201310_PSpaw_fg98.pdf 54 Przegląd sPawalnictwa 10/2013 Krzysztof Skrzyniecki Paweł Cegielski Andrzej Kolasa Paweł Kołodziejczak Metoda oceny stabilności układu łuk – urządzenie zasilające na podstawie przebiegów prądowo-napięciowych Method of welding power supply – arc system   stability assessment based on voltage-current   waveforms inż zy zto Sk zynie ki d inż Paweł Ce ie ki d a inż and ze o a a o P d inż Paweł ołodzie zak – Politechnika Warszawska. a t a t The physical phenomena taking place in the arc col- umn during various processes of MAG and MIG welding depend on both the welding conditions and the electri- cal parameters of power source–arc system. This paper presents a new method of an assessment of the stability of welding power supply–arc system based on voltage – cur- rent waveforms recorded during welding process. Trans- formations of the recorded waveforms assorted properly with the type of power supply and the kind of MAG welding process allows for acquiring information concerning any disturbances occurring in the welding circuit that might caused particular weld imperfections. In order to verify the proposed method a number of experiments has been car- ried on under controlled, artificially simulated disturbances of a welding process with simultaneous registration of cur- rent-voltage waveforms and pictures of the metal transfer modes across the arc column with the use of high-speed camera. St e z zenie Zjawiska fizyczne zachodzące w łuku podczas spawa- nia różnymi odmianami metody MAG zależą między in- nymi od parametrów elektrycznych układu źródło zasila- nia – łuk. W artykule przedstawiono nową metodę badań i oceny stabilności układu źródło zasilania – łuk na pod- stawie zarejestrowanych przebiegów prądowo–napięcio- wych. na drodze odpowiednich przekształceń, ściśle do- stosowanych do konstrukcji badanego źródła zasilającego oraz odmiany metody MAG, możliwe jest uzyskanie cen- nych informacji charakteryzujących badany obwód, w tym np. pozwalających na identyfikację zakłóceń towarzyszą- cych spawaniu, które w konsekwencji mogą doprowa- dzić do powstania niezgodności spawalniczych w złączu. W celu weryfikacji metody prowadzono badania w wa- runkach kontrolowanych, sztucznie wywoływanych zakłó- ceń przebiegu procesu z równoczesną rejestracją prądu spawania, napięcia łuku oraz obrazu przestrzeni łukowej z wykorzystaniem szybkiej kamery. t Badanie stabilności układu źródło zasilania – łuk na podstawie zarejestrowanych przebiegów prądowo–na- pięciowych może, metodą odpowiednich przekształ- ceń, dostarczyć cennych informacji charakteryzujących badany obwód. Jednym z perspektywicznych obszarów praktycznego zastosowania może być monitorowanie procesu spawania połączone z automatyczną identyfi- kacją zakłóceń, które mogą doprowadzić do powstania niezgodności spawalniczych w złączu. W ten sposób, zamiast choćby części konwencjonalnych badań już wykonanych połączeń, możliwe byłoby podjęcie działań korekcyjnych jeszcze w czasie spawania lub działań na- prawczych ale w miejscach wstępnie zidentyfikowanych przez system monitorujący. 55Przegląd sPawalnictwa 10/2013 W Zakładzie Inżynierii Spajania Politechniki War- szawskiej podjęto próbę opracowania nowych, możli- wie obiektywnych metod badawczych i kryteriów oceny zarówno stabilności procesu spawania, jak i właści- wości stosowanych urządzeń zasilających łuk. W wy- niku szeregu przekształceń, ściśle dostosowanych do konstrukcji badanego źródła zasilającego oraz odmia- ny metody MAG, możliwe stało się uzyskanie takich informacji charakteryzujących badany obwód, które umożliwiają identyfikację zakłóceń towarzyszących spawaniu, mogących doprowadzić do powstania nie- zgodności spawalniczych w złączu. W celu weryfikacji metody prowadzono badania w warunkach kontrolo- wanych, sztucznie wywoływanych zakłóceń przebiegu procesu z równoczesną rejestracją prądu spawania, napięcia łuku oraz obrazu przestrzeni łukowej z wy- korzystaniem szybkiej rejestracji [3, 6]. W badaniach korzystano z wcześniej opracowanego i zbudowanego specjalistycznego stanowiska badawczego z kompute- rową rejestracją parametrów prądowo–napięciowych [1, 2, 5, 7]. W artykule szerzej omówiono zastosowane algoryt- my i przekształcenia rejestrowanych sygnałów prądo- wo–napięciowych, odniesione do napawania łukowego wybranymi odmianami metody MAG. Przedstawione w niniejszym artykule wyniki prac badawczych i konstrukcyjnych otrzymano podczas re- alizacji pracy naukowej finansowanej ze środków bu- dżetowych na naukę w latach 2010–2013 jako projekt badawczy [4]. Sy temy monito e awanie na rynku można znaleźć komercyjne rozwiązania umożliwiające monitorowanie wybranych parame- trów procesu spawania oraz porównywanie ich z za- łożonymi poziomami tolerancji, przekroczenie których może być sygnałem do podjęcia odpowiednich działań korekcyjnych zgodnie z wymaganiami WPS. Z oczy- wistych względów algorytmy stosowane w tego typu systemach nie są ujawniane. Ich wspólną cechą jest zbieranie i analiza sygnałów, które dla poprawnie, sta- bilnie przebiegającego procesu powinny pozostawać w zakresie tolerancji, a odchyłki od stałego poziomu poza granice tolerancji stanowią informację o poten- cjalnym zaburzeniu procesu. Jeżeli obserwowane pa- rametry zmieniają się w trakcie procesu lub cechują się dużymi rozrzutami poprawnych wartości, niezbędne są dodatkowe filtry, które wygładzą przebieg, zbliżając je do formy ułatwiającej ocenę. Filtrowanie powoduje jednak utratę części danych, zawierających cenne in- formacje o przebiegu i jakości procesu. Poniżej omó- wiono kilka systemów monitorujących [8]. e d ata onito (WDM) firmy ABB korzysta z narzędzi do automatycznej analizy wzorców spawa- nia w korelacji z położeniem elektrody i pozycją spa- wania. Zastosowany algorytm porównuje charakter rejestrowanego przebiegu z bazowym wzorcem odpo- wiednim dla danego procesu. Wzorzec uzyskiwany jest na podstawie przechowywanych danych z przebiegów otrzymanych podczas wykonywania kilku spoin refe- rencyjnych. System może monitorować do aż czterech wejść analogowych lub grupowych, nazywanych dalej kanałami pomiarowymi. Dane, zebrane dla każdego kanału, są przechowywane w plikach na dysku twar- dym. Zazwyczaj dwa kanały zarezerwowane są do rejestracji przebiegów napięcia łuku i prądu spawania, a dwa dodatkowe kanały pomocnicze są przeznaczone dla parametrów takich jak np.: prędkość posuwu drutu elektrodowego, wydatek gazu osłonowego lub moment obrotowy silnika posuwu uchwytu elektrody. Zakres za- stosowań pakietu WDM może być wyznaczony jedynie na podstawie testów empirycznych, podczas wykony- wania złączy produkcyjnych, z użyciem konkretnego osprzętu spawalniczego, a jego wyniki w dużej mie- rze są uzależnione od jakości rejestrowanych sygna- łów pomiarowych oraz od jakości przebiegu samego procesu. Zastosowanie systemu WDM dotyczy trzech podstawowych odmian procesu MIG/MAG: – k nat y kowy dostarcza idealnych danych dla systemu, które pozwalają wykryć i bardzo małe odchyłki parametrów procesu od wartości referen- cyjnych. Sygnały pomiarowe mogą być zbierane bezpośrednio z systemów sterowania zasilacza- mi spawalniczymi, bez konieczności instalowania dodatkowych czujników. – P o e awania ze zwarciowym przechodzeniem metalu jest trudny do monitorowania ze względu na duże wahania rejestrowanych sygnałów, zarów- no prądu, jak i napięcia. W tym przypadku koniecz- ne jest zastosowanie dodatkowych, zewnętrznych układów, odpowiednio filtrujących rejestrowane dane. – P o e awania łukiem zasilanym prądem pulsu- jącym może również być monitorowany w celu wy- krywania zakłóceń. Dane muszą być jednak wystar- czająco odfiltrowane, aby wygładzić przebiegi prądu i napięcia pomiędzy poziomami maksymalnymi i mi- nimalnymi impulsu. Jeżeli dane dostarczane przez spawalnicze źródło energii nie są odpowiednio filtro- wane, niezbędne jest zastosowanie zewnętrznych układów filtrujących. Re e t ato a amet w awania RPS firmy SOMAR służy do monitorowania i rejestracji parame- trów spawania wszystkimi podstawowymi metodami łukowymi. Rejestrator nie wymaga dodatkowych, ze- wnętrznych czujników do monitorowania parametrów podstawowych. Dane pobierane są bezpośrednio z układów pomiarowych i sterowniczych urządzenia spawalniczego poprzez dostępny interfejs komunika- cyjny (CAn, RS-232, RS-422/485). Standardowo mo- nitorowane są następujące parametry: natężenie prą- du spawania, napięcie łuku elektrycznego, prędkość podawania drutu elektrodowego i objętościowe natę- żenie przepływu gazu osłonowego. Dodatkowo rejestrator może być dostosowany do 56 Przegląd sPawalnictwa 10/2013 zbierania innych danych przesyłanych kanałem komu- nikacyjnym. Zainstalowane oprogramowanie RPSRe- ader służy do odczytu, wizualizacji, przetwarzania, analizy oraz archiwizacji danych. Funkcje programu RPSReader umożliwiają : – prowadzenie kartotek urządzeń rejestrujących, – czytanie danych z urządzeń przez Ethernet, WiFi oraz nośniki danych USB, – archiwizowanie danych na dysku komputera, – przeglądanie zebranych plików rejestracji, – sortowanie rejestracji w tabelach zbiorczych, – przeglądanie poszczególnych plików rejestracji na wykresach czasowych, – tworzenie rejestru technologicznych instrukcji spa- wania (WPS), – prowadzenie oceny wstępnej na podstawie przypo- rządkowanych do spoin instrukcji WPS, – tworzenie raportów statystycznych z rejestrowanych parametrów spawania, w tym czasu pracy. Kolejny system – e do 4000 firmy ESAB, prze- znaczony jest do monitorowania, wizualizacji oraz ar- chiwizacji parametrów procesu. Połączenie z urządze- niem spawalniczym odbywa się za pomocą magistrali wymiany danych. Konstrukcja urządzenia spawalni- czego określa, jakie ustawienia i sygnały mogą być rejestrowane. Urządzeniom można nadawać indywi- dualne nazwy w celu lepszej identyfikacji zarejestro- wanych parametrów i ich dopuszczalnych zakresów zgodnie z instrukcjami WPS. W przypadku spawania wielościegowego można zdefiniować przerwy czasowe w rejestracji parametrów, odpowiadające harmonogra- mowi wykonywania ściegów. Ma to na celu uniknięcie błędów spowodowanych wykrywaniem przekroczenia założonych limitów, podczas gdy proces spawania nie odbywa się w przerwach pomiędzy ściegami. Sy tem monito owania o e awania aRCa ent firmy IMPACT WELDInG zaprojekto- wany został w celu monitorowania, w czasie rzeczy- wistym, przebiegu spawania łukowego. Wykorzystuje czujniki wbudowane w monitorowany sprzęt spawal- niczy. Sygnały zebrane z czujników porównywane są z założonymi tolerancjami, dobranymi do każdego pro- cesu. System pozwala wykrywać niestabilności proce- su, zanim wpłyną one na jakość wyrobu. W momencie wykrycia niestabilności lub przekroczenia przyjętego zakresu tolerancji system wysyła sygnał alarmowy, a nawet może zatrzymać proces. na bazie parametrów rejestrowanych przez system ARCAgent™ możliwa jest dalsza obróbka, wykorzystująca dodatkowe mo- duły funkcjonalne. Moduł Advanced Weld Signature™ Analysis zawiera cztery dodatkowe algorytmy analizy monitorowanego procesu porównywanie z przebiega- mi wzorcowymi. Może służyć zarówno do pomiarów, jak i wykrywania niestabilności oraz zakłóceń łuku. Mo- duł CAT Porosity Algorithm ma zdolność do wykrywa- nia porowatości w monitorowanym złączu. Odmiennie prezentuje się aplikacja a e e i ne firmy Lincoln Electric. Umożliwia ona przede wszystkim graficzną edycję kształtów przebiegu natężenia prądu zasilającego łuk spawalniczy. Wzorzec kształtu może być modyfikowany przez zmianę wybranych parame- trów. Istnieją oczywiście wzajemne relacje pomiędzy modyfikowanymi parametrami, nakładające na nie pewne ograniczenia. System pełni zatem rolę edytora kształtu impulsu, co wskazuje na jego istotne znaczenie dla przebiegu procesu, a zarazem spełnia funkcję mo- nitorowania na zasadzie programowego oscyloskopu (ArcScope). Ma do tego celu czujniki wbudowane w spawalnicze urządzenie zasilające. Pomiar może być uzupełniony o informacje nt. bieżących nastaw mo- nitorowanego źródła zasilającego. Jednak w odróżnie- niu od możliwości edycyjnych, funkcje monitorujące są znacznie uproszczone i działają na bazie uśredniania parametrów przebiegu. a nki owadzenia ada Program badań zakładał wykonanie szeregu napoin metodą MAG, zarówno w warunkach normalnych (pro- ces nie był zakłócany), jak i podczas sztucznie wywo- ływanych zakłóceń przebiegu procesu, z równoczesną rejestracją prądu spawania, napięcia łuku oraz obrazu przestrzeni łukowej z wykorzystaniem szybkorejestru- jącej kamery. Spawano różnymi odmianami metody MAG (konwencjonalną bez pulsacji ze sterowaniem synergicznym, konwencjonalną bez pulsacji ze stero- waniem ręcznym, prądem pulsującym oraz odmianą niskoenergetyczną CMT), a także wykorzystując różne rodzaje źródeł zasilających (prostownik diodowy, źró- dła inwertorowe różnej generacji). Szerzej omówiono to we wcześniejszych publikacjach [3, 6]. Pomiar napięcia realizowano indukcyjnym przetworni- kiem prądowym T60404-n4644-X053 firmy Vacumsch- melze o zakresie pomiarowym do 500 A, częstotliwości przenoszenia 50 kHz i przełożeniu 1:2000. Do pomiaru napięcia wykorzystano specjalistyczny przetwornik LEM CV 3 – 200 o zakresie pomiarowym 200 V, częstotliwości przenoszenia 300 kHz i współczynniku przełożenia 1:20. Dodatkowo zastosowano indywidualnie dobierane dziel- niki napięcia, mające na celu dopasowanie sygnałów po- miarowych do zakresu dostępnego dla karty pomiarowej. Sygnały napięciowe zebrane z obydwu czujników rejestro- wano przez kartę pomiarową nI PCI-6251 i zapisywano, w celu przyśpieszenia działania programu, w postaci nieprzetworzonej. Karta umożliwiała rejestrację 16 wejść analogowych z częstotliwością do 1 MS/s i 16-bitową rozdzielczością w zakresie do 10 V. t na o ka dany Pierwszym etapem, obróbki zarejestrowanych da- nych było ich przeskalowanie w celu uzyskania rze- czywistych wartości prądu oraz napięcia. Zastosowano 57Przegląd sPawalnictwa 10/2013 odwzorowanie liniowe reprezentowane wzorami: i(t) = 100 • Vi (t) (1) u(t) = 30 • Vu (t) (2) gdzie: i(t) – rzeczywista wartość prądu; u(t) – rzeczywista wartość na- pięcia; Vi (t) – wartość napięcia z przetwornika prądu; Vu (t) – wartość napięcia z przetwornika napięcia. Ry 2 Wyznaczone, rzeczywiste wartości prądu i napięcia i 2 The real, calculated values of current and voltage Ry 1 Sygnały napięciowe z przetworników prądu i napięcia i 1 Voltage and current signals recorded with the use of trans- ducers na rysunkach 1 i 2 przedstawiono zarejestrowane sy- gnały napięciowe z przetworników prądu i napięcia oraz ich wartości wyznaczone na drodze przekształcenia. Otrzymane wyniki zostały następnie poddane procesowi filtrowania dolnoprzepustowego, mającego na celu usu- nięcie z przebiegów efektów przełączeń tranzystorów (dotyczy badań zasilaczy z wewnętrznymi układami klu- czującymi, np. źródeł inwertorowych). Dodatkowo, prze- bieg prądu ograniczono, eliminując wartości zerowe. W późniejszych obliczeniach rezystancji dynamicznej wartość prądu umieszczano w mianowniku, a więc war- tości zerowe uniemożliwiałyby prawidłowe kalkulacje. Zwarcie Jarzenie Wydłużony łuk [0, 0.1) [0.1, 0.2] (0.2, ∞) ta i a I Zakres oporności chwilowej odpowiadający fazom cyklu przechodzenia materiału w łuku, om ta e I Applied resistance ranges for different phases of the cycle of metal transition in the arc, ohm yzna zanie wyk e w wa to i k te zny Dalszego przetwarzanie danych umożliwiło wyzna- czenie wartości skutecznych zarejestrowanych sygna- łów, osobno dla momentów zwarcia i dla fazy jarzenia się łuku. Jako wyznacznik, odróżniający stan zwarcia od jarzenia łuku, przyjęto wartość rezystancji chwilowej. Poziom progu rozróżniającego wytypowano dla każdej z odmian spawania MAG (a także konstrukcji badanego źródła) na etapie badań wstępnych. Przedstawiono to na przykładzie spawania metodą CMT. Wartość oporności chwilowej wyznaczono z prawa Ohma (3): R(t) = u(t) (3) i(t) gdzie: R(t) – chwilowa wartość oporności; u(t) – chwilowa wartość na- pięcia; i(t) – chwilowa wartość prądu. Szczegółowe przekształcenia prowadzono oddzielnie dla każdej z badanych odmian spawania MAG, m.in. ze względu na odmienny charakter rejestrowanych prze- biegów [3, 6]. Wspólnym elementem przekształceń był podział przebiegu na przedziały czasowe odpowiada- jące fazom przechodzenia materiału w łuku spawalni- czym, przeprowadzony na podstawie analizy poziomu oporności chwilowej. Tak wyznaczone przedziały sta- nowiły podstawę do wyznaczenia wartości skutecznych dla prądu i napięcia. Wyodrębnione zostały trzy fazy: zwarcia, jarzenia łuku oraz wydłużonego łuku. W obrębie każdej z nich wyznaczono wartości skuteczne prądu i napięcia dla wszystkich cykli, a następnie naniesiono je na wykresy. Przykładowe zestawienie wartości skutecznych, wy- znaczonych osobno dla poszczególnych, wybranych faz cyklu przechodzenia materiału w łuku, przedstawiono na rysunkach 3 i 4, na przykładzie analizy sygnałów za- rejestrowanych podczas spawania odmianą CMT ( Cold Metal Transfer). Pod mowanie W wyniku opisanych w tym artykule badań oraz ich wyników potwierdzono wysoką przydatność opraco- wanego i wykonanego w ZIS PW układu pomiarowe- go z aplikacją pomiarowo-rejestrującą w środowisku LabView. Potwierdzono także skuteczność nowej metodyki wyodrębniania wartości skutecznych zare- jestrowanych przebiegów prądowo – napięciowych w poszczególnych fazach jarzenia się łuku i przecho- dzenia kropli ciekłego metalu do jeziorka. Konieczne okazało się stworzenie algorytmów zarówno dla poszczególnych odmian spawania metodą MAG, jak i konstrukcji źródeł zasilających. Dalsze prace mają doprowadzić do stworzenia szczegółowego katalogu metod przekształcania oraz sposobów ich interpretacji, m.in. pod kątem identyfikowania niezgodności spawalniczych. 58 Przegląd sPawalnictwa 10/2013 W id ok o ra z pr of il na po in y Jednostajnie skracana długość wolnego wylotu n ap ię ci e w fa zi e w yd łu żo ne go łu ku n ap ię ci e w fa zi e z w ar ci a Ry 4 Zestawienie wykresów wartości skutecznych podczas sy- mulowanego skrócenia długości wolnego wylotu, spawanie odmia- ną CMT. Przebiegi odniesiono do próby wzorcowej, niezakłóconej. i 4 RMS values of current and voltage for the test with decre- asing the distance between the welding torch contact tube tip and the welded plate, CMT welding. Waveforms compared with referen- ce signal recorded for welding free of disturbances. W id ok na po in y Zanik gazu osłonowego P rą d w fa zi e w yd łu żo ne go łu ku n ap ię ci e w fa zi e w yd łu żo ne go łu ku n ap ię ci e w fa zi e ja rz en ia łu ku Ry 3. Zestawienie wykresów wartości skutecznych podczas symu- lowanego zaniku gazu osłonowego, spawanie odmianą CMT. Prze- biegi odniesiono do próby wzorcowej, niezakłóconej i 3 RMS values of current and voltage for the test with sudden lack of shielding gas, CMT welding. Waveforms compared with refe- rence signal recorded for welding free of disturbances Lite at a [1] Cegielski P., Kolasa A., Skrzyniecki K., Kołodziejczak P.: Komputerowy system do badań właściwości statycznych i dynamicznych źródeł energii elektrycznej do spawania łuko- wego. Przegląd Spawalnictwa 1/2012, s. 3-9. [2] Cegielski P., Kolasa A.: Komputerowy system do badań wła- ściwości statycznych i dynamicznych spawalniczych źródeł energii elektrycznej. Prace naukowe Politechniki Warszaw- skiej, Mechanika, zeszyt 215, Warszawa 2006, str. 135-149. [3] Cegielski P., Skrzyniecki K., Kolasa A., Kołodziejczak P.: Ba- danie stabilności układu łuk – urządzenie zasilające w wa- runkach symulowanych zakłóceń procesu spawania metodą MAG. Przegląd Spawalnictwa 4/2013, s. 18-27. [4] Projekt badawczy Ministra nauki i Szkolnictwa Wyższego nr n n503 206339 pt. Badanie zależności pomiędzy zjawiskami zachodzącymi w łuku spawalniczym w różnych odmianach me- tody MAG a parametrami elektrycznymi układu łuk – urządzenie spawalnicze. Kierownik: prof. nzw. dr hab. inż. Andrzej Kolasa. [5] Skrzyniecki K., Cegielski P., Kolasa A., Kołodziejczak P.: Cha- rakterystyki statyczne nowoczesnych urządzeń do spawania łukowego. Przegląd Spawalnictwa 1/2013. [6] Skrzyniecki K., Kołodziejczak P., Cegielski P., Kolasa A.: Experimental studies on stability of power source – arc sys- tem of MAG welding processes. Proceedings of the Annual Session Of Scientific Papers, Vol. XII, IMT Oradea 2013, Ru- munia, 30 May - 01 June 2013, s. 227-230. [7] Skrzyniecki K., Krajewski A., Cegielski P., Hudycz M., Kolasa A.: Zastosowanie wirtualnych przyrządów pomiarowych do badania urządzeń i procesów spawalniczych. Prace nauko- we Politechniki Warszawskiej, Mechanika, zeszyt 229, War- szawa 2009, s. 115-124. [8] Materiały informacyjne firm: ABB, ESAB, Lincoln Electric, IMPACT WELDInG.