Устройство для контроля качества сварного соединения

СОЮЗ СОВЕТСКИХ.СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 504 В 23 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР С1.м. ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Н АВТОРСКОМУ ТЕЛЬСТВУ паса позвопеньразой с учетом и компаратор теплового ляют точно определять грева свариваемых сте овьппению точ тв дуги, что спос ности контроля динений. 3 ил. варных с ачест зовацо длясоединений цтроля качества еимущественно п дарцай сварке с ных кондецсаторной Целью изо шение течцосеркне ретения и контр ется повыоля качеств а ке иг,1 представлектрической лена структурная модели подвижноема иг.2 струкстройстграммы работь го теплового ля; схема урна а; ц ре аемого временные фиг,3 в, по сигцало устройс ця ющи ицци ва.(56) Авторское свидетельство СССРФ 1291332, кл. В 23 К 11/24, 1985,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВАСВАРНОГО СОЕДИНГНИЯ(57) Изобретение относится радиотехническим и электронным средствамсвязи и может быть использовано вразличных областях пром-ти при ударцостыковой конденсаторной сварке.Цель изобретения - повышение точности контроля качества сварных соединений при ударно-стыковой конденсаторной сварке стержней. Устройство содержит датчики сварочного напряжения сварочного тока и ускорения Изобретение относится к сварочноеу производству и может быть испол,801504038 подвижного электрода, компараторытока, напряжения, ускорения, теплового запаса, Имеется также блок управления режевчами, блок формированияпризнаков качества сварного соединения, формирователи импульсов, блокдиагностической индикации, классификатор, автоматическое исполнительноеустройство, аналоговый перемножительсигналов и электрическая модельАналоговый перемножитель сигналов позволяет определить мощность электрической дуги по выходным сигналам датчиков тока и напряжения. Электрическая модель подвижного теплового поля ыноса металла из зоны электрическо Устройство для контроля качествсварного соединения содержит датчик. сварочного напряжения 1,датчик свароч-, ного тока 2, датчик ускорения подвижного электрода 3, усилитель с переменным коэффициентом усиления 4, компаратор напряжений 5, компаратор тока 6, компаратор ускорения 7,блок управления режимами 8, блок формирования признаков качества сварного соединения 9, формирователи импульсов 10, 11 и канал связи между ними 12, компаратор 13 ускорения выше нормы со входами 14 и 15, элементы И 16 и 17, регистр 18 хранения информастепень влияния выгорания стержней на их тепловое состояние, необходимо знать характер распределения 5температуры вдоль стержней на протяжении всего цикла сварки.Разогрев стержней при УКС относится к процессам нестационарной теплопроводности при подвижной границе приложения тепла. Учитывая то, что за время горения электрической дуги стержень прогревается на незначительную глубину по сравнению с его длиной и то, что тепловой поток, рассеиваемый с поверхности стержня, значительно меньший потока, распространяющегося вдоль его оси,тепловые процессы, возникающие в свариваемых деталях, могут быть описаны 20 уравнением теплопроводности дляполуограниченного стержня дТ д Т дТ- а 2 + 1Д 2 ПЛ где Т - температура;время,а - коэффициент температуропроводностих - пространственная координата,Ч - скорость перемещения границы приложения тепла(скорость оплавления стержней).Начальные и граничные условия,имеющие место при УКС, следующие: Тх = 0 О,х) О Т(х 0) 45где Т- температура в зоне действия электрической дуги, равнаятемпературе кипения. материала стержня; С- время горения электрической дуги.Анализ решения уравнения (1) 50при различных значениях скорости перемещения границы приложения теплаи для различных моментов времени приводит к следующему выводу. Температура вдоль стержня распределяется по закону, близкому к экспоненциальному, причем градиент температуры для одного и того же моментазависит от скорости оплавления - при 3 1504038ции, триггер 19, шины 20-25, блок 2 бдиагностической индикации, классификатор 27, элемент ИЛИ 28, блок 29индикации, автоматическое исполнительное устройство 30, аналоговыйперемножитель сигналов 31, электрическую модель 32 подвижного теплового поля, компаратор 33 теплового запаса.Первый вход аналогового перемножителя сигналов 31 соединен с выходомдатчика 1 напряжения и первым входомкомпаратора 5 напряжения, Второйвход аналогового перемножителя сигналов 31 соединен с выходом датчика2 тока и первым входом компаратора 6тока. Выход аналогового перемножителя сигналов 31 соединен с третьимвходом электрической модели 32 подвижного теплового поля, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом компаратора 5напряжения и с выходом формирователяимпульсов 11. Выход электрической 25модели 32 подвижного теплового полясоединен с первым входом компаратора 33 теплового запаса, второй входкоторого соединен с выходом блокауправления режимами 8, а выход соединен с седьмым входом регистра 18хранения информации и со вторым входом схемы И 17, выход которой соединен как с пятым входом регистра 18,так и с третьим входом классификатора 27Аналоговый перемножитель сигналов31 выполнен на микросхеме 525 ПС 2,Электрическая модель 32 подвижноготеплового поля выполнена на операционных усилителях серии 140, микросхемах 525 ПС 2, полевых транзисторахКП 305, резисторах ПТМН, конденсаторах КСО. Компаратор 33 теплового запаса выполнен на микросхеме СА 1 серии 252.Ударно-стыковую конденсаторнуюсварку (УКС) условно можно разделитна три стадии: возбуждение дуги,горение (теплонасыщение) и осг,.свариваемых деталей. Контроль качества сварных соединений предполагает осуществление контроля процесса сварки на всех ее стадиях.Однако горение электрической дуги при УКС сопровождается фазовымипревращениями в свариваемых деталях,испарением и выносом металла иззоны дуги. Для того, чтобы оценить Т(со,) = 0 съС) О, (2)40 45 50 55 во (растациц последней крутизна кри -вых распределения температуры возрастает, а глубина прогрева соответственно умецьшается. Чем выше скорость выгорация стержня, тем на мец, - шую глубину оц црогревается, следо(ательнс), тем меньшим оказьвается с (ой, аксумулиру)й энергию дугии прициман)ций участие в созданиисварного соединения при соударениидеталей.1 оскольку скорость выгораниястержней пропорцио(альна мощностидуги, а следовател,цо, току в ней,то при очень больпих сварочных токах появляются некачественные сварные соединения стержней - так называемые соединения с "холодными" тор-.цами,Электрическая модель подвижноготеплового поля представляет собойструктурную электрическую модель,реализующую уравнение нестациоцарнойтеплопроводности (1), построеннуюна сочетании КС сетки и вычислительньгх устройств, определяющих первуюпроизводную по расстоянию, умноженную на Ч одновременно для всех узГ(Ллов КС-сетки (фиг.1), Вычислительныеустройства управляют стоками, подключенными в каждом узле КС-сеткии предназначенными для учета состав Тляющей Ч - уравнения (1) в элек" Рхтрической модели подвижного теплового поля. В состав электрической модели входит также узел задания начальных условий, служащий для приведения КС-сетки в исходное состояниеперед запуском электрической моделии представляющий собой набор ключей,замыкающих цепи разряда узловых конденсаторов согласно уравнению начальных условий (2),Устройство работает следующим образом.Сигналы, снимаемые с датчиков сварочного напряжения 1 1, датчикасварочного тока 2 1, поступают насоответствующие входы компараторовнапряжения 5 и тока 6. Сигнал с датчика 3 ускорения подвижного электрода 11 поступает на усилитель 4 спеременным коэффициентом усиления.Сигнал с выхода усилителя 4 поступает на компаратор 1, на которомпроисходит формирование сигнала УСН,определяющего достаточность усилия 10 15 20 25 30 35жития ( )л.(ц Гр)(ге с варнГ ц комцаратс)р 13 усил(я цьппе цс)рмы, ца котором Г(роисходит фс)р)роваГ сигнапа УВ)Н, фиксирующего превьппеци усилия сжатия деталей во время с в,рк(Г;(опустцмого уровня для об; азов,(ця качественного сварного соециения, Опорць(е напряжения, опредеяппя(Г порог и обрабатывация компаратор)в ,6,7,13,33, а также коэфф;(циецт передачи усилителя 4, задан)тся б.оком управлс(я режимами 8 ц зависимости от типа и толщины снариваемых леалей. Тип и толщина свариваемых детацей задаются перед началом процесса сварки с помощью переключателей, установленных на панели управления устройства и коммутирунппих (пепи по,(ачи различных опорных(аря)с циц") ) 1 Оу ) ) 1 ца ко(араторь( 5, 6, 7, 13 и 33 соответствен) (фиг,2), Опорные напряжения вырабатываются в блоке уравлеция режимами 8 ца делителях напряжения, выполненных, цапример,на резисторах. Величины этих напряжений определяют пороги срабатывания соответствующих компараторов, а следоватсльцо, и параметры сигналов ПОН, ПОТ, УСН, УВН и ТЗН. Согласую(ций усилитель 4 имеет переменный коэффициецт усиления, конкретное значение которого задается перед началом процесса сварки с помощью переключателей, установленных на панели управления устройства. Сигнал проговой обработки тока (ПОТ) поступает на формирователь импульса СБРОС 1 О, по переднему фронту которого осушествляется установка в "О" регистра 18. Кроме того, импульс СБРОС с выхода формирователя 10 поступает на вход формирователя 11, где по заднему его фронту вырабатывается синхроимпульс СИ, определяющий временной интервал, в течение которого разрешается запись информации, полученной в результате пороговой и логической обработки сигналов параметров процесса сварки в регистр 18 и триггер 19. Этот же сигнал поступает на вход электрической модели 32 подвижного теплового поля, где размыкаются ключи разряда узловых конденсаторов, чем электрическая модель переводится в рабочее состояние. Ключи вновь замыкаются после оконча 1504038нця импульс д СИ, длительцос ть которога преньппдет время сварки деталей.Сцгцдл пороговой обработки пдлений цдпряжения на электродах (ПОН) также запоминается в регистре 18 и таким образом фиксируется Фдкт цаличця мехдцического контакта сндрцндемых деталей (НК), Кроме того, сггнал ПОН замыкает клточ ), подачи входного цдцряжения Е электрической модели 32 подвижного теплового поля(Фцг.1), после чего н ней начинаются элс ктрические процессы, аналоги цые тепловым н сндринаемых стержнях, С помощью аналогового перемнож 1 т ел я . и Г н дл о В 3 1 В ыч и с л 51 е т с я и 1) ои.тнстц ццс тока н дуге на падение цацряж цця ца ней, т.е, мощность электрноско дугиПоскольку скорость 2 О нттгордцтя стержней пропорциональна маптцостц н дуге, то ньгходцой сигнал П аналогового перемцожителя.31чмэжет быть использован в схеме управления стоками в электрической мо дели 32, Оценку степени разогрева стержня, достаточного для осуществления качественного сварного соединения, можно производить по значению температуры слоя стержня, огстояще го от его торца на определенную глубину, оттределяемую материалом стержня, На электрической модели это ранцозначно измерению потенциала узлаетки, отстоящего от ее начала на рдс.стоянии, соответствующем данному слою стержня, Ндпряжение с этого узла КС-сетки необходима снимать через повторитель, ныхадцой сигнал которсго 1 будс:т хардктеризонать40 степень разгренд стержня, т.е, его тепл)ной эдгт:тс Т 3,В тталтс цт сударения детд:той элстктрическдя;угд гдс цет и н стс ржцях цдчтцдс тсгт цр цесс тцтрднццндцця тем иератур, Нд эцет трцческой модлил;тц цьттт 111) отсо дттгтц огттел гтг Гс. хэ 111)тлт процесс,тм ц;1 КС - сетке црц ткттючеццтт нхадцсго ц ст;1 т) яж цття лтод:111 Е, д гдк -же эткттн)чстттц с гаков ст узлов .етки. 5) Пернас услагцте достиг;1 тся рамппдцслт нхсдгт) т о кгтю 1 Ч )такт)11 таскай мдели, а второе -б)р;тц;1 цц .мц ц ул 1 ньгх лц 1 о цд 1 рттжсц 151 дтт агоного гт р атноттттс тя с 111 ц тлон ц )-эд 55рдвец тнд 1 у 11) о;тцот; ц э " 11 гогс тс й(П ) . Пт 11 этм цд упрдг тя)ттттементы с, с кт цалдется 1,1 цтцдлщцй 1-тс.цтц:11, С 1 тхдд ):т т, 111.1:, 1;, и .;тели сигнал теплового эдпдсд Т 3 ца. - тупдет на вход компараторд 3 1 тецл)- наго запаса, где асупсстцлястс яго пороговая обработка, реэультдт)м к)- торой является сигцдл ТЕП 11 ОВОЙ 3 ЛПЛС В НОРМЕ (ТЗН), Факт наличия этого сигнала запоминается в рет истре 18. Кроме того, он зднсдец цд схемы И 1 Ь и 17. Схема И 1 Ь выделяет случаи так называемого паэлцего поджига (ПП), когда контакт сндриндемых деталей наступает при недостаточном разогреве стержней. Выхолц)й сигнал ПП схемы И 16 также эдцамицдется н выходном регистре 18 (сигцдл ТПП),Схема И 17 Фиксирует случдцнормального протскдгття сндркц с тачки зрения тепловых гтроцессон н сндрцваемых деталях. Выходам схемы И17 является сигнал СВЛРКЛ В РЛЗОГРЕТОМ ВИДЕ (СРВ). Оц псц.тупдет цдвход регистра 18, запоминается цднем (сигнал ТСРВ) и поступает также на один из входов классификатора 27,Помимо разогрева торцов снаринаемых деталей для получения качественного соединения необходимосжать разогретые детали друг с другом с определенным усилием. Превышение определенного значения усилия сжатия приводит к выдавливаниюразогретого металла в зоне стыка,а недостаточное усилие не создаетнеобходимых условий для нормального протекания физико-химическихпроцессов образования качественногосварного соединения, Сигнал пороговой обработки усилия, пропортцоцдльный ударному ускорению подвижного электрода сварочной установки,цртт котором создается качественноесварное соединение УСИЛИГ В НОРМЕ(УСН), эдцомццдется в регистре 18,д сигнал УСИЛИЕ В 11 ШЕ НОРМЫ (УВН) здц)мицается ца триггере 19, чем фиксируется црцзцдк превыщецця устлиясжатия деталей допустимого уровня. Таким образом, в течение каждогоцикла сварки в блоке 9 формируетсяи запоминается ряд признаков, позволяющих определить возмажце качество сварки: цаличие мехацического контакта сваринаемых деталей (НК); наличие ситуаций типа поздний паджцг" (ПП); появление ситуа ттц сстдицецис .етдлей н раз)гретм г)цде" (СРВ), указындк)щей ца та, 1 )Г (18,Г(Дт)ЧНЙ Ц 1 Я П)ЛУ 1 ЕЦЯ КЛЧЕСТГ(оНцого со( диненця; наличие усилия сжл 5 тия свдринаемеях деталей, догтдточцое 5 Я Обр(иван 35 кл)1(гт 1 ен 1 ОГ 0 Гвдр)( , ц)го содцнеция - усилие в цсрм (УТИ); цдличие сцгндла СИНХРОИМПУ 1)С (СИ), наличие си цл:сд ТГПОВО ЭАПАС В Н 01 МЕ (ТЗН), указывакшцй цл ТО (ГТО Е 3 ПР 01(Е(СЕ ГОРЕНИЯ ЭЛЕКТРИ ческой дуги стержци рдзогревдлисьдо достдточцой для кдчегтвенцой свлрки температуры. 15 На триггере 19 Фиксируется превышецие усилия склт 3 я свариваемых деталей, допустимого д:Гя образованияКДЧЕСТВЕННОГО СВЛРНОГО СОЕДИНЕНИЯуровня - УСИЛИЕ ВЬП 1 П, ИОРМЬ (УВН). 20С выхода блока 9 признаки качества сварног; соединения в виде сигналов ПОЗДИИ 1 ПОДЖМГ (ПП) и УСИЛИЕ ВИОРМГ (УСИ) по шинам 23 и 25, показдцн,ье цл фиг.2 в виде условного 25жгута, д также с выхода триггера 19УСИЛИЕ ВЬЦЕ НОРМЫ (УВН) и с выходагхемы П 17 СОЕ 1 ИНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ В1 АЗОРЕГ.ТОМ БИДЕ (СРВ) поступают нак:дссификатор 27, в котором соглас. - 30цо логическим выражениям НОР 1 АУСИЛСРВ, БРАК = (УСНЛСРВЛПП)ЧУВНВырдблтыэдется решение о качествеСварного соединения. Эти логическиеФуцкции реализуются на микросхемахИ-ИЕ, 1 Ы 1 И-НЕ серии 134. Сигналы СРВи УСИ по шинам 24 и 25 поступают снЯхдл блока 9 на входы схемы ИЛИ 28,еососея оееоееует следуологиееску) Фун к цию; Р(ЗЛАусА = УСН ЧСРВ, 40Появлецие сигналя РАЗЛАДКА свидетельствует о том, что Во время данцого цикла сварки брак произошел вОсновном цз-эа уменьшения усилиягждтия деталей, т,. плохого технологического состояния механическойчасти свдрочнои угтдцовки.Сигналы НК, П 1, ТЗИ, ПП, СРВ,УСИ с 3 ыхода блока форниролцияприэнеков качества соединения 9 по50линям 20-25 соотГ т( твенно по тупдют цд блоь дидгцостичгкои ицпикдцИИ 26. ПО СОГТОЯГИЮ,с 1 сдГНОСТИЧЕСкой индикации можно определить работоспособность приборд и в(.зможную55причину брака В кЖЕ 0 Г цикле сварки. Сигналы НОРМА и РА).АЛКА постулют цл еход лв".1 дти(Гк ого исцОлцительцого устр)гтвд 30, которое Цо(13(1 ГНЕТ (УГ(ГТ 1(Т( ( РТЦР(уУГот1 ьх иц(л 11 б(1 ееК (.1(тнд(дрцк;1, )ти гцн,(Н ГГ(г т)н;кт ц;1уСРДВ.1(НГГЕ ТЯ 11 ЬПЦ ).1(КТР(ЕЕ НЕТаМГ ГРНН: 1 Э 3(.Оц КЦ Г )ГеТ ЕЕТ(ТЕ ЧН)1( г ) конте(1 ря. В игхо;ном го( тяицУГ РГ) йс ТГд Г ВД Ри (".11 ( ДЕТЛЛН МО1 У т цопд(дт, т(лько н контейнер брлКОДЦЦЬХ ЦД(.,ГИ 11,И, Фиг, 3 с 1101 Иьенц линиями цокдэ;- НЬГ С 1 ЦЛЫ, ТЦЕТГТВУЮЦИЕ КЛЧЕГТ- н( е(ц)й С 3 рке, пунктирными - цекд - Ч( ТГ(301.ПО гр;ецен 1 ю г бл 30 Гьм Объектом Р 0 Т 0 Т ИТ ( Н Г Р,Ц. Г ОЖ Е Ц Н О Е у С Т Р 0 й Г Т Е 3 Ои) яволя( т;Ополццте.ьно выявлятьгцтудции гвдрцвлция деталей г хопоцци".Ги тря."111, ВО н икающие при бо.ьших гвдрочцых токах в р(эу;ьтлтс чегг) обрд чуются цекачествецшесвдрние соедццения, которие рлцьше КЛЛССИФЦЦИРОВаЛИСЬе КЛК КаЧЕСтВЕЦНЫЕ. ЭтО ОбетОЯтЕ.(иос.тВО, Л тДКж более точное предстдвлецце о стецени разогрева свариваемых деталейнл момент их осадки, способствуетповьппению точности контроля качества сварных соегинений.Формула изобретенияУстройгтво для контроля качествл сварного соединения, содержащеедатчики сварочного напряжения и тока, датчик ускорения подвижногоэлектрода, усилитель с переменным коэФФициентом усиления, компаратор напряжения, компаратор тока, компдратор ускорения, блок управления режимами, блок формирования признаков качества сварных соединений,два формирователя импульсов, комплратор ускореция вьппе нормы, эле -мент 11:Н 1, двл элемента И, регцстр хранения ицформдции, триггер, блок диагцостической шдиклции, классиФикдтор, блок ццдцклпш и автоматическое исполнительное устройство,причем Выхоль ддт шков сварочного цдпряж( нцятокд (.Оедешены с первыми 3 ходдмц с(т 13(тет 1 ующих компдрдторов напряженя и тока, первыйвыход компдрдторд напряжения соелицец с перьн Вхо;(м р(истра хрдцс н;Гя информ;Нш, Втрои вход котоР 01 ( . 5 .Е Н Г 11 ХО ЦГ Н(РОГОНХО;ОМ ВТОР(Г( Я РеЦ (ДтЛЕй ИМ - ГГУЛЬГО) е Л 31,Х(Ц(Э(:НЕГО СВЯ.3 ЛНс третьим входом регистра храненияинформации, четвертый и пятый входыкоторого связаны соответственно свыходами первого и второго элемента И, шестой вход регистра хранения информации связан с компаратором ускорения, один вход которогосвязан как с выходом усилителя спеременным коэффициентом усиления,так и с первым входом компаратораускорения выше нормы, выход которого соединен с первым входом триггера, второй вход которого соедицецс вьгходом второго формирователя,прцэтом один выход блока управления режимами соединен с вторыми входами.;омпараторов напряжения, тока, ускорения, и ускорения выше цормы,азторой выход - с первым входом усилителя, второй вход которого связанс выходом датчика ускорения подвижного электрода, выходы регистра соединены с входами блока диагностической индикации, классификатора и элемента ИЛИ, выход которого связан спервыми входами автоматического исполнительного устройства и блока индикации, другие входь которых сое 20 25 с третьим входом электрическ й модели подвижного теплового поля, с выходами компдраторд напряжения и второго формирователя импульсов, выход электрической м, дели подвижного теплового поля соединен с седьмым входом регистра хранения информации, вторыми входами элементов И,причем выход второго элемента Исвязан с входом классификатора,гпгцс цы с выходами классификатора, причем второй выход компараторд напряжения связан с первыми входами эпемецтов И, выход компаратора тока - с входом первого формирователяпмпуи,сов, а выход триггера - с входом классификатора, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью 10 повышеция точности контроля качества, в него введены аналоговый пере- множитель сигналов, комидратор теплового запаса и электрическая модель подвижного теплового поля, при 15 этом первый и второй входы аналогового перемножителя сигналов соединены с выходами да гчиков сварочногонапряжения и тока соответствец о,1504038е пот вРпс сн Ун /дан м и ТЯ т,юн пп тпп св сРВ иу цсн пснувнтувн /ЮРю вен,Ь,СуФиСоставитель В, Пучинский Редактор Н. Горват Техред М.Ходанич Корректк Заказ 5193/18 Тираж 894 Подписное НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г, Уроектная, 4