regimului de sudare (obinute anterior)

+ meniul de analiz de imagine Image Analisys cu ajutorul cruia este realizatanaliza parametrilor de imagine pentru fiecare cadru n parte. Acest lucru este fcut prinfunciile implementate n pachetul software IMAQ Vision aproximativ 200 de func ii deanalizi procesare de imagine

Figura 7.10. Meniul Figura 7.12. Meniul SYNC Figura 7.13. MeniulAcquisition Image & ACQ Image Analisys

7.6. Sistem de deplasarea a tablelor sudate

Pentru obinerea vitezei de sudare s-a optat la varianta de deplasare a tablelor(capul de sudare este fix). S-au realizate dou tipuri de dispozitive de deplasare: unulcu micare de rotaie i altul cu micare de translaie.

La ambele dispozitive micrile se pot regla, n mod continuu, printr-un variator deturaie. Determinarea vitezei de sudare se face printr-un traductor de tip tahogenerator.Schema de comand a instalaiei de sudare trebuie s realizeze acionarea saniei nambele sensuri concomitent cu cuplarea sursei de sudare i a dispozitivului de avans.De asemenea, viteza de sudare trebuie s fie reglabil n domeniul 0,1... 1,5 m/min.

Acest lucru impune utilizarea unui variator de turaie pentru alimentarea motorului careacioneaz sania. Varianta de schem realizat, utilizeaz elemente clasice cu relee iarpentru variator s-a optat la unul dintre modelele prezentare anterior.


23/42

- 23 -

CAPITOLUL 8. TESTAREA SISTEMULUI DE ACHIZIIE DE DATE IA CAMEREI DE FILMARE

8.1. Testarea sistemului de achiziie de date utiliznd osciloscopul digitalTektronics TDS 2012 i pachetul software Wavestar

8.1.4. Metode de msurare a curentului de sudareLa sudarea n curent pulsat trebuie surprinse att variaiile ultrarapide care apar ntimpul curentului de puls i al curentului de baz ct i msurarea valorilor efective imedii ale curentului.

Curentul se msoar n principal prin intermediul a dou efecte: cderea rezistivde tensiune i cmpul magnetic generat.

Cum la procedeele de sudare cu arc electric curentul de sudare are valori foartemari, de la zeci la sute de amperi, pentru msurarea curentului trebuie s avem nvedere felul componentelor acestuia: continue sau/i alternative.

Avnd n vedere faptul c sunt cunoscute principiile i metodele de msurare a

curentului de sudare continuu i alternativ, n continuare, vom prezenta limitele careapar n utilizarea unturilor de curent, transformatoarelor de curent, la msurareavalorilor efective i instantanee a curentului pulsat.

8.1.5. Senzor HallDin prezentarea fcut anterior a rezultat, aa cum era de ateptat, faptul c

pentru msurarea curentului pulsant nici unul dintre traductoarele analizate nu estecompatibil cu scopul propus. Rezultate foarte bune se obin la msurarea curentuluiDC i AC, utiliznd traductoare Hall n bucl nchis. Am ales pentru realizareaexperimentelor utilizarea unui traductor din aceast categorie de tip LT 505-S, producieLEM

i un traductor de serie A, produc

tor Hinode.

Se remarc un timp de rspuns, n regim dinamic foarte bun, valoarea timpului derspuns fiind de 1, respectiv 5s. Acest lucru permite realizarea unei benzi de frecvende 150 respectiv 25 KHz. Aceste valori dau posibilitatea traductoarelor s furnizezevalori pentru curentul msurat, n condiiile n care acesta are variaii foarte rapide.

8.1.6. Calibrarea sistemului de achiziieAu fost realizate mai multe serii de msurtori folosind sistemul format din:a) surs sudare LUD 320;b) dispozitiv de sudare cu micare de rotaie;c) sistem de msur compus din: traductoare LT 505S, Hinode serie A, osciloscop

Tektronix TDS 2012, echipat cu interfa comunicaie serial cu computerul de tip TDS2CMA;

d) surs alimentare 15V, traductor curent, mpreun cu rezistene de msur de60, respectiv 5k;

e) dispozitiv msur parametri regim tip Welding BOX, care permite msurarea imemorarea a valorilor curentului i a tensiunii. Pentru a se realiza msurtori n regimdinamic, corespunztoare curentului pulsat, a fost modificat schema electronic aaparatului, nlturndu-se condensatoarele din circuitul de intrare, care realizau o filtrarea semnalului achiziionat;

f) soft prelucrare semnal WaveStar (Trial Version).

S-au realizat probe sudate, prin procedeul MIG-P, prin depunerea unor cordoanepe o tabl cu grosimea de 10mm, cu o vitez de avans va = 6m/min, diametrul srmei de= 1,2 mm, gaz de protecie AR+20%CO2, debit de gaz 18 l/ min.


24/42

- 24 -

S-au urmrit forma i mrimea curentului de puls i s-a comparat cu formeleobinute n condiii de laborator realizate cu ajutorul altor sisteme. S-au msurat,utiliznd marcherii de pe osciloscop, valorile caracteristice curentului de puls i s-aucomparat cu cele furnizate de sistemul de msur al sursei.

Se poate observa c pe valoarea de puls exist neuniformiti ale curentului,pulsaia acestora fiind de 2,6688KHz, amplitudinea fiind de aproximativ 15A. Deasemenea, s-a constatat o variaie a valorii medii de puls, lucru explicabil datorit

modificrii distanei, pies de contact-pies de sudat.Softul WaveStar furnizeaz, n diferite forme, o cantitate mare de informaii care

permite analiza semnalelor achiziionate. Exportul datelor se face n fiiere compatibileMicrosoft Excel i sub forma de capturi de ecran al osciloscopului.

8.2. Testarea i alegerea vitezei optime de filmare pentru cameraultrarapid MV-D-1024-160

Pentru a putea obine informaii ct mai clare din spaiul arcului electric de sudare,avnd n vedere dimensiunile reduse ale acestuia (zona filmat-30x30mm), ct i

luminozitatea excesiv a arcului electric, au fost efectuate numeroase teste n care auurmrit:

- stabilirea distanei optime ntre camera i zona arcului (ntre 180 i 300mm);- stabilirea setrilor diafragmei (nivelul ales a fost cel minim) i a nivelului de

macro pentru obiectiv (nivelul ales a fost cel maxim);- alegerea optim a filtrelor (polarizare 3 buc+ filtru n IR-720nm);- setarea corect a camerei (alegerea tipului de expunere, a dimensiunilor imaginii

formate pe camer, vitezei de filmare i a nivelelor de expunere LL1 i LL2)Pentru setarea camerei i pentru filmarea efectiv s-au utilizat softurile dedicate

ale acesteia. Aceste setri sunt prezentate n figura 8.10.

Figura 8.10. Meniul de comand pentru camera MV-D-1024-160

Iniializarea, comanda i alocarea canalului pe magistrala de transfer Camera

LINK, s-a fcut cu aplicaia software PFRemote. S-a observat c la o valoare arezoluiei de 512x512 pixeli, viteza de filmare este de 584 cadre/secund. Dacrezoluia scade la 256x256, viteza de filmare crete la 2293cadre/secund. Imaginilenregistrate au fost exportate i salvate n calculator, n format BMP.


25/42

- 25 -

CAPITOLUL 9. CERCETRI EXPERIMENTALE PRIVINDCORELAIILE DINTRE PARAMETRII REGIMULUI DE SUDARE

MIG-P CU DIAMETRUL PICTURILOR I GEOMETRIA ARCULUI

9.1. Introducere

n cadrul acestui capitol se prezint determinrile experimentale, analizarezultatelor ct i interpretarea acestora, efectuate n vederea studierii transferuluipicturilor la sudarea MIG cu curent pulsat.

S-au realizat: Analiza regimurilor sinergice, n varianta standard, trasarea curbele sinergice

de funcionare pentru transferul TPP. Cercetri asupra variaiei diametrului picturii n diferite faze dintr-un ciclu de

transfer; Corelaii ntre parametrii regimului de sudare n curent pulsat cu geometria

arcului i diametrul picturilor.

9.1.1. Datele de intrare a determinrilor experimentaleDeterminrile experimentele au fost realizate utiliznd acelai material de baz, tip

de srm electrod i gaz protector. Au fost folosite dou modele performante deechipamente de sudare i anume ESAB ARISTO 2000 dotat cu sursa de sudare LUD320 i CLOOS QUINTO 1. Procedeul de sudare utilizat a fost MIG n curent pulsat,compoziia gazul de protecie fiind 82% Ar i 18% CO2 (Corgon 18).

Tablele folosite au fost din oel de uz general pentru construcii S235JR /OL 37, cudimensiunile de 200x300x10 mm. Probele sudate au constat n depunerea unorcordoane, n rnduri paralele la distane de 5mm cu diferite regimuri, n poziie

orizontal utiliznd srm plin tip OK Autrod 12.51, cu diametrul de = 1,2 mm.Comanda sursei a fost realizat de ctre sistemul de msurare i filmare sincronprintr-un contact de tip releu.

S-au msurat curentul, tensiunea i viteza de avans, viteza de sudare i debitul degaz. La sursele moderne pentru sudare exist posibilitatea nregistrrii i memorrii(monitorizrii) valorilor principalilor parametrii de sudare furnizai, direct de ctremodulele specializate de msurare din surs. Acestea ulterior se pot exporta pe suportelectronic sau transmite prin reea sub form de liste (se utilizeaz n acest scop un softdedicat propriu sursei). n vederea obinerii unor rezultate corecte, se poate face o dublmsurare.

9.1.2. Analiza regimurilor sinergice standardPentru a asocia variaiile diametrului picturilor cu parametrii de regim au fost

analizate regimurile sinergice, n varianta standard, trasndu-se curbele sinergice devariaie. Determinarea regimurilor sinergice s-a realizat prin dou metode. Acestea, nprima situaie, au fost extrase din memoria sursei de sudare (n cazul sursei LUD 320acetia pot fi sunt vizualizai la comutarea regimului de sudare din regim sinergic nregim manual) sau n cea de-a doua, au fost determinai experimental prin msurare ioscilografiere (s-au obinut experimental plecnd de la cteva puncte de funcionare iindicaiile asupra reglrii parametrilor de puls, din manualul de utilizare a sursei Quinto1)[163].

S-a realizat o analiz comparativ a stabilitii transferului pentru cele dou tipuride reglaje ale caracteristicii sursei U-I i I-I (sursa ESAB nu are dect reglaj I-I pe curentbazi I-I pe curent puls).


26/42

- 26 -

n figura 9.1 se prezint variaia parametrilor de puls sinergici pentru sursa desudare ESAB LUD 320 cu viteza de avans va, pentru un timp de puls constant tp = 2,2ms. n tabelul 9.1 sunt prezentate valorile efective pentru parametrii de puls, la diferitevalori ale vitezei de avans, va.

Regimurile sinergice n funcie de viteza de avans pentru sursa

de sud are ESAB LUD 320, tp = 2,2 ms

0

100

200

300

400

500

600

700

0 5 10 15 20 25

va [m/min]

Ua[V],Ip[A],f[Hz],Ib[A]

10*Ua V

Ip A

f Hz

Ib A

Regimurile sinergice n funcie de vi teza de avans pentru sursa de

sudare QUINTO 1, tp = 2,1 ms,

Caracteristic I-I

0

100

200

300

400

500

600

3 4 5 6 7 8 9 10 11

va [m/min]

Ua[V],Ip[A],f[Hz],Ib[A

10*Ua [V]

Ip [A]

f [Hz]

Ib [A]

Figura 9.1. Variaia parametrilor de puls, n

regim sinergic, pentru sursa ESAB LUD 320n funcie de viteza de avans; tp= 2,2 ms

Figura 9.3. Valorile parametrilor de puls, n

regim sinergic, pentru sursa Quinto 1

Din analiza variaiilor parametrilor sinergici de puls, se constat c dependenelesunt relativ liniare, uor cresctoare odat cu creterea vitezei de avans a srmeielectrod. Excepie face, n cazul reglrii caracteristicii de tip U-I, variaia curentului depuls Ip, a crui valori scad uor odat cu creterea vitezei de avans.

9.2. Cercetri asupra variaiei diametrului pictur ii n di ferite faze a unuiciclu transfer

Aa cum s-a prezentat n capitolul 4, n majoritatea studiilor care fac analizatransferului masic la sudarea MIG-P, picturile sunt considerate sferice. nsui modul dereglare a regimului sinergic la sursele moderne are la baz ipoteza c diametrul picturiieste aproximativ egal cu diametrul srmei electrod, pictura fiind sferica. Dup cum seprezint n figura 9.4, pictura are o form neregulat suferind puternice variaii att caform, mrime, vitezi acceleraie momentan ct i o traiectorie variabil fa de axaelectrodului. Se poate afirma faptul c, utiliznd algoritmi rapizi i compleci de reglarese pot impune i controla valorile pentru diametrele picturilor n formare, pn n fazade desprindere. Odat formate, datorit ruperii echilibrului de fore care acioneaz

asupra picturilor, acestea se desprind i sunt transferate n zbor liber prin spaiularcului electric. n aceasta faz, controlul geometriei i mrimii picturilor este foartegreu de realizat.

Msurarea picturilor dintr-un ciclu de transfer se poate realiza utiliznd imaginileachiziionate prin sistemul de filmare ultrarapid folosind metode statistice. Trebuieprecizat faptul c pe ntreg lanul de prelucrare i achiziie imagine, plecnd din faza defilmare pn n cea final de msurare a diametrului picturii, apar erori. Acestea se potdatora sistemului optic, unghiului de poziionare a camerei, erorile introduse de senzorulcamerei sau a modului de msurare pe imaginile obinute.

Se impune deci realizarea unei analize a variaiei dimetrul picturilor att n cadrul

unui ciclu de transfer, ct i pe parcursul mai multor cicluri succesive, la transferul de tipTPP i calcularea abaterilor fa de valoarea medie. n continuare se prezint variaiadiametrului picturii n trei stadii dintr-un ciclu din transfer, calculndu-se diametrulmediu echivalent al picturii, deviaia de la medie (dispersia) i abaterea medie


27/42

- 27 -

ptratic. n figura 9.4 se prezint ciclul de transfer analizat. n tabelul 9.4 i 9.5 seprezint deplasrile picturilor ntre dou cadre de imagine succesive, valoare carepoate fi utilizat pentru calculul vitezei picturii i a acceleraiei momentane a acesteia.

Figura 9.4

Tabelul 9.4 deplasrile picturilor ntredou cadre de imagine succesive

dpx [mm] 1,56

dpy [mm] 1,44

y1 [mm] 0,362602

y2 [mm] 0,383322

Ltrangulare 1,013881

lstrangulare 0,567056

Tabelul 9.5 Deviaia i abaterea medieptratic pentru un ciclu de transfer

Pictura dp_med[mm] deviatia[mm]1 1,314 -0,0122 1,413 0,086

3 1,252 -0,074Abaterea medie ptratic: 0,080771

a) b)Figura 9.10. a) Separarea picturii prin filtrare a imaginii picturii transferate; b) direcii de

msurare a diametrului picturii nr. 3 din ciclul de transfer

1,316

1,188 1,187

1,243

1,2791,253

1,300

1,25

1,10

1,15

1,20

1,25

1,30

1,35

1 2 3 4 5 6 7

Nr. msurtoare

diametrulpicturii[mm]

dp

Valoarea medie a dp

Figura 9.11. Variaia diametrului picturii instantanee 3i deviaia de la valoarea medie

Analiznd graficele prezentate n figurile 9.7-9.11 se constat

faptul c

peparcursul unui ciclu de transfer, variaia formei picturii de la sfericitate este mai mare nzona de mijloc a arcului i mai redus n imediata vecintate a bii metalice. Este dedorit ca, pe ct posibil, s se asigure pentru picturile transferate o form ct mai


28/42

- 28 -

regulat, apropiat de cea sferic, astfel nct s se realizeze o baie de sudur calm,cu volum redus i un cordon uniform, de calitate.

Utiliznd relaia de calcul (5.16) se poate determina o valoare pentru diametrulteoretic al picturii. Valoarea rezultat n urma calculului este:

dp teoretic = 0,93mmPentru a verifica aceasta valoare s-a realizat analiza variaiei diametrului picturii

i determinarea diametrului echivalent pentru mai multe cicluri succesive de transfer tip

TPP. Valorile msurtorilor sunt prezentate n Anexa 4, iar parial, pentru ciclu 1analizat, n tabelul 9.11, graficul de variaie a diametrului picturii prezentndu-se nfigura 9.11.

Valoarea medie cumulat pentru cele 9 cicluri analizate este de: dp echiv = 1.03 mmSe poate spune c, n ansamblu, pentru ntreg ciclul de lucru, unde numrul

picturilor este foarte mare, variaia diametrului mediu al picturii fa de valoareacalculat impus, este relativ redus (ntre 5 i 10%).

9.3. Corelaii ntre parametrii regimului de sudare n curent pulsatgeometria arcului i diametrul picturilor

n cadrul determinrilor experimentale s-au realizat corelaii ntre parametriiregimului de sudare n curent pulsat, pe de-o parte, i geometria arcului i diametrulpicturilor, pe de alta parte. Aceste corelaii au urmrit influena separat a Ip, tp, Ib, tbif, asupra evoluiei geometriei arcului i anume a lungimii arcului - larc, diametruluisuperior al arcului (pe vrful electrodului) - da1 i diametrului inferior al arcului (pesuprafaa tablelor) - da2 ct i asupra dimensiunilor picturilor transferate (dp).

n cadrul determinrilor experimentale s-a utilizat sursa de sudare ESAB-LUD 320.

Au fost depuse un numr de 26 de cordoanele de sudur (primul fiind de testare)pe o singur tabl. Parametrii de sudare sunt centralizai n tabelul nr. 9.12. Viteza deavans a srmei a fost meninut constant la valoarea de va=6m/min. Toi parametrii depuls au fost modificai n seturi de cte 5 valori, realizndu-se dou depuneri la care


29/42

- 29 -

parametrul variabil are valori peste cea corespondent regimului sinergic, respectivdou depuneri cu valori inferioare regimului sinergic.

Prezentarea rezultatelor efectuate asupra imaginilor filmate, n urma prelucrrii,analizei i msurtorilor (sub form de poze succesive n format bitmap) s-a fcut ntabelele din anexa 1. n aceeai anex este prezentat tabla cu cordoanele depuse (fig.A1.1). Un exemplu pentru patru cicluri de transfer este prezentat n fig. 9.12. Modul delucru:

1. s-au identificat intervale de variaie pentru toi parametrii de regim; trebuie inut contde faptul c la sudarea n curent pulsat se face ntr-un domeniu foarte ngust pentruvalorile curentului mediu de cca. 200-300 A. Pentru fiecare parametru s-au luat seturide cte 5 mrimi;

2. s-a stabilit valoarea optim pentru fiecare dintre acetia (regimuri sinergiceimplementate n surs);

3. s-au pstrat pe rnd cte un parametru constant i s-au modificat parametrii de puls:Ip, tp, Ib, tb (pentru tb, indirect prin variaia frecvenei, f);

4. s-au msurat pentru fiecare proba, valorile instantanee ale curentului i tensiunii(puterea instantanee a arcului);

5. s-au msurat elementele geometrice ale cordonului: supranlare, lime, ptrundere(pentru prelucrri statistice ulterioare susinerii tezei) ;6. s-a urmrit corelaia dintre viteza de avans a srmei i diametrul picturii;7. s-a studiat influena variaiei distanei dintre capul de sudare i pies (modificarea

distanei pies de contact i metalul de baz conduce la modificarea lungimii libere asrmei electrod i ntr-o mai mic msur a lungimii arcului de sudare), i geometriaarcului i diametrul picturilor.

S-au urmrit:- tipul transferul masic i dac acesta este n regim puls-pictur, TPP;- diametrul, volumul, forma, viteza picturilor i traiectoria acestora;

- geometria arcului (lungime, lime) i modificrile de forma aprute;- corelaia dintre viteza de avans a srmei i diametrul picturii;- influena variaiei distanei dintre capul de sudare i pies (modificarea distanei pies

de contact i metalul de baz conduce la modificarea lungimii libere a srmeielectrod i ntr-o mai mic msur a lungimii arcului de sudare) i geometria arcului idiametrul picturilor.

Figura 9.12. Exemplu de cicluri de transfer utilizat n anexa A1


30/42

- 30 -

Utiliznd valorile centralizate din Anexa 1, au fost mai nti trasate graficele(utiliznd Microsoft Excel) care prezint modul de variaie pentru diametrul picturii - dp,lungimea arcului - larc, diametrul superior al arcului - da1, diametrul inferior al arcului -da2, n funcie de fiecare parametru de puls modificat: curentul de puls - Ip , curentul debaz - Ib, timpul de puls - tp, frecvena curentului f i tensiunea arcului - Ua.

Din analiza graficelor prezentateobserv faptul c ntre parametrii de

puls i diametrului picturii - dp,lungimii arcului - larc, diametruluisuperior al arcului - da1 i diametruluiinferior al arcului - da2 exist, cu miciexcepii, variaii neliniare. n vedereastabilirii unor corelaii ntre mrimileamintite anterior s-a recurs la metodede analiza statistic.

Metoda de determinare avariaiei parametrilor de puls cu

caracteristicile geometrice ale arculuii picturii de metal topit a folosit ometod statistic utiliznd software-ulprofesional OriginLab 8.0.

Funcia de regresie utilizatpentru determinarea curbelor de

dependen a parametrilor de puls cu caracteristicile geometrice ale arcului i picturiide metal topit este urmtoarea:

xbcayF = (9.1)Curbele de variaie sunt neliniare cu o caracteristic exponenial asimptotici

utilizeaz pentru constantele a, b i c valorile: a = 1; b = 1 i c = 0,5.S-au estimat parametrii ecuaiei modelului cu ajutorul metodei celor mai mici

ptrate. n tabelul 9.13 sunt prezentate valorile coeficienilor a, b i c din ecuaia deregresie pentru determinarea curbelor de variaie a parametrilor de puls cu diametrulpicturii ct i Modelului statistic pentru determinarea curbelor de variaie a parametrilorde puls cu diametrul picturii.

n mod similar se pot extrage din acelai software OriginLab 8.0 valorileprezentate n tabelul 9.13, pentru celelalte caracteristici geometrice a arcului, respectivlarc, da1i da2.

Tabelul 9.13. Valorile coeficienilor a, b i c din ecuaia de regresie pentru determinareacurbelor de variaie a parametrilor de puls cu diametrul picturiia b c Statistic

ValoareEroareastandard Valoare

Eroareastandard Valoare

Eroareastandard

Abaterea medieptratic

Ip -2,02763 -- 0,19457 -- -0,003 -- --

Ua -11,98812 8,34457 0,06075 0,03489 -6,99024E-5 3,63601E-5 0,93358

f -2,73863 2,91922 3,60924 2,80048 -0,82701 0,66823 0,42967

Ib 1,87167 1,85286 -0,01265 0,03274 5,22727E-5 1,42524E-4 -1,33921

tp 1,065 2,32924 -0,01369 0,08435 2,41477E-4 7,56317E-4 0,7914

Analiznd figurile 9.19 - 9.20 n care sunt prezentate corelaiile ntre parametrii de

0

2

4

6

8

10

12

420 440 460 480 500 520 540

Ip[A]

dp;larc;da1;da2;[mm]

dp [mm]

larc [mm]

da1 [mm]

da2 [mm]

Figura 9.13 Variaiile diametrului picturii-dp,lungimii arcului-larc, diametrului superior al

arcului-da1i diametrului inferior al arcului- da2, nfuncie de curentul de puls-Ip


31/42

- 31 -

puls i diametrul picturii se contat urmtoarele:- se observ c odat cu creterea curentului de puls se nregistreaz o

descretere semnificativ a diametrului picturii, fapt explicabil prin aceea cexist o cretere a valorii forei Pinch pn spre domeniul transferului spray;

- se constat faptul c odat cu modificarea frecvenei, diametrul picturii arevariaii nesemnificative de descretere;

- odat cu creterea timpului de puls se observ o cretere sensibil a

diametrului picturii;- creterea curentului de baz conduce la creterea diametrului picturii;- tensiunea arcului duce la descreterea diametrului picturii.Utiliznd valorile centralizate din Anexa 2, au fost trasate dependenele care

prezint modul de variaie a parametrilor geometrici ai arcului electric i diametruluipicturii n funcie de diferite viteze de avans a srmei, n cazul sursei Quinto 1.

S-au utilizat dou valori ale distanei duz-pies (lungimea arcului + lungimealiber a srmei), respectiv 15mm i 18 mm, pentru cele dou tipuri de caracteristici dereglare ale sursei de tip U-I i I-I .

Figura 9.19. Corelaii ntre parametrii de pulsi diametrul picturii, rezultate experimentaleFigura 9.20. Corelaii ntre parametrii de pulsi diametrul picturii, regresie exponenial

Figura 9.27. Exemplu de patru cicluri de transfer utilizat n anexa A2, pentru Quinto 1


32/42

- 32 -

Fig. 9.28. Corelaii ntre parametrii de pulsi viteza de avans, ldp= 15 mm, Quinto 1

CAPITOLUL 10. OPTIMIZAREA REGIMURILOR SINERGICE LASUDAREA MIG N CURENT PULSAT

n acest capitol se prezint metodologia practic de optimizare a regimurilorsinergice. Procedeul de sudare pentru care se face exemplificarea este sudarea MIG ncurent pulsat, utilizndu-se o instalaie Aristo 2000.

O singur srm, un singur gaz, un singur echipament, reprezint un conceptcare i gsete aplicabilitate n condiiile restructurrii industriei romneti, prindezvoltarea ntreprinderilor mici i mijlocii.

n condiiile n care se dorete dezvoltarea unor noi linii sinergice, altele dect celeimplementate de productor, trebuie realizate un numr considerabil de determinriexperimentale. Aceste determinri au n vedere realizarea urmtoarelor obiective:

cordonul sa fie cu o geometrie adecvata, cu aspect ct mai uniform, cu

proprieti mecanice sporite; arc linitit, fr iregulariti, mprocri n condiiile asigurrii unei lungimi

constante a arcului; vitez de sudarea ct mai mare; consum minim de material de adaos, gaz protector; raport pre/calitate corespunztor; cantitate minim de fum, noxe.Dac o parte dintre cerinele impuse pentru obinere a unei mbinri sudate de

calitate sunt rezolvate prin utilizarea unor surse performante, optimizarea cuplului deparametri Ua, Is, va, vs, dcp reprezint sarcina tehnologilor sudori.

n mod clasic, stabilirea regimurilor sinergice la sudarea MIG-P este fcut numaiprin determinri experimentale, urmrindu-se toate aspectele de mai sus. Aparent,pentru o surs performant, n condiiile existenei unei anumite experiene la sudarea

n curent pulsat, modificarea acestor regimuri ar trebui s se fac uor. n sprijinulacestei activiti, de altfel laborioas, exist o diversitate de materiale documentare ncare sunt prezentate indicaii privind alegerea parametrilor tehnologici la sudarea MIG ncurent pulsat. Din acestea se pot desprinde o serie de concluzii precum:

fiecare regim este specific tipului de surs utilizat; regimurile prezint mari variaii de la productor la productor n funcie de

modalitatea de reglaj i tipurilor de caracteristici de reglaj pentru Ip i Ib (CV-CC, CC-CC);

pentru acelai tip de surs, chiar dac exist o plaj larg de reglare aparametrilor arcului pulsat, n fapt, acest lucru este limitat la maxim 20%,


33/42

- 33 -

parametrii fiind interdependeni. Astfel, variaiile cele mai mici, (la anumitesurse sunt meninui chiar constani), le au parametrii de puls, Ip, tp, datoritfaptului c acetia sunt responsabili n mod direct de obinerea transferului nregim puls-pictur - TPP.

Variaiile pentru parametrii Ib , tbi f sunt de pn la 30% ntre valorile minime imaxime. Este important de subliniat faptul c i n condiiile obinerii unui cordoncorespunztor, se poate ntmpla ca sudarea s se fac cu un transfer diferit de TPP.

Transferul depinde n mod direct (gazul de protecie fiind corgonul) de parametrii depuls ct i de distana duza de contact pies de sudat dcp, viteza avans va. Odatselectate valorile pentru va i Ua regimul impus pentru ceilali parametri las foartepuine posibiliti de reglaj.

Dezvoltarea conceptului o singur srm, un singur gaz, un singur echipament,n condiiile utilizrii sursei ARISTO 2000 i a procedeului de sudare MIG n curentpulsat, presupune rezolvarea mai multor probleme. Una dintre acestea o reprezintoptimizarea regimurilor pentru sudarea tablelor subiri, printr-o singur trecere. Ideal ar fica sudarea s se fac cu o vitez mare, rezultnd o rat de depunere ridicat.Bineneles c n situaia sudrii tablelor subiri, se aleg n mod obinuit, srme cu

diametru mic, de 0,8-1 mm, eventual sudarea MAG-CO2 cu transfer short-arc. Ambelevariante prezint dezavantaje.Pentru sudarea tablelor subiri, utiliznd curentul pulsat, n scopul obinerii unei

treceri cu arie ct mai redus, se va folosi o vitez de sudare sporit ct i valori alecurenilor Ip, Ib reduse.

La sudarea mecanizat, utilizarea unor viteze mari de sudare reprezint o condiieuor de realizat. La sudarea semimecanizat, creterea vitezei de sudare vs peste oanumit limit, ridic probleme de manualitate. Soluia ar fi modificarea cuplului Ip, tp, Ib,tb astfel nct regimul rezultat s fie moale, presiunea dinamic a arcului i vitezapicturilor mai mici, ptrunderea redus, limea cordonului mai mare, arcul mai puin

zgomotos [61,63].Soluia o reprezint gsirea regimurilor curentului pulsat prin metode clasice, cares satisfac obiectivele de calitate amintite mai sus i apoi validarea acestora ncondiiile n care transferul masic este corespunztor, de tipul TPP. n esen, aceastareprezint optimizarea regimurilor de sudare n curent pulsat. n final, se ob in cordoanecu o geometrie i cu un aspect corespunztor (figura 10.3a), n condiii de calitatecrescute i costuri minime.

Pentru a putea stabili regimurile de sudare optime, specifice transferului TPP,altele dect cele existente n softul sursei, s-au parcurs urmtorii pai:

1. S-au selectat pentru domeniile uzuale ale vitezei de avans, va = 4-10 m/min,

toate combinaiile sinergice posibile, nregistrate n programul sursei;2. S-au stabilit valorile minime i maxime ai parametrilor curentului pulsat;3. S-au urmrit corelaiile dintre acestea;4. n funcie de grosimea tablei s-a stabilit valoarea curentului de sudare Ief . Pentru

valoarea aleas anterior, s-au selectat valorile sinergice cele mai apropriate de celetrecute n tabelele 10.1, 10.2 i 10.3. Pentru curentul de baz, valoarea minim s-a alesastfel nct, s se asigure meninerea arderii arcului iar pentru curentul de puls s-a avutn vedere ca valoarea s nu fie sub nivelul curentului de tranziie Itr [61];

5. Au fost realizate mai multe probe, urmrindu-se obinerea unui cordon cu ogeometrie corespunztoare i cu aspect ct mai uniform (fig. 10.3 a,b) ct i variaii

reduse a parametrilor curentului pulsat.6. Pentru regimurile care au dus la realizarea celor mai bune cordoane s-averificat tipul de transfer, prin filmare ultrarapidi s-au fcut ajustrile necesare, astfelnct, acestea s se menin la nivelul TPP.


34/42

- 34 -

Figura 10.3. a) Cordoane necorespunztoarei neuniforme; b) Cordoane corespunztoare

realizate cu parametri de puls sinergici

Figura 10.5. Ciclul transferului masic nregim TPP prin filmare ultrarapid, cu o

vitez de 2000 cadre/sec

CAPITOLUL 11. CONCLUZII GENERALE I CONTRIBUIIPERSONALE

11.1. Concluzii generale

n cadrul tezei de doctorat autorul i-a propus s realizeze o abordare original, amodului n care sunt analizate procesele de sudare cu arc electric, n centrul tuturorcorelaiilor aflndu-se PICTURILE transferate n spaiul arcului.

n acest scop, n prima faz a trebuit realizat un sistem complex care s permitvizualizarea fenomenelor de transfer masic, din spaiul arcului. Acest sistem deinvestigare a arcului electric utilizeaz o metod de filmare directi msurare sincrona parametrilor electrici ai regimului de sudare, cu aplicabilitate, n prim faz, la

investigarea fenomenelor utiliznd sudarea prin procedeul MIG n curent pulsat, MIG-P.Studiul dinamicii picturilor transferate s-a realizat utiliznd diferite modele matematice,verificate ulterior pe baza rezultatelor experimentale.

n Capitolul 1 se prezint teoria arcului electric cu procesele fizice ce au loc ncoloana arcului. Este prezentat descrcarea autonom i conductivitatea gazelorionizate. Este abordati problema ecuaiei de micare a particulelor n arc precum ibilanul puterilor. Sunt prezentate principalele aspecte privind arcul electric de sudare,factorii care difereniaz arcul de sudare faa de arcul electric n general, fenomenele determoemisie descrise prin relaia Richardson-Dushman i importana controluluitemperaturii n plasma arcului de sudare. Se prezint caracteristicile tensiune-intensitate

i tensiune-lungime liber la sudarea n curent continuu. Arcul electric este caracterizati prin potenialele de excitare i de ionizare care sunt prezentate pentru diferiteelemente chimice ce intervin n arcul electric de sudare.

n Capitolul 2 se prezint modelarea matematic a arcului electric la sudarea fri cu transfer masic. Sunt prezentate procesele fizice din zonele i subzonele arculuielectric i s-au scris ecuaiile continuitii masei, ecuaia de energie, transferul vaporilorde metal, ecuaia lui Maxwell, ecuaia lui Saha i ecuaia de stare. Se prezint variaiaconductivitii i vscozitii n funcie de temperatur pentru elementele Fe, Ar, He. Seprezint sistemul ecuaiilor difereniale pariale care descriu coloana arcului i care suntutilizate n simulrile bazate pe controlul numeric. Este prezentat i modelarea

matematic a sudrii cu transfer masic prezentndu-se componentele sistemului desudare i teoria echilibrului static al forelor din arc. Pentru sudarea WIG se prezintvariaia potenialului electric de sudare, cmpul electric la sudare, a densitii de curentdin zona arcului i distribuia de curent dup axele X i Y. Tot pentru sudarea WIG se


35/42

- 35 -

prezint forma suprafeelor echipoteniale i reprezentarea cmpului conduciei termiceapelnd la metoda elementului finit.

n Capi

teza doctorat sudura

Documents