Модуль контроля качества при тандемной дуговой сварке - RU2361705C2

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к области электродуговой сварки и, более конкретно, к системе электродуговой сварки, использующей тандемные электроды, электрод с тандемными электродными проволоками или подобным.

Настоящее описание относится к системе электродуговой сварки, использующей источники электропитания для возбуждения двух или более тандемных электродов. Такая система используется, например, для шовной сварки массивных металлических заготовок. Поскольку, в принципе, может использоваться любой источник электропитания для дуговой сварки, источники электропитания, раскрытые в патенте №6111216 на имя Stava, подходят для использования в одном из вариантов настоящего изобретения. Патент №6111216 на имя Stava включен здесь посредством ссылки.

Принципы дуговой сварки, использующей тандемные электроды, раскрыты, например, в патенте №6207929 на имя Stava и др., в патенте №6291798 на имя Stava, и в патенте №6472634 на имя Houston и др. Патенты №6207929, №6291798, и №6472634 также включены здесь посредством ссылки.

Определение значений погонной энергии в случае сварки с управлением формой импульсов, раскрыто, по крайней мере, в опубликованной заявке US 2003-0071024 А1 на имя Hsu. Опубликованная заявка US 2003-0071024 А1 также включена здесь посредством ссылки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Применение сварки, такое как сварка труб, часто требует высоких токов и использования нескольких дуг, создаваемых тандемными электродами. Такие системы тандемной сварки описаны, например, в патенте №6207929 на имя Stava и патенте №6291798 на имя Stava. Патент №6472634 на имя Houston раскрывает принцип построения для каждого электрода отдельного модуля дуговой сварки при переменном токе, при этом модуль включает один или более параллельно соединенных источников электропитания, каждый из которых имеет свою собственную схему переключения. Выходные токи схемы переключения затем объединяются для того, чтобы возбуждать электрод. Источники электропитания могут быть включены параллельно для создания высокого входного тока на каждом из электродов, используемых в операции тандемной сварки.

Патент №6291798 на имя Stava раскрывает ряд тандемных электродов, перемещающихся по сварочному пути для прокладывания последовательно наплавляемых валиков сварного шва в пространстве между краями катаной трубы или концами двух смежных участков трубопровода. Отдельные колебания переменного тока, соответственно, созданы множеством импульсов тока, возникающих при частоте, по крайней мере, 18 кГц с амплитудой каждого импульса тока, контролируемой формирователем сигнала. Эта технология относится к патенту №5278390 на имя Blankenship. В патенте №6207929 на имя Stava частота переменного тока в соседних тандемных электродах регулируется для предотвращения магнитной интерференции.

Вычисление погонной энергии в случае сварки с управлением формой импульсов усложняется сложной формой колебаний напряжения и тока. Произведение среднеквадратичных токов на среднеквадратичное напряжение обеспечивает измерение погонной энергии, но такое вычисление не принимает во внимание точную форму колебания и возможные фазовые смещения между напряжением и током. Более точный метод для вычисления погонной энергии при сварке с управлением формой импульсов описан в опубликованной заявке US №2003-0071024 А1 на имя Hsu.

Сложность тандемной сварки заключается в контроле качества полученного шва. Анализ тандемной дуговой сварки усложняется из-за использования нескольких электродных проволок для одновременной наплавки металла, но в пространственно отделенных положениях. Электродные проволоки тандемных электродов могут иметь различные диаметры. Скорость подачи электродной проволоки у каждого электрода может быть независимо динамически отрегулирована для каждого электрода для управления длиной дуги или регулирования других сварочных характеристик. В некоторых вариантах тандемной дуговой сварки может использоваться комбинация электродов, работающих с использованием постоянного тока и переменного тока, например, для снижения интерференции между электродами. Более того, можно независимо управлять напряжением и/или током у каждого электрода.

В определенном месте сварного шва каждый электрод обычно предоставляет материал для наплавляемого валика сварного шва в разное время в течение процесса сварки. Производительность наплавки металла, погонная энергия и другие параметры сварки для этого места зависят от совместного действия нескольких электродов, расположенных тандемно, но вклады этих нескольких электродов разделены во времени.

Настоящее изобретение рассматривает улучшенное устройство и способ, которые преодолевают вышеупомянутые и другие недостатки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно одному аспекту предложен способ контроля процесса тандемной сварки с использование множества тандемных электродов. Параметр сварки измеряют для каждого тандемного электрода. Измеренные параметры сварки изменяют до контрольных. Измеренные и измененные параметры сварки тандемных электродов сравнивают при контроле.

Согласно другому аспекту раскрыта система для тандемной сварки. Множество расположенных на расстоянии друг от друга электродов расположены с возможностью перемещения с общей скоростью перемещения. Множество расположенных на расстоянии друг от друга электродов совместно формируют сварной шов. Устройство хранения данных сохраняет измеренные данные для каждого электрода в течение выполнения сварного шва. Процессор выполняет процесс, включающий: для каждого электрода выбор измеренных данных, соответствующих электроду, проходящему контрольное положение; и сравнение выбранных измеренных данных множества расположенных на расстоянии друг от друга электродов для вычисления параметра сварки системы тандемной сварки в контрольном положении.

Согласно еще одному аспекту предложен способ тандемной сварки. Способ тандемной сварки осуществляют с использованием множества электродов, размещенных в установленных положениях относительно друг друга и совместно формирующих сварной шов. Параметр сварки для каждого из множества электродов измеряют в течение процесса сварки. Определяют значения параметра сварки для каждого электрода, соответствующие электроду, свариваемому в выбранном положении. Параметр тандемной сварки в способе тандемной сварки вычисляют в выбранном положении на основании определенных значений параметра сварки для множества электродов.

Многочисленные преимущества настоящего изобретения станут очевидными для специалистов в области техники после прочтения следующего подробного описания предпочтительного варианта изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение может варьироваться по форме различных элементов и расположению элементов и в различных операциях процесса и расположениях операций процесса. Чертежи приводятся только с целью иллюстрации предпочтительных вариантов изобретения и не должны быть рассмотрены как ограничивающие изобретение.

Фиг.1 и 2 - виды в перспективе и сбоку, соответственно, иллюстрирующие процесс тандемной дуговой сварки с использованием четырех электродов.

Фиг.3 - схематично показывает упрощенную схему питания одного из электродов, включая соответствующие элементы для измерения тока сварки и напряжения сварки, или параметров, соответствующих им.

Фиг.4 - схематично показывает систему подачи проволоки к одному из электродов, включая контроллер скорости подачи электродной проволоки, который подает электродную проволоку к сварному шву с регулируемой скоростью подачи электродной проволоки.

Фиг.5 - схематично показывает систему контроля для контроля процесса тандемной дуговой сварки.

Фиг.6 - дисплей, отображающий графики тока сварки, напряжения и скорости подачи электродной проволоки для каждого электрода, как функцию положения.

Фиг.7 - дисплей анализа качества, отображающий общую производительность наплавки тандемных сварочных электродов, как функцию положения, а также статистическую информацию относительно общей производительности наплавки тандемных сварочных электродов.

Фиг.8 - дисплей анализа качества, отображающий общую производительность наплавки тандемных сварочных электродов, как функцию положения, а также управляемые пользователем индикаторы для идентификации общей производительности наплавки в выбранных положениях, и разницу между общей производительностью наплавки в различных положениях.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как видно из фиг.1, процесс электродуговой сварки 10, использующий тандемные сварочные электроды, включает, в показанном варианте, четыре сварочных электрода 12, 14 16, 18. Наряду с четырьмя показанными электродами другие электроды могут использоваться в тандеме. Тандемные сварочные электроды 12, 14, 16, 18 расположены линейно на расстоянии друг от друга по направлению, обозначенному, в направлении по оси х на фиг.1 и 2, и перемещаются совместно в направлении по оси х с заданной скоростью перемещения. В одном варианте изобретения электроды 12, 14, 16, 18 установлены на общем фланце сварочного робота (не показан) так, чтобы электроды 12, 14, 16, 18 перемещались в направлении, обозначенном направлением по оси х с общей скоростью перемещения. Каждый из тандемных электродов 12, 14, 16, 18 наплавляет сварочный материал в сварной шов 24 обрабатываемой детали 26, определенной двумя краями 26, 28, элементами, или подобным, которые должны быть соединены друг с другом сваркой.

В варианте, показанном на фиг.1 и 2, электроды 12, 14, 16, 18 расположены на расстоянии друг от друга и с приблизительно равным расстоянием между каждой парой соседних электродов. Однако в других вариантах изобретения расстояние между соседними электродами может быть разным для каждой пары соседних электродов.

Как показано на фиг.1, сварной шов 24 включает зазор, который должен быть заполнен сварочным материалом. Поскольку тандемные электроды перемещаются, электрод 14 добавляет дополнительный сварочный материал к предварительно наплавленному электродом 12 сварочному материалу. Электрод 16 добавляет дополнительный сварочный материал к предварительно наплавленному электродами 12, 14 сварочному материалу. Электрод 18 добавляет дополнительный сварочный материал к предварительно наплавленному электродами 12, 14, 16 сварочному материалу.

Каждый электрод имеет вылет длиной "A" (обозначенный на фиг.2 позицией 20) соответствующий длине электродной проволоки, выходящей из электрода к сварному шву. Как видно из фиг.2, электроды 12, 14, 16, 18 сдвинуты по высоте относительно сварного шва 24 так, чтобы электрод 12 наплавлял глубже в сварной шов 24, чем электрод 14, электрод 14 наплавлял глубже в сварной шов 24, чем электрод 16, и электрод 16 наплавлял глубже в сварной шов 24, чем электрод 18. Такое расположение облегчает каждому электроду наплавление валика сварного шва, в большей степени, на поверхности валика сварного шва, наплавляемого ранее прошедшим электродом или электродами. В другом варианте вылет электродов может быть уменьшен так, что каждый электрод наплавляет свариваемый материал, главным образом, на поверхность сварочного материала, наплавленного ранее прошедшим электродом или электродами.

На фиг.1 и 2 показан процесс 10 тандемной сварки в заданной во времени точке. В показанное время электрод 12 проходит точку 30 сварного шва 24. Электроды 14, 16, 18 еще не прошли над точкой 30; следовательно, только относительно малый наплавляемый валик сварного шва наплавлен в точке 30 электродом 12. В показанное время электрод 14 проходит точку 32 сварного шва 24. Электрод 12 уже прошел точку 32 и наплавил первый наплавляемый валик сварного шва, в который электрод 14 добавляет дополнительный материал. Электроды 16, 18 еще не прошли над точкой 32. Оба электрода 12, 14 наплавили в точку 32 большое количество материала в точке 32 по сравнению с точкой 30.

Аналогично, в показанное время, электрод 16 проходит точку 34 сварного шва 24. Электроды 12, 14 уже прошли точку 34 и наплавили наплавляемые валики сварного шва, к которым добавляет материал электрод 16. Электрод 18 еще не прошел над точкой 34. Поскольку электроды 12, 14, 16 наплавили в точку 34, в точке 32 расположено больше свариваемого материала по сравнению с точками 30, 32. Наконец, в показанное время, электрод 18 проходит точку 36 сварного шва 24. Электроды 12, 14, 16 уже прошли точку 36 и наплавили свариваемый материал в упомянутой точке, к которому добавляет материал электрод 18. Все четыре электрода 12, 14, 16, 18 наплавили наплавляемые валики сварного шва в точку 36 для формирования многослойного наплавляемого валика сварного шва в точке 36.

Показанный процесс 10 тандемной сварки является примером процесса. В других вариантах изобретения для тандемной сварки используется тандемная сварочная горелка. Тандемная сварочная горелка включает множество электродных проволок, и при необходимости с возможностью независимого регулирования для каждой из них напряжения, тока, скорости подачи электродной проволоки и вылета. В варианте, показанном на фиг.1 и 2, желательно, чтобы каждый электрод 12, 14, 16, 18 мог работать по существу независимо, например, используя различные напряжения, различные токи, различные колебания и тому подобные. Разные электроды в тандемной комбинации могут использовать осевой струйный перенос, импульсный струйный перенос, сварку постоянным или переменным током, сварку с управлением формой импульсов или тому подобные. Выбор и управление электродом 12 предпочтительно оптимизированы для создания узкого наплавляемого валика сварного шва, имеющего хорошее проплавление, тогда как выбор и управление электродом 18 предпочтительно оптимизированы для создания широкого наплавляемого валика сварного шва, который заполняет широкую часть сварного шва 24. Электроды 14, 16, предпочтительно, имеют характеристики, средние между электродами 12, 18.

Со ссылкой на фиг.3, на которой показана упрощенная электронная схема питания электрода 12, электрод 12 отделен от обрабатываемой детали 26 зазором 40. Напряжение для сварки и ток дуги, протекающий через зазор 40, формируются при помощи источника 42 электропитания для сварки. Устройство 44 для измерения напряжения, такое как вольтметр, измеряет напряжение, соответствующее напряжению в зазоре 40. В зависимости от того, где выполнено измерение напряжения, измеренное напряжение может помимо напряжения в зазоре зависеть от нагрузки, такой как резистивная нагрузка, вследствие падения напряжения при протекании тока через электродную проволоку или обрабатываемую деталь. Устройство 46 для измерения тока, такое как шунт, амперметр или подобные, измеряет ток, протекающий через зазор 40.

Фиг.3 показывает упрощенную электронную схему питания ведущего электрода 12. Однако понятно, что каждый из электродов 14, 16, 18 также обеспечен устройствами для измерения напряжения и тока, для измерения напряжения дуги и тока или параметров, имеющих к ним отношение. Каждый электрод возбуждается отдельным источником электропитания для сварки, параллельным соединением источников электропитания для сварки, одним источником электропитания для сварки с множеством выходов для возбуждения множества электродов 12, 14, 16, 18 или некоторой их комбинацией. Некоторые электроды могут возбуждаться источником электропитания для сварки переменного тока, тогда как другие - источником электропитания для сварки постоянного тока. Более того, приложенная мощность может фазироваться или в других случаях синхронизироваться для снижения взаимодействия между дугами электродов 12, 14, 16, 18.

Погонная энергия для каждого электрода 12, 14, 16, 18 определяется произведением напряжения дуги и тока дуги, деленной на скорость перемещения, и выражена в единицах энергии на единицу длины перемещения. Для сварки при переменном токе, погонная энергия соответственно вычислена с использованием произведения среднеквадратичного тока на среднеквадратичное напряжение, необязательно скорректированного с учетом коэффициента мощности, связанного со сдвигом фаз между током и напряжением. В случае сварки с управлением формой импульсов, погонная энергия соответственно вычислена при помощи интегрирования произведения тока и напряжения, как описано в опубликованной заявке US 2003-0071024 А1. Желательно, однако, чтобы погонная энергия могла быть оценена или аппроксимирована, например, не принимая во внимание составляющую коэффициента мощности при сварке при переменном токе, или умножая среднеквадратичный ток на среднеквадратичное напряжение, в случае сварки с управлением формой импульсов.

На фиг.4 показана схема механизма подачи электродной проволоки для электрода 12. Контроллер 50 скорости подачи электродной проволоки (WFS) протягивает электродную проволоку 52 от катушки для намотки электродной проволоки 54 и подает протянутую электродную проволоку через соответствующие устройства для транспортировки проволоки, такие как ролики 56, к электроду 12. Рабочий конец электрода или вылет 58 протянутой электродной проволоки 52 выходит из электрода 12 и вследствие дуги материал от электродной проволоки 52 переходит к обрабатываемой детали 26. Электродная проволока 52 расходуется в этом процессе и подается механизмом подачи проволоки. Выход 60 контроллера 50 подачи электродной проволоки согласуется со скоростью подачи электродной проволоки, которая может меняться с течением времени для управления длиной дуги, вылетом 58 или другим параметром сварки. Выход 60 может быть аналоговым напряжением, пропорциональным скорости подачи электродной проволоки, цифровым значением, пропорциональным скорости подачи электродной проволоки, или подобным.

На фиг.4 приведена схема, показывающая механизм подачи электродной проволоки для электрода 12. Тем не менее, понятно, что каждый из других электродов 14, 16, 18 также снабжен механизмом подачи электродной проволоки для подачи проволоки к сварному шву с заданной скоростью. Для каждого электрода производительность наплавки соответственно определена как произведение площади поперечного сечения электродной проволоки 52 на скорость подачи электродной проволоки и плотность электродной проволоки.

На фиг.5 описан способ контроля за процессом 10 тандемной сварки. Каждый из электродов 12, 14, 16, 18 контролируется одним или более соответствующим прибором для измерения параметров 62, 64, 66, 68. Например, один или более измерительный прибор 62, контролирующий электрод 12, может включать прибор для измерения напряжения и тока 44, 46, как на фиг.3, и выход 60 контроллера 50 скорости подачи электродной проволоки, как на фиг.4.

Процессор 70 сбора данных получает данные измерения от приборов 62, 64, 66, 68 для измерения параметров. Измеренные данные параметров сварки при желании используются процессором 70 для генерирования одного или более сигнала 72 обратной связи для управления процессом 10 сварки. Например, в процессе сварки постоянным током сигналы 72 обратной связи, соответственно, включают измеренные токи дуги электродов 12, 14, 16, 18. Регулировкой параметров процесса 10 сварки, таких как скорость подачи электродной проволоки или напряжение дуги каждого электрода, поддерживают сигнал 72 обратной связи - токи дуги - в основном постоянным. В некоторых вариантах аналогично управляют скоростью подачи электродной проволоки или напряжением дуги для каждого электрода для контроля длины дуги или другой характеристики сварки.

Измеренные данные параметров сварки также сохранены в устройстве 74 хранения данных, которым может быть, по существу, постоянная, не энергозависимая память, типа накопителя на магнитных дисках, или временная, энергозависимая память, типа оперативной памяти (RAM), или некоторой их комбинацией. Необязательно, процессор 70 сбора данных выполняет одно или несколько вычислений или преобразований измеренных данных и сохраняет преобразованные измеренные данные параметров сварки.

В одном варианте приборы 62, 64, 66, 68 для измерения параметров измеряют выходные цифровые данные в выбранных интервалах (например, один набор измерений каждые 100 миллисекунд) и сохраняют цифровые данные, соответствующие дискретным значениям времени. В другом варианте приборы 62, 64, 66, 68 для измерения параметров выполняют аналоговые измерения, и процессор 70 сбора данных, включающий схему аналого-цифрового преобразования, преобразовывает измеренные данные в цифровую форму и сохраняет преобразованные измерения параметров сварки в устройстве хранения данных 74.

Сохраненные, измеренные параметры сварки могут быть вызваны пользователем или оператором через пользовательский интерфейс 80. Пользовательский интерфейс включает одно или более устройство ввода, типа показанной клавиатуры 82, манипулятор, типа "мыши" или "трекбола" или подобные. Пользовательский интерфейс также включает дисплей или монитор 84, который предпочтительно имеет возможность отображать графику, хотя также предусмотрен и текстовый дисплей.

На фиг.6 подходящий дисплей или окно монитора 84 отображает график 90 тока дуги, график 92 напряжения дуги и график 94 скорости подачи электродной проволоки. На каждом графике 90, 92, 94 данные параметра сварки для каждого из четырех электродов 12, 14, 16, 18 изображены с использованием различных типов линий - сплошной, штриховой или пунктирной. На дисплее на фиг.6 четыре электрода 12, 14, 16, 18 обозначены как "ДУГА 1", "ДУГА 2", "ДУГА 3", и "ДУГА 4", соответственно. Данные параметров сварки на графиках 90, 92, 94 представлены в зависимости от оси абсцисс 96, показывающей положение перемещения четырех тандемных электродов 12, 14, 16, 18.

Дисплей или экран на фиг.6 используются для определенных диагностических целей, таких как идентификация вышедшего из строя электрода. Однако сами по себе данные для каждого электрода не являются показательными для всего сварного шва. Например, как отмечено со ссылкой на фиг.1 и 2, в точке 36 выполненный многослойный наплавленный валик сварного шва включает доли наплавленных валиков сварного шва от всех четырех электродов 12, 14, 16, 18. Следовательно, пользователь или оператор имеют опцию, выбора селектора 100 анализа качества, используя, например, указатель 102 "мыши", приводимый в действие "мышью", "трекболом" или другим устройством манипуляции. В другом варианте для выбора анализа качества может использоваться выбор с помощью клавиатуры.

На фиг.5 выбор селектора 100 анализа качества заставляет процессор 110 анализа качества выполнить один или более анализ всего процесса тандемной сварки. Процессор анализа качества считывает с устройства 74 хранения данных выбранные данные параметров сварки для каждого из четырех электродов 12, 14, 16, 18, и на основании их вычисляет сравниваемый параметр тандемной сварки. Вычисленный параметр тандемной сварки отображается на дисплее или окне монитора 84.

Сравниваемый параметр тандемной сварки может быть таким же или отличаться от данных параметра сварки для каждого из четырех электродов 12, 14, 16, 18. Например, данные параметра сварки для каждого из четырех электродов 12, 14, 16, 18 могут быть сварочным током, и сравниваемый параметр тандемной сварки может быть общим сварочным током, вычисленным, суммируя сварочные токи этих четырех электродов 12, 14, 16, 18. В качестве альтернативы, данные параметра сварки для каждого из четырех электродов 12, 14, 16, 18 могут быть сварочным напряжением и сварочным током, и сравниваемый параметр тандемной сварки может быть общей погонной энергией.

Продолжая ссылаться на фиг.5 и со ссылкой на фиг.1 и 2, видно, что перед сравнением измеренных данных параметра сварки от электродов 12, 14, 16, 18 данные параметра сварки изменяют до общего контрольного показателя. Например, соответствующий общий контрольный показатель - положение ведущего электрода 12, которое обозначено как x₀ на фиг.1, 2, и 5. Положение x₀ определяет положение электрода 12 в направлении по оси х сварного шва 24.

Желательно, чтобы положение x₀, как правило, изменялось как функция времени, вследствие перемещения работающих одновременно тандемных электродов 12, 14, 16, 18. Например, если процесс 10 тандемной сварки начинается при времени t=0 с ведущим электродом 12 в положении x₀, то положение x₀ в более позднее время t соответственно получают, умножая время t на скорость перемещения. В другом варианте положение x₀ определяют относительно положения перемещения группы электродов 12, 14, 16, 18. Это положение перемещения может контролироваться, например, датчиками на сварочном роботе.

Положение других электродов, такое как положение заднего электрода 18 определяют как x₁, в любое заданное время t задается как x₀+Δx, где Δx - отмеченное отклонение или промежуток между ведущим электродом 12 (или другой контрольный электрод или контрольное положение) и другим электродом.

В одном варианте процессор 70 сбора данных выполняет преобразование измеренных данных, преобразовывая измеренные данные параметра сварки как функцию времени для каждого электрода 12, 14, 16, 18 в измеренные данные параметра сварки как функцию положения. Данные ведущего электрода 12 соответственно преобразованы в функцию положения в соответствии с x₀=S·t, где S - скорость перемещения, и t - время сбора данных для каждого измеренного исходного параметра сварки. Данные для электрода 18 соответственно преобразованы в функцию положения, используя х₁=x₀+Δx. Данные для других электродов 14, 16 преобразованы аналогично, используя соответствующие промежутки или отклонения электродов 14, 16 от ведущего электрода 12.

В другом варианте процессор 70 сбора данных сохраняет измеренные данные сварки как функцию времени и процессор 110 анализа качества выполняет преобразование от временной области до положения по направлению перемещения по оси х, используя вышеописанные формулы.

После того как данные преобразованы как функция положения по направлению перемещения по оси х, соответственно, вычисляют параметр тандемной сварки, сравнивая значения параметра сварки множества электродов 12, 14, 16, 18 в заданном положении. Желательно, чтобы сравниваемые данные были разнесены во времени в соответствии с описанным контрольным изменением.

В другом варианте процессор 70 сбора данных сохраняет измеренные данные сварки как функцию времени, и процессор 110 анализа качества также вычисляет параметр тандемной сварки как функцию времени. В этом варианте и обозначении ведущего электрода 12 как контрольного электрода исходное значение для ведущего электрода 12, полученное при времени t₀, сравнивают с исходными значениями для других электродов, полученных при времени t₀+Δx/S, где Δx - отмеченное отклонение или промежуток между ведущим электродом 12 и другим электродом, и S - скорость перемещения.

В одном варианте вычисленные параметры тандемной сварки включают производительность наплавки и погонную энергию. Производительность наплавки для процесса тандемной сварки 10, соответственно, вычислена, суммируя вместе производительности наплавки множества электродов 12, 14, 16, 18 в заданном положении, например, в контрольном положении x₀ ведущего электрода. Для того чтобы вычислить производительность наплавки в положении x₀, вычисление соответственно замедляется временем, соответствующим пространственному отклонению Δх между ведущим электродом 12 и последним электродом 18, деленным на скорость перемещения, так чтобы когда производительность наплавки в x₀ тандемной сварки была вычислена, все четыре электрода 12, 14, 16, 18 выполнили наплавку в положении x₀. В качестве альтернативы тандемная производительность наплавки может быть вычислена, используя положение x₁ последнего электрода 18 как контрольное положение, таким образом, гарантируя, что все четыре электрода 12, 14, 16, 18 выполнили наплавку в контрольном положении, когда вычислен параметр тандемной сварки.

Более того, хотя, как правило, удобно использовать положение одного из множества электродов как контрольное, может быть предусмотрено контрольное положение, расположенное в некотором другом положении, отличающемся от положения различных электродов. Например, положение, лежащее на середине между электродами 14, 16, может быть выбрано как контрольное положение. Такое контрольное положение имеет преимущество, поскольку соответствует середине группы тандемных электродов.

Аналогично вычисляется погонная энергия для процесса 10 тандемной сварки, складывая вместе погонные энергии множества электродов 12, 14, 16, 18 в заданном положении.

На фиг.7 показан соответствующий дисплей или окно, отображенное на мониторе 84 для обеспечения анализа качества. В дополнение к измеренным параметрам, таким как измеренное напряжение, ток и скорость подачи электродной проволоки для каждого электрода, пользователем или оператором предусмотрены некоторые дополнительные данные, которые используются для вычислений при выполнении тандемной сварки. Отклонения электродов Δx для каждого электрода от ведущего электрода 12 вводятся в набор ввода данных 120, названный "Расстояние от ведущего электрода".

В примерах данных, показанных на фиг.7, "ДУГА 1", которая соответствует ведущему электроду 12, имеет Δx=0, это показывает, что электрод 12, обозначен как контрольный электрод. "ДУГА 2", "ДУГА 3" и "ДУГА 4", которые соответствуют электродам 14, 16, 18, соответственно, имеют отклонения Δx от ведущего электрода 12 в 1-дюйм, 2-дюйма и 3-дюйма. Эти величины соответствуют одинаковому промежутку ближайших электродов в 1-дюйм для каждой пары ближайших соседних электродов из четырех электродов в тандемном расположении. Желательно, однако, чтобы также использовались неодинаковые промежутки между соседними электродами. Более того, в некоторых вариантах еще один электрод может быть обозначен как контрольный электрод, вводя соответствующие значения в набор данных 120 "Расстояние от ведущего электрода". Например, для одинакового 1-дюймового промежутка ближайших соседних электродов вводятся значения "ДУГА 1"=-3-дюйма, "ДУГА 2"=-2-дюйма, "ДУГА 3"=-1-дюйм, "ДУГА 4"=0-дюймов, устанавливающие задний электрод 18, как контрольный электрод.

Вводимые пользователем данные также включают набор 122 данных диаметра проволоки для электродной проволоки электродов. В примерах вводимые данные показаны на фиг.7, все четыре электрода 12, 14, 16, 18 используют проволоку, имеющую диаметр 1/8-дюйма (0,125-дюйма). Желательно, однако, чтобы электроды могли использовать проволоку различных диаметров. Вводимые данные диаметра используются для вычисления площади поперечного сечения проволоки согласно площади A=π(d/2)², где A - площадь, и d - диаметр проволоки. Также предусмотрено использование электродной проволоки, имеющей некруглое поперечное сечение, при этом соответствующие геометрические формулы площади и соответствующие вводимые пользователем данные обеспечивают вычисление площади поперечного сечения. В другом варианте набор 122 вводимых данных диаметра проволоки может быть заменен набором данных площади поперечного сечения проволоки, таким образом устраняя вычисление площади поперечного сечения проволоки.

Вводимые пользователем данные, также включают ввод данных скорости 124 перемещения, в которые пользователь вводит общую скорость перемещения группы тандемных электродов 12, 14, 16, 18, и ввод плотности 126 металла, в которые пользователь вводит плотность электродной проволоки. Хотя на фиг.7 предусмотрен ввод одной плотности 126 металла, также предусмотрено использовать ввод отдельной плотности металла для каждого электрода для того, чтобы было возможно использование электродной проволоки из различных материалов в различных электродах. Плотность металла в примере - 490,059 фунт/фут³ и соответствует стали. Скорость перемещения в примере на фиг.7 - 60 дюймов/минуту.

Набор 122 вводимых данных диаметра проволоки, плотности 126 металла, и измеренной скорости подачи электродной проволоки для каждого электрода используются для вычисления производительности наплавки для каждой проволоки согласно:

где R - производительность наплавки, i - показатель количества электродов (i=1…4 для процесса 10 тандемной сварки), d_i - диаметр проволоки у i-го электрода, ρ_метал - плотность электродной проволоки (например, 490 фунт/фут³ для стали), и (WFS)_i - скорость подачи электродной проволоки у i-го электрода. Измеренный параметр (WFS)_i для каждого электрода соответственно изменен до контрольного момента времени или положения, на основании скорости перемещения и на расстоянии электрода от ведущего электрода или другого контрольного электрода, как уже описано для вычисления параметров тандемной сварки.

Погонная энергия тандемной сварки соответственно вычислена от измеренного сварочного тока и параметров напряжения электродов, наряду со скоростью перемещения как:

где H - погонная энергия тандемной сварки, i - показатель количества электродов (i=1…4 для процесса тандемной сварки 10), V_i и I_i - измеренные напряжение и ток, соответственно, и S - скорость перемещения (60 дюймов/минуту в примере на фиг.7). Уравнение (2) применимо для сварки при постоянном токе, и может обеспечить необходимое приближение для сварки с управлением формой импульсов на переменном токе, когда V_i и I_i соответствуют среднеквадратичному (rms) напряжению и току, соответственно. Необязательно значение погонной энергии вычислено как произведение V_i×I_i в уравнении (2), и может быть изменено включением дополнительных значений, таких как значение коэффициента мощности для сварки на переменном токе. Для сварки с управлением формой импульсов произведение V_i×I_i может быть заменено мгновенно выбранными напряжением, умноженным на мгновенно выбранный ток, объединяющие свыше одного или более колебаний, как описано в опубликованной заявке US 2003-0071024 А1. В любом из этих вариантов измеренные ток и напряжение для каждого электрода соответственно изменены до контрольного времени или положения, на основании скорости перемещения и расстоянии электрода от ведущего электрода или другого контрольного электрода, как уже описано для вычисления параметров тандемной сварки.

Продолжая ссылаться на фиг.7, на графике 130, производительность наплавки процесса тандемной сварки изображена как функция положения ведущего электрода или другого контрольного положения. График 130 производительности наплавки соответственно построен повторным вычислением производительности наплавки процесса тандемной сварки в соответствии с уравнением (1) для множества последующих положений x₀ ведущего электрода как протекание процесса 10 сварки по направлению по оси х сварного шва 24. Производительность наплавки при тандемной сварке может несколько изменяться с течением времени (или эквивалентно, по положению x₀ ведущего электрода), как показано в примере на графике 130. Например, можно управлять и динамически регулировать скорость подачи электродной проволоки для каждого электрода 12, 14, 16, 18 для поддержания выбранной длины дуги, и эти регулирования скорости подачи электродной проволоки вызывают соответствующие изменения в производительности наплавки в соответствии с уравнением (1).

Продолжая ссылаться на фиг.5 и 7, процессор 110 анализа качества предпочтительно предусматривает различные выбираемые пользователем средства анализа. Например, пользователь может выбрать между ярлыком "Статистика" 132 и ярлыком "Указатель значений" 134. Ярлык "Статистика" 132 вызывает ряд статистических значений анализа 140, показанных на фиг.7, которые включают усредненное или среднее значение производительности наплавки 142 и погрешность, среднеквадратичное отклонение 144, или другие измерения "распределения" производительности наплавки с течением времени или эквивалентно положению сварного шва. Статистические значения также включают минимальную производительность наплавки 150 и максимальную производительность наплавки 152 по статистически проанализированной области значений. Другие статистические значения, такие как отношение 154 усредненной или средней производительности наплавки к среднеквадратичному отклонению и отношение 156 распределения производительности наплавки (то есть, разность между максимальной производительностью наплавки 152 и минимальной производительностью наплавки 150) к усредненной или средней производительности наплавки, могут быть также предусмотрены.

Более того, предусмотрена средняя погонная энергия 160. Средняя погонная энергия 160 - среднее по статистически проанализированной области значений вычисленного тандемного параметра погонной энергии, например, используя уравнение (2).

Продолжая ссылаться на фиг.5 и 7 и с дальнейшей отсылкой на ФИГ.8, выбираемый пользователем ярлык "Индикатор значений" 134 меняет набор 140 статистических значений анализа, показанных на фиг.7, на набор 170 индикации значений, показанный на фиг.8. Набор 170 индикации значений отображает значения параметра тандемной сварки для сварки в нижнем и верхнем положениях курсора 172, 174. На дисплее, показанном на фиг.8, значения параметра тандемной сварки включают тандемную производительность наплавки 176 и тандемную погонную энергию 178. Дисплей также отображает разницу значений 180 между значениями параметра сварки при верхнем и нижнем курсорах 172, 174. Пользователь может перемещать курсоры 172, 174 используя указатель "мыши", клавиши управления курсором клавиатуры, или другого соответствующего устройства ввода пользователя, и набор 170 значений обновляется для отображения нового положения или положений курсора.

В одном варианте набор 140 статистических значений анализа, показанный на фиг.6, вычислен для непрерывной области между нижним и верхним курсорами 172, 174. Это позволяет, например, статистическому анализу, выполненному по непрерывной области, исключить область шумов вблизи начала или конца процесса 10 сварки. Пользователь при желании может также вручную изменить масштаб графика 130, используя соответствующие операции "мыши" и/или клавиатуры или подобных. В одном варианте "+" и "-" кнопки 184 изменения масштаба позволяют пользователю изменить масштаб графика 130 производительности наплавки, увеличить или уменьшить, соответственно, заданным увеличением, таким как ±2×, увеличением коэффициента масштабирования для каждого нажатия на одну из кнопок 184 изменения масштаба. В другой опции двойное нажатие "мыши" на график 130 производительности наплавки вызывает отображение производительности наплавки в положении указателя "мыши". Второе двойное нажатие вызывает отображение положения перемещения в положении указателя "мыши".

Для получения продолжительного отчета о процессе 10 сварки пользователь нажимает на кнопку 188 "Сохранить Отчет". Эта операция вызывает появление диалогового окна сохранения Windows или другого соответствующего взаимосвязанного окна, через которое пользователь указывает путь и имя файла для сохранения параметров тандемной сварки в файле. Сохраненные данные могут включать, например, измеренные параметры сварки для каждого электрода 12, 14, 16, 18, а также и вычисленные на их основании параметры тандемной сварки, наряду с введенными пользователем значениями 120, 122, 124, 126. Хотя на фиг.7 и 8 не показано, аналогично предусмотрено включение кнопки "Печать", которая вызывает печать соответствующего отчета на подключенном принтере, сетевом принтере или подобном. Выбор пользователем кнопки 190 "Закрыть" вызывает закрытие окна анализа.

Описанные средства анализа являются только примерами. Специалисты в данной области техники могут без труда создать другие средства. Например, погонная энергия тандемной сварки может быть графически построена вместо или в дополнение к производительности наплавки на графике 130. В то же время ярлыки 132, 134 переключают между статистическими значениями и индикатором значений, предусмотрено отображение обоих наборов 140, 170 параметров одновременно, мозаикой или другого соответствующего расположения отображений. Аналогично графики 90, 92, 94 измеренных параметров каждого электрода могут отображаться одновременно, мозаикой или комбинированы иначе с отображениями, показанными на фиг.7 и 8. Выбор визуального расположения результатов анализа и количества данных, одновременно отображенных, соответственно, определяется на основании соображений, таких как размер и разрешающая способность дисплея или монитора 84. Более того, текстовый дисплей может быть заменен на описанный графический дисплей 84.

Более того, желательно, чтобы устройство 74 хранения данных, показанное на фиг.5, было оперативной памятью (RAM), не энергозависимым накопителем на магнитных дисках, временной кэш-памятью магнитного диска, не энергозависимой, полупроводниковой флэш-памятью, оптическим диском, комбинацией двух или более из этих носителей данных, или подобных. В то же время процессоры 70, 110 и устройство 74 хранения данных, и пользовательский интерфейс 80, показанные на фиг.5, являются отдельными компонентами, желательно, чтобы эти компоненты могли быть объединены различными способами. В одном предусмотренном варианте процессоры 70, 110 были составной частью программного обеспечения, запускаемого на компьютере, который включает пользовательский интерфейс 80, и устройство 74 хранения данных, которым является жесткий диск и/или оперативная память, содержащиеся в компьютере или доступные компьютером по локальной сети или Интернету. В другом рассмотренном варианте процессоры 70, 110 и устройство 74 хранения данных были составной частью сварочного источника электропитания, который управляет электродами 12, 14, 16, 18, и пользовательский интерфейс 80 был связан со сварочным источником электропитанием по цифровой линии связи.

Описанные варианты используют тандемные электроды, размещенные линейно по направлению перемещения по оси х. Однако, способ анализа и устройство могут использоваться в других конфигурациях множества электродов, которые объединены для формирования сварного шва. Например, описанные способы анализа и устройства могут быть использованы при параллельной конфигурации электродов, в которой множество электродов размещены для одновременного наплавления наплавленного ролика сварного шва в том же самом положении x по направлению перемещения по оси х. Такое расположение предусмотрено установкой вводимых данных "Расстояние от ведущего электрода" 120 (показанное на фиг.7 и 8) до нуля для всех электродов, поскольку параллельные электроды наплавляют в том же положении x₀.

Изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты. Очевидно, разновидности и видоизменения появятся после прочтения и понимания настоящего подробного описания. Предполагается, что изобретение рассмотрено, как включающее все такие разновидности и видоизменения, в той мере, как они присутствуют в рамках приложенной формулы изобретения или ее эквивалентов.

Реферат

Изобретение относится к области электродуговой сварки, в частности, ! к способу контроля процесса тандемной сварки, способу тандемной сварки и системе тандемной сварки. Система тандемной сварки включает множество расположенных на расстоянии друг от друга электродов для перемещения с общей скоростью и совместно выполняющих сварной шов. Устройство хранения данных сохраняет измеренные данные для каждого электрода в течение выполнения сварного шва. Устройство выполняет процесс, включающий выбор измеренных данных для каждого электрода, соответствующих электроду, проходящему контрольное положение, и сравнение выбранных измеренных данных множества расположенных на расстоянии друг от друга электродов для вычисления параметра сварного шва тандемной системы сварки в контрольном положении. 3 н. и 35 з.п. ф-лы, 8 ил.

Формула