Universitatea Universitatea „„Dunărea de JosDunărea de Jos”” din Galadin GalaţţiiFacultatea de MecanicăFacultatea de Mecanică

CONTCONTRRIBUIBUŢŢII LA TRANSFERUL MASIC II LA TRANSFERUL MASIC DIN ARCUL ELECTRIC DE SUDAREDIN ARCUL ELECTRIC DE SUDARE

IIngng. . LuigiLuigi RenatoRenato MISTODIEMISTODIE

CONDUCĂTOR CONDUCĂTOR ŞŞTIINTIINŢŢIFIC:IFIC:Prof. Prof. ddr. r. iingng. Emil CONSTANTIN. Emil CONSTANTIN

20201010

UNIVERSITATEA”DUNĂREA DE JOS” DIN GALAŢI FACULTATEA DE MECANICĂ

Teză de doctorat

CONTRIBUŢII LA TRANSFERUL MASIC DIN ARCUL

ELECTRIC DE SUDARE

SL. ing. Luigi Renato MISTODIE

Conducător ştiinţific, Prof. dr. ing. Emil CONSTANTIN

Galaţi, 2010

- 3 -

INTRODUCERE

Sudarea în mediu de gaze -MIG- reprezintă, şi la ora actuală, un procedeu cu extindere largă în multe domenii industriale precum naval şi siderurgic. Acest lucru se datorează avantajelor pe care acesta le oferă: productivitate mare, calitate superioară a îmbinării, posibilităţi de mecanizare şi robotizare.

În paralel cu extinderea domeniului de aplicaţie s-au dezvoltat continuu şi au apărut materiale şi tehnologii noi, surse de sudare sinergice, digitale performante.

Pentru conceperea, proiectarea şi testarea acestora s-au utilizat echipamente de cercetare, analiză a fenomenelor chimice, metalurgice, electromagnetice şi de transfer care guvernează procesele din arc şi din baia de sudură.

În mod tradiţional, în studiile efectuate asupra proceselor de sudare cu arc electric, accentul este pus pe corelaţiile între parametrii de regim, consideraţi ca mărimi de intrare, şi geometria arcului concretizaţi în parametrii de ieşire sau de calitate. Aceste abordări urmăresc rezultatul final, şi anume geometria cordonului şi proprietăţile mecanice ale îmbinării sudate corelate cu parametrii regimului de sudare. Astfel esenţa procesului, instrumentul prin care se realizează sudarea, ARCUL ELECTRIC, este considerat drept o cutie neagră. Acest lucru se datorează greutăţii şi complexităţii investigării şi modelarii fenomenelor care guvernează acest mic univers.

Metodele clasice de investigare a fenomenelor fizice din arcul electric utilizează informaţiile generate de proces: sunetul, radiaţia arcului în spectrul vizibil (luminozitatea) şi în infraroşu (generatoare de căldură).

Acestea sunt direct dependente, pe de-o parte, de parametrii electrici, măsurabili ai regimului de sudare, şi pe de alta de tipul procesului în sine, materialele de adaos utilizate şi anumiţi factori tehnologici.

În cadrul tezei de doctorat autorul şi-a propus să realizeze o abordare originală, a modului în care sunt analizate procesele de sudare cu arc, în centrul tuturor corelaţiilor stând „PICĂTURILE” transferate în spaţiul arcului electric. În acest scop, în prima fază, a trebuit realizat un sistem complex care să permită vizualizarea fenomenelor de transfer masic, din spaţiul arcului. Concomitent a fost analizat câmpul termic la sudare, elaborându-se modelele matematice pentru distribuţia temperaturilor la sudarea prin procedeele WIG şi MIG.

S-a realizat studiul dinamicii picăturilor transferate, utilizând diferite modele matematice, verificate ulterior pe baza rezultatelor experimentale.

În final a fost elaborat un concept nou „FUNCŢIE PICĂTURĂ” prin care este realizat controlului întregului proces de sudare MIG-P.

Metoda de investigare utilizată în teză se bazează în mod exclusiv, pe informaţiile furnizate de radiaţia arcului electric. Acestea sunt înregistrate prin filmare ultrarapidă, prelucrate prim metode şi algoritmi specifici. Din imaginile rezultate, după o selecţie prealabilă, se extrag dimensiunile mărimilor specifice picăturilor, stropilor, arcului şi băii de sudare. Acestea sunt supuse ulterior unor corelaţii statistice. În final se obţine un model global, care are în centrul tuturor corelaţiilor, între parametrii de intrare şi cei de ieşire, picătura metalică transferată prin arcul electric de sudare.

Procedeul, la care practic este predictibilă geometria şi dinamica picăturilor transferate prin arcul electric, utilizează curentul pulsat. Pentru realizarea cercetărilor experimentale, autorul tezei, a dezvoltat un sistem performant de investigare a arcului electric prin filmare directă şi măsurare sincronă a parametrilor electrici ai regimului de sudare, cu aplicabilitate, la investigarea fenomenelor la sudarea prin procedeul MIG în curent pulsat, MIG-P.

- 4 -

CUPRINS

INTRODUCERE .............................................................................................. 3 3SEMNIFICAŢIA PRINCIPALELOR MĂRIMI APĂRUTE ÎN LUCRARE 9CAPITOLUL 1. Procese fizice în arcul electric 7 121.1. Arcul electric. Studiu teoretic ..................................................................... 7 12 1.1.1. Descărcarea autonomă ....................................................................... 7 12 1.1.2. Conductivitatea gazelor ionizate.......................................................... 14 1.1.3. Conductivitatea electrică a gazului puternic ionizat ............................. 151.2. Regimul dinamic al arcului electric ............................................................ 7 16 1.2.1. Ecuaţia de mişcare. Bilanţul puterilor .................................................. 16 1.2.2. Modele cilindrice ale coloanei arcului .................................................. 17 1.2.3. Efectul Pinch ...................................................................................... 8 20 1.2.4. Arcul electric de curent continuu.......................................................... 221.3. Formarea şi elementele arcului electric de sudare .................................... 8 24 1.3.1. Ionizarea gazului ................................................................................ 25 1.3.2. Temperatura arcului ............................................................................ 9 27Concluzii........................................................................................................... 28CAPITOLUL 2. Modelarea matematică a arcului electric ............................ 9 292.1. Modelarea arcului electric la sudarea fără transfer masic ......................... 9 29 2.1.1. Ipoteze de studiu ................................................................................. 10 32 2.1.2. Coeficienţii de transport ....................................................................... 10 35 2.1.3. Metode numerice de rezolvare ............................................................ 38 2.1.4. Modelul coloanei arcului ...................................................................... 422.2. Modelarea arcului electric la sudarea cu transfer masic............................ 10 43 2.2.1. Teoria echilibrului static al forţelor din arc ........................................... 11 46 2.2.2. Teoria instabilităţii Pinch...................................................................... 12 48Concluzii........................................................................................................... 52CAPITOLUL 3. Ciclogramele transferului pulsat ......................................... 13 533.1. Transferul masic la sudarea în mediu de gaz protector. Clasificarea dupămodul de transfer metalic în arc ...................................................................... 53 3.1.1.Tensiunea superficială.......................................................................... 54 3.1.2. Efectul Pinch ....................................................................................... 553.2. Transferul metalic într-un arc pulsat .......................................................... 13 553.3. Condiţii experimentale pentru sudarea în arc pulsat.................................. 583.4. Teoria transferului în curent pulsat ............................................................ 653.5. Caracteristici principale ale sudarii MIG-P................................................. 13 673.6. Avantajele şi direcţiile de dezvoltare ale procedeului de sudare MIG încurent 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 pulsaţie termică la frecvenţe mici ......................... 754.3. Sudarea în impulsuri scurte....................................................................... 76 4.3.1. Avantaje .............................................................................................. 76 4.3.2. Dezavantaje ........................................................................................ 764.4. Procedee moderne de sudare cu arc comandat în impulsuri .................... 14 77 4.4.1. Procesele de sudare CMT (Cold Metal Transfer) ................................ 14 77 4.4.2. Aristo SuperPulse / QSet TrueArcVoltage........................................... 14 78 4.4.3. Procedee moderne MIG/MAG dezvoltate de firma Cloos.................... 14 81Concluzii........................................................................................................... 83

- 5 -

CAPITOLUL 5. Contribuţii la transferul masic în cazul sudării MIG-MAG . 15 845.1. Introducere ................................................................................................ 15 845.2. Modelarea fenomenelor de transfer masic ................................................ 15 84 5.2.1. Forţele din arcul de sudare.................................................................. 15 84 5.2.2. Formarea picăturilor din sârma electrod .............................................. 15 855.3. Verificarea numerică 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 stabilităţii transferului masic .................................................... 89Concluzii........................................................................................................... 91CAPITOLUL 6. Achiziţia şi 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.............................................. 94 6.1.2. Metode de captare a imaginilor şi sisteme senzoriale ......................... 95 6.1.3. Placa de captură.................................................................................. 103 6.1.4. Configuraţia sintetică a sistemului de filmare ...................................... 17 1046.2. Aspecte privind prelucrarea imaginilor....................................................... 17 104 6.2.1. Generalităţi .......................................................................................... 17 104 6.2.2. Achiziţia imaginilor. Alegerea componentelor sistemului .................... 106 6.2.3. Clase de imagini .................................................................................. 107 6.2.4. Prelucrări grafice ................................................................................. 17 107 6.2.5. Recunoaşterea formelor ...................................................................... 1096.3. Utilizarea camerelor HDRC Cmos în sistemele de monitorizare a arculuielectric .............................................................................................................. 18 110 6.3.1. Introducere .......................................................................................... 110 6.3.2. Aplicaţii ................................................................................................ 110 6.3.3. Tehnici de filmare ultrarapidă .............................................................. 18 111 6.3.4. Aspecte privind cerinţele sistemelor de filmare ................................... 18 111 6.3.5 Tehnica „Shadowgraphică” sau „Back-lighting” .................................... 112 6.3.6. Varianta cu proiector stroboscopic ...................................................... 113 6.3.7. Varianta utilizând camere HDRC......................................................... 18 113Concluzii........................................................................................................... 123CAPITOLUL 7. Contribuţii la realizarea unui sistem computerizat pentruanaliza prin filmare ultrarapidă a transferului masic .................................. 20 1247.1. Echipamentul realizat şi utilizat în cadrul investigaţiilor ............................. 20 124 7.1.1. Realizarea sistemului de monitorizare în cadrul laboratoarelorDepartamentului de Robotică şi Sudare al Universităţii „Dunărea de Jos” dinGalaţi, utilizând componente software” National Instruments”.......................... 124 7.1.2. Prezentarea sistemului utilizând camere „HDRC” cu sincronizareexternă. Subsistemul de măsură a mărimilor analogice ................................... 20 1247.2. Echipamentul de filmare ............................................................................ 21 126 7.2.1. Sistemul de filmare .............................................................................. 21 127 7.2.2. Cameră C-MOS cu senzor LIN-LOG 2 ................................................ 21 129 7.2.3. Sistemul optic-macro ........................................................................... 21 132 7.2.4. Placa de captură microEnable III......................................................... 22 1337.3. Unitatea de calcul specializată .................................................................. 1337.4. Soft integrat de comandă pentru instrumentaţie virtuală ........................... 22 133 7.4.1. Meniul de configurare a parametrilor de achiziţie de date –Configuration .................................................................................................... 133

- 6 -

7.4.2. Meniul de achiziţie a parametrilor analogici – Acquisition.................... 134 7.4.3. Meniul de achiziţie de imagine – Image ACQ...................................... 135 7.4.4. Meniul de sincronizare între cadrele de imagine şi mărimile analogice– SYNC Image & ACQ ..................................................................................... 136 7.4.5. Meniul de analiză de imagine – Image Analisys .................................. 137 7.4.6. Bloc conector....................................................................................... 1387.5. Surse de sudare sinergică ESAB ARISTO 2000, cap de sudare cudispozitivul de poziţionare aferent .................................................................... 1387.6. Sistem de deplasarea a tablelor (pieselor) sudate .................................... 22 140Concluzii........................................................................................................... 143CAPITOLUL 8. Testarea sistemului de achiziţie de date şi a camerei defilmare ............................................................................................................. 23 1448.1. Testarea sistemului de achiziţie de date utilizând osciloscopul digitalTektronics TDS 2012 şi pachetul software Wavestar ....................................... 23 144 8.1.1 Introducere ........................................................................................... 144 8.1.2. Parametrii curentului pulsat la sudarea MIG-P .................................... 144 8.1.3. Sisteme de măsură şi monitorizare ..................................................... 145 8.1.4. Metode de măsurare a curentului de sudare ....................................... 23 146 8.1.5. Senzor Hall .......................................................................................... 23 146 8.1.6. Calibrarea sistemului de achiziţie ........................................................ 23 1488.2. Testarea şi alegerea vitezei optime de filmare pentru camera ultrarapidăMV-D-1024-160................................................................................................ 24 151Concluzii........................................................................................................... 154CAPITOLUL 9. Cercetări experimentale privind corelaţiile dintreparametrii regimului de sudare MIG-P cu diametrul picăturilor şigeometria arcului .......................................................................................... 25 1559.1. Introducere ................................................................................................ 25 155 9.1.1. Datele de intrare a determinărilor experimentale................................. 25 155 9.1.2. Analiza regimurilor sinergice standard................................................. 25 1559.2. Cercetări asupra variaţiei diametrului picăturii în diferite faze a unui ciclutransfer ............................................................................................................. 26 1589.3. Corelaţii între parametrii regimului de sudare în curent pulsat geometriaarcului şi diametrul picăturilor ........................................................................... 28 165Concluzii........................................................................................................... 177CAPITOLUL 10. Optimizarea regimurilor sinergice la sudarea MIG în curent pulsat 32 17810.1. Introducere .............................................................................................. 17810.2. Obiective ................................................................................................. 17910.3. Concluzii .................................................................................................. 183CAPITOLUL 11. Concluzii generale şi contribuţii personale ...................... 34 18411.1. Concluzii generale ................................................................................... 34 18411.2. Contribuţii personale................................................................................ 37 186BIBLIOGRAFIE ................................................................................................ 40 190ANEXA 1 .......................................................................................................... 198ANEXA 2 .......................................................................................................... 204ANEXA 3 .......................................................................................................... 211ANEXA 4 .......................................................................................................... 213

- 7 -

CAPITOLUL 1. PROCESE FIZICE ÎN ARCUL ELECTRIC 1.1. Arcul electric. Studiu teoretic

1.1.1. Descărcarea autonomă Arcul electric sau descărcarea prin arc este o descărcare autonomă în gaze sau

vapori care se caracterizează prin [3,35,91,139,165]: - densitatea de curent mare(102-108 A/cm2); - căderea de tensiune catodică mică; - temperatura înaltă şi presiunea mărită a gazelor (arcul se sprijină pe o suprafaţa

foarte mică iar temperatura din coloana arcului este de 3000-24000 oK). Pentru ca electronul să obţină energia necesară excitării şi ionizării unui gaz el

trebuie să fie accelerat în câmpul electric. Trecerea curentului electric, excitarea şi recombinarea, provoacă o încălzire

puternică a spaţiului de arc, astfel că întreg gazul se află la temperaturi înalte. Această stare de încălzire puternică provoacă şi ea ionizarea gazului.

Ca în orice altă descărcare electrică în gaz, şi în cazul arcului electric, ionizarea prin şoc joacă un rol important în multiplicarea purtătorilor de sarcină. Aceasta poate fi una din explicaţiile densităţilor foarte mari de curent. Condiţiile ionizării sunt determinate de gradul de ionizare α a electronului şi gradul de ionizare β a ionului pozitiv. În figura 1.1 este prezentat fenomenul ionizării în care electrozii sunt plasaţi la distanţa larc şi sunt alimentaţi de la o sursă de tensiune continuă.

Fenomenele care intervin odată cu obţinerea descărcării autonome sunt: ionizarea prin şoc, fotoionizarea, emisia secundară, emisia termică, emisia datorită câmpului electric. Cifra de ionizare α depinde de natura gazului, de energia ionului care face impact cu catodul, de natura catodului etc. În concluzie, fenomenul ionizării scoate în evidenţă dependenţa exponenţială a numărului purtătorilor de sarcină funcţie de distanţă.

Figura 1.1. Ionizarea arcului

1.2. Regimul dinamic al arcului electric Bilanţul puterilor

Bilanţul puterilor în unitatea de volum din coloana arcului electric poate fi dedus prin înmulţirea ecuaţiei de mişcare cu viteza, relaţie în care ţinem cont de relaţia [106]:

tpp

dtdpv

∂∂

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛γ

γ=∇r

Simple înlocuiri conduc la ecuaţia conservării energiei. Astfel se mai poate scrie :

IUPdtdQ

⋅=+ (1.20)

În multe studii, ceea ce interesează în mod deosebit, este caracterizarea arcului electric din punct de vedere electric şi anume printr-un element de circuit. Caracterizarea oricăror elemente de circuit este posibilă prin relaţia de dependenţă cauză-efect dacă elementul este liniar. În cazul elementelor neliniare această relaţie nu se poate prezenta analitic. Indiferent de relaţia cauză-efect, elementul de circuit este complet definit de produsul semnalelor (cauză-efect) numit putere instantanee. Fenomenele din coloana arcului electric depinzând de conţinutul de căldură sunt

- 8 -

caracterizate de elemente inerţiale întrucât temperatura este o mărime inerţială. Fiind un fenomen inerţial, relaţia cauză-efect depinde de valorile anterioare ale temperaturii din coloana arcului electric. Caracterizarea arcului este posibilă în aceste condiţii printr-o mărime ce face legătura între cauză şi efect, mărime numită conductanţă dinamică definită pe mărimi instantanee prin relaţia G=I/U. Ţinând cont că arcul electric are o temperatură ridicată şi că există o interdependenţă reciprocă între temperatură şi gradul de ionizare termică, se poate admite că valoarea energiei Q este o funcţie de conductanţa 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 bazează pe ipotezele elaborate de Mayr şi Cassie.

Ipoteza Mayr se verifică experimental pentru domeniul trecerii prin zero a curentului când diametrul coloanei arcului electric este minim şi se admite că răcirea se realizează prin conductivitate termică.

Ipoteza Cassie se verifică experimental pentru zone de curent intens şi deci în afara trecerii prin valoarea zero a curentului când se admite că răcirea se realizează prin convecţie.

În baza acestor ipoteze arcul electric de lungime larc are o secţiune constantă reprezentând un cilindru în care fie conductivitatea termică este constantă (Mayr) fie câmpul electric este constant (Cassie). În ambele ipoteze constanta arcului are aceeaşi valoare.

1.2.3. Efectul Pinch Arcul electric este supus forţelor electrodinamice şi contactului cu mediul exterior.

De aceea atât lungimea arcului cât şi dimensiunile secţiunii transversale sunt variabile în timp, forma sa geometrica fiind diferită în majoritatea cazurilor de un cilindru

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

42

20

Rrmax R4I)pp(p

πμ

=−=Δ (1.40)

Procesul de comprimare al coloanei de plasmă ca urmare al dezvoltării forţei Lorentz se numeşte efect Pinch. Practic, acest efect conduce la diametre de arc electric sensibil mai mici decât în cazul când nu se ia în considerare forţa Lorentz. În realitate arcul electric care arde într-un gaz nu îşi menţine coloana sub forma cilindrică deoarece piciorul arcului îşi are sediul pe un material conductor unde J = 106 - 108 A/cm2 iar coloana se dezvoltă într-un gaz, care este mediu mai puţin conductor. Ca urmare diametrul coloanei arcului în gaz va depăşi sensibil diametrul petei catodice iar arcul electric va prezenta o dilatare în zona centrală. Această modificare de diametre, pe măsură ce se trece la altă secţiune transversală în coloana arcului, cauzează o asimetrie de câmp magnetic şi de densitate de curent deci o modificare a forţei Lorentz faţă de cazul modelului cilindric. Efectul acestei asimetrii îl constituie formarea de curenţi de plasmă către axa de simetrie transversală a arcului.

1.3. Formarea şi elementele arcului electric de sudare

Densitatea de curent cauzată de termoemisie se calculează cu formula

Richardson-Dushman [10,25]:

TkUe

2ie0

eTAj o

o

⋅⋅= (1.55)

- 9 -

În care T este temperatura absolută, k=1,38 . 10-23 J/°K constanta lui Boltzmann, iar A - constanta egală cu 120,4 A/cm² . °K în cazul în care electronii nu suferă reflexii şi care se înjumătăţeşte când apar reflexii ale electronilor.

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

gazos din coloană şi de polaritate. Astfel temperatura coloanei arcului creşte odată cu creşterea curentului, scade odată cu scăderea potenţialului de ionizare şi este mai ridicată la sudarea cu polaritate inversă. Prin scăderea potenţialului de ionizare rezistenţa coloanei arcului scade şi, la acelaşi curent de sudare în coloană se dezvoltă mai puţină căldură [25,28,36,39,57].

La sudarea cu polaritate inversă temperatura coloanei creşte cu circa 500K. Aceasta se întâmplă datorită faptului că pata anodică are o temperatură mai ridicată decât pata catodică. La polaritate inversă, anodul este la electrod şi răcirea este mai puţin intensă decât atunci când anodul este pe piesele de sudat. Ca atare anodul radiază o cantitate de căldură mai mare spre coloana arcului. Făcând abstracţie de ceilalţi factori, K. K. Hrenov propune ca temperatura coloanei arcului să se calculeze numai în funcţie de potenţialul de ionizare, cu relaţia[28]:

În urma calculelor rezultă: 0"U810T ⋅= (1.78)

adică o evaluare globală simplistă, verificabilă experimental.

CAPITOLUL 2. MODELAREA MATEMATICĂ A ARCULUI ELECTRIC 2.1. Modelarea arcului electric la sudarea fără transfer masic

Arcul electric reprezintă un proces guvernat de procese metalurgice, chimice şi

electrice. Din această cauză o analiză computerizată a arcului este o problemă foarte dificilă în schimb poate duce la rezultate spectaculoase.

Pentru modelarea şi simularea proceselor de sudare cu gaze inerte (MIG şi WIG) sunt necesare informaţii amănunţite atât despre distribuţia fluxului de energie cât şi despre valoarea suprapresiunii de pe suprafaţa băii de sudare. Modelarea numerică a arcului poate da informaţii care pot fi folosite ca date de intrare pentru modelarea băii de sudare, optimizarea parametrilor arcului, simularea diverselor procedee de sudare[139]. Pentru a păstra această structură modulară, se poate defini modelul arcului ca o cutie neagră. Cel mai important rezultant il constituie determinarea distribuţia de energie/temperatura transmisă pieselor sudate.

Figura 2.1. Schema modulată a procesului de sudare

- 10 -

2.1.2. Modelul matematic Pentru realizarea modelului s-au considerat următoarele ecuaţii[139]: Maxwell,

continuităţii masei, de moment, de energie, pentru transportul vaporilor de metal, Saha şi ecuaţia de stare.

2.1.2. Coeficienţii de transport Plasma arcului este foarte sensibilă la impurităţile de gaz şi vapori de metal.

Aceste efecte sunt determinate de variaţiile drastice ale coeficienţilor de transport (densitatea, entalpia, conductivitatea electrică, conductivitatea termică, radiaţia) cu temperatura plasmei şi sensibilitatea sa la impurităţi.

Figura 2.3. Procesele fizice din zonele şi subzonele arcului electric

2.2. Modelarea arcului electric la sudarea cu transfer masic

Modelul global al procedeului de sudare MIG este alcătuit din următoarele

submodele (Fig. 2.13) [134, 135, 136, 137, 141]: - modelul plasmei arcului electric; - modelul băii de metal topit; - modelul transferului metalic şi de căldură în coloana arcului. Utilizând diferite modele matematice şi folosindu-se de metode moderne de

modelare numerică – prin diferenţe finite (PDE), volumului de fluid (VOF) – au fost simulate diferitele faze ale procesului de sudare cu arc electric, precum sunt:

- formarea, creşterea şi desprinderea picăturii; - deplasarea picăturilor în zbor liber prin coloana arcului; - impactul picăturii cu baia de metal topit; - solidificarea băii de metal topit; - căldura şi presiunea exercitată de plasma arcului asupra băii de metal topit.

- 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 forţelor din arc; - teoria instabilităţii forţelor “Pinch”; - teoria forţei jetului de plasmă; - teoria vitezei critice. În cazul sudării MIG, pentru explicarea fenomenelor de transfer au fost utilizate în

mod deosebit primele două teorii. Fiecare dintre teoriile de mai sus prezintă anumite limitări.

2.2.1. Teoria echilibrului static al forţelor din arc Teoria echilibrului static se poate rezuma astfel: picătura se detaşează de pe

capătul electrodului, în stare topită, în momentul în care se rupe echilibrul static al forţelor care acţionează în arc (Fig.2.16)[27,41,117,119,133]:

νσ +=+++ FFFFFF exemplg (2.50) unde Fg – forţa gravitaţională cu valoarea:

ypg gmF ⋅= , gr34F p

3pg ρπ= (2.51)

Fpl – forţa dinamică de transport datorată propulsiei în jetul de plasmă: CrgV5,0F 2

ppl2

pl ρπ= (2.52)

unde: plρ - densitatea gazului plasmei; rp - raza picăturii, C – coeficientul de proporţionalitate, care depinde de caracteristicile de proces.

Această forţă are o caracteristică considerabilă în cazul sudării spray arc cât şi pe perioada curentului de puls Ip

- 12 -

Fem- forţa electrodinamică datorată efectului Pinch (fig. 2.18) este:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛π

μ=

e

agem r

rln4

F , (2.53)

unde: re este raza electrodului iar ra este definită în figura 2.17, relaţie care este valabilă în cazul arcului conic.

Fan – forţa datorată vaporizării, de reacţie anodică este:

IJ'mFanνρ

= (2.54)

Fσ – forţa datorată tensiunii superficiale:

σπ=σ ar2F (2.55) unde σ reprezintă tensiunea de superficială a

metalului lichid.

Figura 2.16. Acţiunea forţelor la sudarea MIG Teoria echilibrului static al forţelor din arc are la baza următoarele ipoteze:

- sârma electrod este cilindrică cu geometrie constantă; - densitatea de curent care străbate picătura (în formare) este constantă; - picătura este considerată sferică; - expresia utilizată pentru determinarea forţei de curgere este specifică unei

picături sferice imersată într-un fluid cu viteza uniformă; - forţa de tensiune superficială se consideră constantă pe toata suprafaţa

picăturii. Condiţia de detaşare a picăturii conform teoriei de mai sus se poate scrie:

( ) ( ) σπ>−νρπ++−−π

μ+ρπ a

2a

2p

2ffap

20

p3p r2rrC

213236,025,0rlnrln

4Igr

34 (2.56)

Din relaţia 2.56 se determină valoarea critică în momentul detaşării a picăturii. 2.2.2. Teoria instabilităţii Pinch La baza teoriei instabilităţii Pinch stă modelul Rayleigh al instabilităţii coloanei de

lichid. Utilizând aceasta teorie se poate aproxima raza picăturii detaşate cu relaţia [26,133,135,136,137]:

( )

( )21

0p2

20

0pp

rrI1n25,1

rrR

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

σ+πμ

+

+π= (2.57)

Teoriei instabilităţii Pinch este făcută în următoarele ipoteze: - geometria este cilindrică, porţiunea lichidă este considerata un cilindru; - perturbaţiile sistemului neexcitat sunt sinusoide; - presiunea radială are o distribuţie uniformă de-a lungul axei centrale a

cilindrului; - strangularea picăturii din coloana cilindrică de metal lichid de către forţa Pinch

se datorează forţelor electrodinamice.

- 13 -

CAPITOLUL 3. CICLOGRAMELE TRANSFERULUI PULSAT 3.2. Transferul metalic într-un arc pulsat

Se cunoaşte că sudarea MIG-MAG a fost introdusă la origine ca răspuns la

problemele sudării aluminiului în industria aeronautică. Introducerea arcului pulsat a permis obţinerea un transfer puls-picatură-TPP pentru un curent mediu inferior introducând impulsurile de curent pentru desprinderea picăturilor la intervale controlate, cu întreruperi de curent ce menţin arcul şi permit formarea picăturilor topite. Acest lucru a permis sudarea prin transfer TPP a tablelor subţiri, în orice poziţie.

3.5. Caracteristici principale ale sudării MIG-P

Situarea transferului de metal în domeniul valorilor scăzute ale curentului permite

obţinerea unui arc în permanenţă stabil, absenţa totală a stropilor, realizarea unei băi calme, cu volum redus şi depuneri de calitate. Toate acestea constituie avantaje esenţiale ale sudării MIG pulsat.

Dezvoltând cele câteva consideraţii asupra parametrilor care definesc curentul pulsat, se pot stabili criterii de bază ale reglajelor la sudarea MIG pulsat.

a) Curentul de puls, Ip, trebuie să aibă o valoare superioară valorii critice, Icr, care defineşte domeniul de pulverizare axială. Forţele electromagnetice trebuie să joace un rol preponderent pentru a putea dirija transferul pe durata pulsurilor. În plus, o valoare ridicată a curentului Ip favorizează rigiditatea arcului.

b) Durata curentului de puls tp, depinde de valoarea aleasă pentru curentul Ip. Cuplul de valori (Ip, tp) permite definirea condiţiilor de transfer. Cea mal mare parte a lucrărilor de specialitate în domeniu au ajuns la o concluzie comună, admiţând că optim, din punct de vedere al stabilităţii şi al absenţei stropilor, se obţine atunci când se produce o picătură pe un puls. Înregistrări video realizate cu o cameră specială, de mare viteză arată că:

- Dacă durata curentului de puls este prea scurtă, picătura de metal nu se poate detaşa în cursul unui puls. Ea se măreşte în fiecare ciclu, şi apoi se detaşează sub efectul gravitaţiei şi a forţei de împingere a gazului. Transferul se efectuează, deci, în zbor liber prin topire globulară, ca şi cum curentul ar fi constant. Această modificare a modului de transfer este foarte defavorabilă din punct de vedere al sudabilităţii operatorii (fig. 3.18);

- Dacă durata curentului de puls este prea lungă, fiecare puls antrenează detaşarea mai multor picături. Stabilitatea arcului este mai puţin bună decât în cazul detaşării unei picături pe un puls. Aceasta este posibil a fi în legătură cu mărimea timpului rece tb, necesar pentru menţinerea unei aceleiaşi valori a curentului mediu, când timpul cald, tp este mai lung (fig. 3.19).

A fost propusă o lege de echivalenţă între parametrii reglaţi, de tipul [115,127]: DtI p

np =× unde:

n şi D sunt constante care depind în mod esenţial de natura şi diametrul sârma electrod, precum şi de gazul de protecţie.

CAPITOLUL 4. TRANSFERUL MASIC LA SUDAREA PRIN

IMPULSURI 4.1. Clasificarea tipurilor speciale de transfer masic

Pentru a putea înţelege condiţiile în care se realizează un cordon corect sau

incorect, sudând diferite materiale, se impune studierea fenomenelor fizice care

- 14 -

guvernează procesul de sudare. În cazul sudării MIG-MAG în mod particular este necesară analiza acţiunii forţelor din arc şi dinamica transferului metalic. Stabilitatea arcului depinde de forţele dezvoltate în coloana arcului. În fapt, transferul materialului de adaos este determinat de echilibrul forţelor dezvoltate în arcul electric, care acţionează la un moment dat asupra picăturii de metal topit [47,50,51].

Dintre procedeele care asigură o calitate foarte bună a îmbinării sudate se distinge net sudarea MIG în impulsuri sau MAG-M pulsată (unii autori). Utilizarea curentului pulsat cu undă perfect controlabilă, constituie tehnica modernă care stă la baza multora dintre procedeele amintite anterior. Prin realizarea unor forme de undă „personalizate” care să se plieze perfect pe cerinţele fizice ale procesului de sudare, indiferent de etapele de lucru, s-a permis obţinerea unui control foarte riguros a momentului şi a cantităţii de metal şi energie transferate spre baia de metal topit.

4.4. Procedee moderne de sudare cu arc comandat în impulsuri

Anterior au fost prezentate câteva din procedeele de sudare cu arc comandat în

impulsuri şi 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. În continuare se face o scurta prezentare a câtorva dintre ele.

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

cu arc pulsat sunt folosite separat sau combinate între ele, pentru obţinerea unui domeniu mai larg de puteri. Puls-Mix" este o variantă a procedeului de sudare cu arc electric. Aceasta combină procedeele de sudare respectiv lipire în mediu de gaz protector prin tehnologia CMT (Cold Metal Transfer), cu procesul de sudare cu arc pulsat.

4.4.2. Aristo SuperPulse / QSet TrueArcVoltage SuperPulse™ (dezvoltate de firma ESAB) este funcţia care oferă trei tipuri de arc

modulat, destinat diverselor tipuri şi grosimi de materiale sudate, în special pentru sudarea aluminiului şi a oţelurilor înalt aliate. Sarcina de bază a acestei funcţii este să reducă căldura introdusă în piese şi să mărească productivitatea sudării.

4.4.3. Procedee moderne MIG/MAG pentru sudarea robotizata În 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 mare productivitate

- 15 -

sudarea aluminiului şi brazare MIG), la care se adaugă alte doua procedee de mare productivitate derivate, Tandem® şi LaserHibrid™ (toate dezvoltate de firma Cloos) [165].

CAPITOLUL 5. CONTRIBUŢII LA TRANSFERUL MASIC ÎN CAZUL

SUDĂRII MIG-MAG

5.1. Introducere În acest capitol este prezentată o nouă teorie asupra transferului masic la sudarea

cu arcul electric. De asemenea, sunt analizate şi influenţele factorilor tehnologici asupra transferului. Transferul masic, în cazul sudării MIG-MAG este dictat de acţiunea forţelor care se manifestă în arcul electric, influenţând stabilitatea acestuia, dinamica şi geometria picăturii metalice.

5.2. Modelarea fenomenelor de transfer masic

Prin modelarea transferului metalic s-au stabilit corelaţii între parametrii de sudare

în vederea controlului numărului, dimensiunilor şi frecvenţei picăturilor de metal. Atunci când se are în vedere sudarea sinergică, rezultatele cercetării sunt ecuaţiile care guvernează comanda transferului de metal. Această abordare a permis dezvoltarea surselor de sudare „inteligente”, capabile să calculeze şi să comande orice proces de sudare, plecând de la un minim de date de intrare necesare.

5.2.1. Forţele din arcul de sudare

Picătura se detaşează de pe capătul electrodului în stare topită în momentul în care se rupe echilibrul static al forţelor care acţionează în arc (fig.5.1) [41,42,43,44]:

În continuare se propune un nou model matematic pentru transferul masic prin coloana arcului, bazat pe forţele care acţionează în picăturile de metal topit (fig. 5.1).

5.2.2. Formarea picăturilor din sârma electrod În arcul electric, sârma electrod se topeşte, la capătul acesteia formându-se

picături. Acestea traversează coloana arcului, spre baia de metal topit, formată în metalul de bază, datorită în special forţei electrostatice de atracţie (forţa Coulomb).

Se poate scrie intensitatea curentului, Is: Is = Is1 + Is2 (5.1) unde, Is1 reprezintă intensitatea datorată electronilor liberi în mişcare; Is2 reprezintă

intensitatea produsă de mişcarea picăturilor metalice. Sursa care emite electroni o

Figura 5.1 a. Acţiunea forţelor la sudarea MIG-P.

b. Cele două componente ale curentului de sudare

- 16 -

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

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

- temperatura catodului în K; ϕ - lucrul mecanic de extracţie al electronilor, în J; K - constanta lui Boltzmann, K = 1.38 ⋅ 10-23, în J/K.

Intensitatea curentului Is1 poate fi calculată cu formula: Is1 = j π de

2/4 (5.3) unde de este diametrul electrodului. Acest curent este responsabil de ionizarea coloanei arcului şi de încălzirea şi

topirea electrodului cât şi a materialului de bază. Picăturile metalice sunt expulzate de pe sârma electrod datorită forţei

electrostatice. Această forţă (pentru întreaga coloană a arcului) poate fi determinată cu relaţia:

F = E np e (5.4) unde E este intensitatea câmpului electrostatic; np – numărul de purtători încărcaţi

de sarcină existentă în picătură; e – sarcina electrică elementară. Să presupunem că în coloana arcului există (momentan) un număr de Np picături.

Forţa lui Coulomb ce acţionează pe o singură picătură este: Fd = E nd e/ Np (5.5) Ideal, intensitatea electrostatică poate fi scrisă: E = Ua/ La (5.6) unde Ua este tensiunea de sudare; La – lungimea coloanei arcului. Sarcina electrică a picăturilor de metal topit, datorită intensităţii curentului Is2,

transportată de picătură: Np e = Is2 t (5.7) unde t este timpul de transfer. Utilizând ecuaţiile (5.6) şi (5.7), forţa lui Coulomb, de extracţie a picăturii de pe

electrod poate fi descrisă prin ecuaţia: Fp = Ua Is2 t / (La Np) (5.8) Formarea şi separarea picăturii de sârma electrod apare în momentul când forţa

de extracţie este mai mare decât forţa de tensiune superficială. Forţa de tensiune superficială poate fi scrisă:

Fσp = π dp σ (5.9) unde dp este diametrul picăturii; σ = tensiunea superficială. La limită, forţele din ecuaţiile (5.8) şi (5.9) sunt egale şi avem: Ua Is2 t / (La Np) = π dp σ Numărul picăturilor detaşate în unitatea de timp, este: Np/t = Ua Is2/ (La π dp σ) (5.10)

5.3. Verificarea numerică a modelului transferului masic A fost realizat un calcul de verificare a modelului propus la sudarea MIG-MAG

pentru oţeluri cu parametri de sudare situaţi la limita dintre tipurile de transfer short-arc şi spray-arc. Diametrul electrodului ales este de = 2mm, tensiunea arcului Ua = 35V iar intensitatea curentului de sudare Is = 250A.

Acceptând temperatura catodului de T = 4100K iar lucrul mecanic de extracţie pentru oţel ϕ = 4.44eV.

A rezultat o eroarea a modelului (comparat cu datele experimentale): ε = (AD

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

- 17 -

CAPITOLUL 6. ACHIZIŢIA ŞI PRELUCRAREA IMAGINILOR LA SUDAREA CU ARCUL ELECTRIC

Un sistem de procesare a imaginii (SPI) (fig. 6.1) este format dintr-o sursă de

lumină pentru iluminarea spaţiului, senzorul video (de obicei o camera CCD sau CMOS) şi o interfaţă între senzor şi calculator [69].

6.1.4. Configuraţia sintetică a sistemului de filmare Există pe piaţă o multitudine de sisteme de procesare a imaginii. În esenţă un SPI

este format din: - o unitate de iluminare: Pentru marea majoritate a aplicaţiilor lumina naturală nu

este potrivită. Iluminarea adecvată reduce timpul de calcul. Iluminarea defectuoasă cauzează erori grave ireparabile;

- o unitate senzorială, de exemplu o cameră CCD: Piaţa de camere este saturată cu numeroase modele. Cumpărarea unei camere trebuie făcută cu mare atenţie, având în minte un SPI optim;

- una sau mai multe lentile, care se potrivesc aplicaţiei: Mărimea lentilei trebuie să fie superioară sau egală cu mărimea cipului. Utilizarea inelelor distanţiere şi a lentilelor de mărire pot duce la apariţia aberaţiilor.

- o placă de captură: aplicaţiile în timp real necesită un placă de captură cu hardware inteligent, la care majoritatea calculelor trebuie preluate de procesoare de semnal rapide;

- unităţi periferice potrivite pentru datele de ieşire: (monitor, imprimantă, placă I/O).

Au fost prezentate componentele hardware specifice sistemelor de procesare a imaginilor (SPI). S-au prezentat noţiunile de bază necesare conceperii unui SPI, cât şi pentru a putea compara facilităţile şi compatibilitatea dintre componentele oferite de diverşi producători. Terminologia utilizată este cea specifică domeniul IT.

6.2. Aspecte privind prelucrarea imaginilor

6.2.1. Generalităţi Prelucrarea (digitală) a imaginilor reprezintă un domeniu foarte larg, de sine

stătător. Acest domeniu are la bază o teorie matematică riguroasă, bine pusă la punct, dar în general implementările pe diverse maşini de calcul sunt destul de mari consumatoare de resurse (putere de calcul, memorie), în special dacă ne referim la utilizarea în timp real a informaţiilor extrase din imagini [74].

Figura 6.11. Structura generală a unui sistem de vedere artificială 6.2.4. Prelucrări grafice Prelucrări grafice sunt operaţiile de preprocesare ce se efectuează asupra

imaginilor achiziţionate. Aceste operaţii au rolul de a elimina zgomotele sau informaţiile inutile din imagine (filtrarea, segmentarea) sau sunt operaţii de restaurare. Astfel de prelucrări sunt necesare pentru a îmbunătăţi atât timpii de execuţie cât şi rezultatele diverşilor algoritmi (clasificare, recunoaşterea formei, recunoaştere feţe umane etc.).

- 18 -

6.3. Utilizarea camerelor HDRC Cmos în sistemele de monitorizare a arcului electric

6.3.3. Tehnici de filmare ultrarapidă Pentru studierea transferului masic se utilizează diferite tehnici de filmare

ultrarapidă: • tehnica „Shadowgraphică” sau „Back-lighting” [127]; • tehnica cu proiector stroboscopic; • tehnica cu camere HDRC [88]. 6.3.4. Aspecte privind cerinţele sistemelor de filmare Problema realizării sistemului de filmare a arcului electric care să permită

obţinerea unor informaţii sigure, clare a fenomenelor ce se desfăşoară în spaţiul de ardere a acestuia nu este deloc simplă.

În primul rând imaginea care rezultă trebuie sa fie clară şi interpretabilă. Acest lucru presupune o filtrare corespunzătoare, un sistem de înlăturare a fumului în exces şi a stropilor care apar în mod accidental.

Pentru a putea avea o imagine completă, nealterată, asupra dinamicii procesului, numărul de cadre captat într-o secundă trebuie să fie suficient de mare. În funcţie de procedeul studiat şi de scopul propus, viteza de filmare trebuie adaptată în mod corespunzător. Trebuie utilizate deci camere de filmare cu viteza mare.

În cazul procedeului de sudare MIG-P la care frecvenţa maximă a picăturilor transferate este de pana la 300 picături/secundă, se impune utilizarea unei camere cu viteza de filmare de minim 1000 cadre/secundă.

În concluzie, aspectele de care trebuie sa ţinem cont la realizarea sistemului de filmare sunt următoarele:

filtrarea corespunzătoare – dinamică, optică mare; protecţie sporită (temperatura, stropi); viteză de filmare ridicată, corelată cu un timp de expunere mic; posibilitatea măririi imaginii-macro, corelată cu posibilitatea modificării irisului; posibilitatea sincronizării externe; fiabilitate sporită în condiţii grele de lucru (sistem de răcire forţată). 6.3.7. Varianta utilizând camere HDRC Această metodă utilizează o cameră HDRC cu trigger extern, un computer pentru

declanşarea înregistrării imaginilor sincronizat cu înregistrarea parametrilor electrici ai procesului de sudare, o placă pentru procesarea semnalelor pentru calcularea automată a caracteristicilor parametrilor de sudare şi o placă de procesare a imaginii pentru analiza vizuală a transferului masic [88,140].

Imaginile pot fi înregistrate după ce este stabilit criteriul de declanşare (trigger) şi variabila adiţională de întârziere (delay-time). Măsurarea parametrilor de sudare începe odată cu semnalul de declanşare (trigger) şi se menţine un timp variabil pe perioada procesului de sudare.

În continuare este prezentat un sistem de monitorizare eficient bazat pe un PC de înaltă performanţă pentru monitorizarea sudării MIG-P. Acesta permite monitorizarea on-line a tuturor etapelor procesului de sudare, inclusiv a transferului masic fără a utiliza o sursă adiţională de lumină. În plus, este posibil, măsurarea sincronizată a curentului de sudare şi a tensiunii de sudare în timpul înregistrării imaginilor şi prelucrarea statistică a acestora (valori medii etc.). În plus, sistemul permite analiza vizuală a transferului de metal pe imaginile înregistrate [104,112,118]. Sistemul poate fi folosit

- 19 -

pentru optimizare şi analiza proceselor de sudare folosind informaţii vizuale despre transferul de metal şi parametrii arcului electric.

Figura 6.16. Sistem cu camera HDRC

6.3.7.7. Aplicaţii ale algoritmilor la prelucrarea imaginilor transferului prin picătură Eficienţa sistemului rezultă din datele experimentale conform figurii 6.36. Sunt

prezentate toate datele măsurate şi calculate specifice transferului masic. Este prezentată o imagine a transferului masic rezultat al analizei vizuale sincronă cu parametrii regimului se sudare (curent, tensiune) în funcţie de care sunt calculate valorile aferente reacţiei negative pentru corectarea eventualelor erori.

Imaginea 1 Imaginea 2 Imaginea 3

Figura 6.27. Analiza vizuală. a) imaginea originală; b) imaginea rezultată prin creşterea

contrastului şi corectarea umbrelor; c) segmentarea imaginii d) detectarea obiectelor şi clasificarea acestora

- 20 -

CAPITOLUL 7. CONTRIBUŢII LA REALIZAREA UNUI SISTEM COMPUTERIZAT PENTRU ANALIZA PRIN FILMARE ULTRARAPIDĂ

A TRANSFERULUI MASIC

7.1. Echipamentul realizat şi utilizat în cadrul investigaţiilor 7.1.2. Prezentarea sistemului utilizând camere „HDRC” cu sincronizare

externă. Subsistemul de măsură a mărimilor analogice Pentru studierea fenomenelor fizice din arcul electric în curent pulsat se impune

analiza riguroasă a transferului masic. S-a realizat în acest scop un echipament complex format dintr-un echipament de filmare ultrarapidă şi un sistem computerizat de măsurare sincronizată a parametrilor electrici ai arcului. Camera video digitală permite filmarea cu o viteză de peste1000 cadre/sec, direct în zona arcului de sudare, fără iluminare suplimentară, camera fiind de tipul C-MOS logaritmică. Pentru obţinerea unei imagini corespunzătoare s-a utilizat un sistem optic MACRO 6X. Realizarea practică a sistemului a fost făcută utilizând instrumentaţia virtuală, pe baza pachetelor software dezvoltate de firma National Instruments: Labview (varianta 7.0) şi Vision Development Module (varianta 6.0). Acesta permite analiza tuturor etapelor procesului de sudare, inclusiv a transferului masic, fără a utiliza o sursă adiţională de lumină. În plus, este posibilă, măsurarea sincronizată a curentului de sudare şi a tensiunii de sudare, în timpul înregistrării imaginilor şi prelucrarea statistică a acestora (valori medii, etc.) [62,64,65,66,67,69,78,80,83].

Elementele componente ale sistemului sunt (fig. 7.1): Subsistemul de măsurare a mărimilor analogice; Echipamentul de filmare ultrarapidă cu cameră CMOS cu dinamică ridicata

(HDRC) [152]; Unitatea de calcul specializată; Soft integrat de comandă pentru instrumentaţie virtuală, realizat în Labview şi

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

de poziţionare aferent [161,162].

Figura 7.1. Stand experimental - Elemente componente

- 21 -

Subsistemul de măsură a mărimilor analogice are în componenţă sa următoarele subansamble:

Traductoarele pentru măsurarea valorilor curentului de sudare, Is, tensiunea arcului LT 505 S de producţie LEM, Ua, viteza de avans va şi viteza de sudare;

Modulele de condiţionare de semnal şi separare galvanică; Placa de achiziţie date; Blocul conector care face legătura dintre elementele senzoriale şi placa de achiziţie. Cabluri de date;

Surse de alimentare exterioare (pentru traductoare de curent, module de condiţionare);

Unitate centrală de calcul împreună cu accesoriile aferente.

7.2. Echipamentul de filmare Având în vedere sistemele prezentate în capitolul 6 şi evoluţia performanţelor

actuale ale camerelor C-MOS HDRC, comparativ cu preţul de cost, am ales realizarea sistemului nostru cu un astfel de tip de cameră (fig. 7.1).

Camerele C-MOS actuale au o rezoluţie ridicată, viteza mare de filmare, dinamica-optică ridicată (optical dinamic range), posibilităţi multiple de sincronizare, transfer ultrarapid de date pe magistrale dedicate de tip C-link.

Echipamentul de filmare este alcătuit din: Filtre de polarizare şi interferenţă; Cameră CMOS HDRC cu sursă de alimentare, trepied şi cablu de date aferent; Ansamblul optic macro; Placă de captură imagine; Modul de sincronizare.

În continuare, vom prezenta aspectele legate de alegerea şi tipul fiecărei componente în parte.

7.2.1 Sistemul de filtrare Sistemele video şi cele cu vedere artificială se bazează pe dispozitive electronice

de achiziţie a imaginii care de obicei au un raport semnal-zgomot cuprins între 8 şi 12 biţi. Deşi este suficient pentru multe aplicaţii, în cazul sudării se impune creşterea acestui raport prin metode de optice filtrare, datorită faptului că în câmpul vizual sunt regiuni extrem de luminoase.

7.2.2. Cameră C-MOS cu senzor LIN-LOG 2 La ora actuală există mai mulţi producători care comercializează camere de tip

HDRC. În acest sens putem aminti următoarele tipuri de camere[1,2,3]: 1M-150-SA (DALSA), HDRC – 4 camera (Kamera Werk), CCF1000 (C-CAM Technologies), iMVS-155 (FAST COM Technologies) şi MV-D 1024-160 (Photon Focus).

Bineînţeles că există diferenţe de la producător la producător. Toate au în comun însă, tipul senzorului, CMOS logaritmic, domeniul dinamicii optice (120dB), adică pot filma direct în zone cu luminozitate foarte puternică. Făcând o analiză a ofertei existente pe piaţă, am considerat drept o soluţie optimă, alegerea camerei de tip MDV-1024-160 de la Photon Focus [149,153].

7.2.3. Sistemul optic-macro Pentru a obţine imagini cu o claritate bună, în condiţiile în care dimensiunile

picăturilor analizate nu depăşesc cu puţin un milimetru iar aria vizuală este de maxim 15 mm la o distanţă obiectiv-arc sudare de 200 mm, am utilizat un sistem optic macro 6X.

- 22 -

7.2.4. Placa de captură microEnable III Principala caracteristică a acestei plăci de captură inteligente, utilizată în sistemele de procesare în timp real a imaginilor, o reprezintă flexibilitatea părţii hardware bazată pe tehnologia FPGA (procesor FPGA – Xilinx Spartan 2).

7.4. Soft integrat de comandă pentru instrumentaţie virtuală Softul integrat de comandă pentru instrumentaţie virtuală a fost realizat în

LabView şi Vision Development Module, pachete software ale firmei National Instruments. Interfaţa utilizator conţine meniurile (descrise în subcapitolele următoare):

+ meniul de configurare a parametrilor de achiziţie de date – Configuration, cu ajutorul căruia se stabilesc următoarele mărimi de intrare analogice,

+ meniul de achiziţie a parametrilor analogici – Acquisition, cu ajutorul căruia se pot măsura până la opt mărimi electrice în mod de lucru diferenţial (16 unipolare). Mărimile măsurate sunt reprezentative grafic atât scalat cât şi în mărimi reale (valori furnizate direct de traductoarele din procesul de sudare);

+ meniul de achiziţie de imagine – Image ACQ, prin intermediul căruia se configurează parametrii de funcţionare ai plăcii de achiziţie imagine şi al camerei

+ meniul de sincronizare între cadrele de imagine şi mărimile analogice – SYNC Image & ACQ, prin care este realizată analiza între imaginile transferului masic şi parametrii regimului de sudare (obţinute anterior)

+ meniul de analiză de imagine – Image Analisys cu ajutorul căruia este realizată analiza parametrilor de imagine pentru fiecare cadru în parte. Acest lucru este făcut prin funcţiile implementate în pachetul software IMAQ Vision – aproximativ 200 de funcţii de analiză şi procesare de imagine

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

7.6. Sistem de deplasarea a tablelor sudate

Pentru obţinerea vitezei de sudare s-a optat la varianta de deplasare a tablelor

(capul de sudare este fix). S-au realizate două tipuri de dispozitive de deplasare: unul cu mişcare de rotaţie şi altul cu mişcare de translaţie.

La ambele dispozitive mişcările se pot regla, în mod continuu, printr-un variator de turaţie. Determinarea vitezei de sudare se face printr-un traductor de tip tahogenerator. Schema de comandă a instalaţiei de sudare trebuie să realizeze acţionarea saniei în ambele sensuri concomitent cu cuplarea sursei de sudare şi a dispozitivului de avans. De asemenea, viteza de sudare trebuie să fie reglabilă în domeniul 0,1... 1,5 m/min. Acest lucru impune utilizarea unui variator de turaţie pentru alimentarea motorului care acţionează sania. Varianta de schemă realizată, utilizează elemente clasice cu relee iar pentru variator s-a optat la unul dintre modelele prezentare anterior.

- 23 -

CAPITOLUL 8. TESTAREA SISTEMULUI DE ACHIZIŢIE DE DATE ŞI A CAMEREI DE FILMARE

8.1. Testarea sistemului de achiziţie de date utilizând osciloscopul digital

Tektronics TDS 2012 şi pachetul software Wavestar 8.1.4. Metode de măsurare a curentului de sudare La sudarea în curent pulsat trebuie surprinse atât variaţiile ultrarapide care apar în

timpul curentului de puls şi al curentului de bază cât şi măsurarea valorilor efective şi medii ale curentului.

Curentul se măsoară în principal prin intermediul a două efecte: căderea rezistivă de tensiune şi câmpul magnetic generat.

Cum la procedeele de sudare cu arc electric curentul de sudare are valori foarte mari, de la zeci la sute de amperi, pentru măsurarea curentului trebuie să avem în vedere felul componentelor acestuia: continue sau/şi alternative.

Având în vedere faptul că sunt cunoscute principiile şi metodele de măsurare a curentului de sudare continuu şi alternativ, în continuare, vom prezenta limitele care apar în utilizarea şunturilor de curent, transformatoarelor de curent, la măsurarea valorilor efective şi instantanee a curentului pulsat.

8.1.5. Senzor Hall Din prezentarea făcută anterior a rezultat, aşa cum era de aşteptat, faptul că

pentru măsurarea curentului pulsant nici unul dintre traductoarele analizate nu este compatibil cu scopul propus. Rezultate foarte bune se obţin la măsurarea curentului DC± şi AC, utilizând traductoare Hall în buclă închisă. Am ales pentru realizarea experimentelor utilizarea unui traductor din această categorie de tip LT 505-S, producţie LEM şi un traductor de serie A, producător Hinode.

Se remarcă un timp de răspuns, în regim dinamic foarte bun, valoarea timpului de răspuns fiind de 1, respectiv 5μs. Acest lucru permite realizarea unei benzi de frecvenţă de 150 respectiv 25 KHz. Aceste valori dau posibilitatea traductoarelor să furnizeze valori pentru curentul măsurat, în condiţiile în care acesta are variaţii foarte rapide.

8.1.6. Calibrarea sistemului de achiziţie Au fost realizate mai multe serii de măsurători folosind sistemul format din: a) sursă sudare LUD 320; b) dispozitiv de sudare cu mişcare de rotaţie; c) sistem de măsură compus din: traductoare LT 505S, Hinode serie A, osciloscop

Tektronix TDS 2012, echipat cu interfaţă comunicaţie serială cu computerul de tip TDS 2CMA;

d) sursă alimentare ± 15V, traductor curent, împreună cu rezistenţe de măsură de 60, respectiv 5kΩ;

e) dispozitiv măsură parametri regim tip Welding BOX, care permite măsurarea şi memorarea a valorilor curentului şi a tensiunii. Pentru a se realiza măsurători în regim dinamic, corespunzătoare curentului pulsat, a fost modificată schema electronică a aparatului, înlăturându-se condensatoarele din circuitul de intrare, care realizau o filtrare a semnalului achiziţionat;

f) soft prelucrare semnal WaveStar (Trial Version). S-au realizat probe sudate, prin procedeul MIG-P, prin depunerea unor cordoane

pe o tablă cu grosimea de 10mm, cu o viteză de avans va = 6m/min, diametrul sârmei de = 1,2 mm, gaz de protecţie AR+20%CO2, debit de gaz 18 l/ min.

- 24 -

S-au urmărit forma şi mărimea curentului de puls şi s-a comparat cu formele obţinute în condiţii de laborator realizate cu ajutorul altor sisteme. S-au măsurat, utilizând marcherii de pe osciloscop, valorile caracteristice curentului de puls şi s-au comparat cu cele furnizate de sistemul de măsură al sursei.

Se poate observa că pe valoarea de puls există neuniformităţi ale curentului, pulsaţia acestora fiind de 2,6688KHz, amplitudinea fiind de aproximativ 15A. De asemenea, s-a constatat o variaţie a valorii medii de puls, lucru explicabil datorită modificării distanţei, piesă de contact-piesă de sudat.

Softul WaveStar furnizează, în diferite forme, o cantitate mare de informaţii care permite analiza semnalelor achiziţionate. Exportul datelor se face în fişiere compatibile Microsoft Excel şi sub forma de capturi de ecran al osciloscopului.

8.2. Testarea şi alegerea vitezei optime de filmare pentru camera

ultrarapidă MV-D-1024-160 Pentru a putea obţine informaţii cât mai clare din spaţiul arcului electric de sudare,

având în vedere dimensiunile reduse ale acestuia (zona filmată-30x30mm), cât şi luminozitatea excesivă a arcului electric, au fost efectuate numeroase teste în care au urmărit:

- stabilirea distanţei optime între camera şi zona arcului (între 180 şi 300mm); - stabilirea setărilor diafragmei (nivelul ales a fost cel minim) şi a nivelului de

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

formate pe cameră, vitezei de filmare şi a nivelelor de expunere LL1 şi LL2) Pentru setarea camerei şi pentru filmarea efectivă s-au utilizat softurile dedicate

ale acesteia. Aceste setări sunt prezentate în figura 8.10.

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

Iniţializarea, comanda şi alocarea canalului pe magistrala de transfer‚ Camera

LINK’, s-a făcut cu aplicaţia software PFRemote. S-a observat că la o valoare a rezoluţiei de 512x512 pixeli, viteza de filmare este de 584 cadre/secundă. Dacă rezoluţia scade la 256x256, viteza de filmare creşte la 2293cadre/secundă. Imaginile înregistrate au fost exportate şi salvate în calculator, în format BMP.

- 25 -

CAPITOLUL 9. CERCETRI EXPERIMENTALE PRIVIND CORELAŢIILE DINTRE PARAMETRII REGIMULUI DE SUDARE

MIG-P CU DIAMETRUL PICĂTURILOR ŞI GEOMETRIA ARCULUI

9.1. Introducere În cadrul acestui capitol se prezintă determinările experimentale, analiza

rezultatelor cât şi interpretarea acestora, efectuate în vederea studierii transferului picăturilor la sudarea MIG cu curent pulsat.

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

de funcţionare pentru transferul TPP. • Cercetări asupra variaţiei diametrului picăturii în diferite faze dintr-un ciclu de

transfer; • Corelaţii între parametrii regimului de sudare în curent pulsat cu geometria

arcului şi diametrul picăturilor. 9.1.1. Datele de intrare a determinărilor experimentale Determinările experimentele au fost realizate utilizând acelaşi material de bază, tip

de sârmă electrod şi gaz protector. Au fost folosite două modele performante de echipamente de sudare şi anume ESAB ARISTO 2000 dotată cu sursa de sudare LUD 320 şi CLOOS QUINTO 1. Procedeul de sudare utilizat a fost MIG în curent pulsat, compoziţia gazul de protecţie fiind 82% Ar şi 18% CO2 (Corgon 18).

Tablele folosite au fost din oţel de uz general pentru construcţii S235JR /OL 37, cu dimensiunile de 200x300x10 mm. Probele sudate au constat în depunerea unor cordoane, în rânduri paralele la distanţe de 5mm cu diferite regimuri, în poziţie orizontală utilizând sârmă plină tip OK Autrod 12.51, cu diametrul de = 1,2 mm.

Comanda sursei a fost realizată de către sistemul de măsurare şi filmare sincronă printr-un contact de tip releu.

S-au măsurat curentul, tensiunea şi viteza de avans, viteza de sudare şi debitul de gaz. La sursele moderne pentru sudare există posibilitatea înregistrării şi memorării (monitorizării) valorilor principalilor parametrii de sudare furnizaţi, direct de către modulele specializate de măsurare din sursă. Acestea ulterior se pot exporta pe suport electronic sau transmite prin reţea sub formă de liste (se utilizează în acest scop un soft dedicat propriu sursei). În vederea obţinerii unor rezultate corecte, se poate face o dublă măsurare.

9.1.2. Analiza regimurilor sinergice standard Pentru a asocia variaţiile diametrului picăturilor cu parametrii de regim au fost

analizate regimurile sinergice, în varianta standard, trasându-se curbele sinergice de variaţie. Determinarea regimurilor sinergice s-a realizat prin două metode. Acestea, în prima situaţie, au fost extrase din memoria sursei de sudare (în cazul sursei LUD 320 aceştia pot fi sunt vizualizaţi la comutarea regimului de sudare din regim sinergic în regim manual) sau în cea de-a doua, au fost determinaţi experimental prin măsurare şi oscilografiere (s-au obţinut experimental plecând de la câteva puncte de funcţionare şi indicaţiile asupra reglării parametrilor de puls, din manualul de utilizare a sursei Quinto 1)[163].

S-a realizat o analiză comparativă a stabilităţii transferului pentru cele două tipuri de reglaje ale caracteristicii sursei U-I şi I-I (sursa ESAB nu are decât reglaj I-I pe curent bază şi I-I pe curent puls).

- 26 -

În figura 9.1 se prezintă variaţia parametrilor de puls sinergici pentru sursa de sudare ESAB LUD 320 cu viteza de avans va, pentru un timp de puls constant tp = 2,2 ms. În tabelul 9.1 sunt prezentate valorile efective pentru parametrii de puls, la diferite valori ale vitezei de avans, va.

Regimurile sinergice în funcţie de viteza de avans pentru sursa

de sudare 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[H

z], I

b[A

]

10*Ua V

Ip A

f Hz

Ib A

Regimurile sinergice în funcţie de viteza de avans pentru sursa de sudare QUINTO 1, tp = 2,1 ms,

Caracteristică 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[H

z], I

b[A

]

10*Ua [V]

Ip [A]

f [Hz]

Ib [A]

Figura 9.1. Variaţia parametrilor de puls, în

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

Figura 9.3. Valorile parametrilor de puls, în regim sinergic, pentru sursa Quinto 1

Din analiza variaţiilor parametrilor sinergici de puls, se constată că dependenţele sunt relativ liniare, uşor crescătoare odată cu creşterea vitezei de avans a sârmei electrod. Excepţie face, în cazul reglării caracteristicii de tip U-I, variaţia curentului de puls Ip, a cărui valori scad uşor odată cu creşterea vitezei de avans.

9.2. Cercetări asupra variaţiei diametrului picăturii în diferite faze a unui

ciclu transfer

Aşa cum s-a prezentat în capitolul 4, în majoritatea studiilor care fac analiza transferului masic la sudarea MIG-P, picăturile sunt considerate sferice. Însuşi modul de reglare a regimului sinergic la sursele moderne are la bază ipoteza că diametrul picăturii este aproximativ egal cu diametrul sârmei electrod, picătura fiind sferica. După cum se prezintă în figura 9.4, picătura are o formă neregulată suferind puternice variaţii atât ca formă, mărime, viteză şi acceleraţie momentană cât şi o traiectorie variabilă faţă de axa electrodului. Se poate afirma faptul că, utilizând algoritmi rapizi şi complecşi de reglare se pot impune şi controla valorile pentru diametrele picăturilor în formare, până în faza de desprindere. Odată formate, datorită ruperii echilibrului de forţe care acţionează asupra picăturilor, acestea se desprind şi sunt transferate în zbor liber prin spaţiul arcului electric. În aceasta fază, controlul geometriei şi mărimii picăturilor este foarte greu de realizat.

Măsurarea picăturilor dintr-un ciclu de transfer se poate realiza utilizând imaginile achiziţionate prin sistemul de filmare ultrarapidă folosind metode statistice. Trebuie precizat faptul că pe întreg lanţul de prelucrare şi achiziţie imagine, plecând din faza de filmare până în cea finală de măsurare a diametrului picăturii, apar erori. Acestea se pot datora sistemului optic, unghiului de poziţionare a camerei, erorile introduse de senzorul camerei sau a modului de măsurare pe imaginile obţinute.

Se impune deci realizarea unei analize a variaţiei dimetrul picăturilor atât în cadrul unui ciclu de transfer, cât şi pe parcursul mai multor cicluri succesive, la transferul de tip TPP şi calcularea abaterilor faţă de valoarea medie. În continuare se prezintă variaţia diametrului picăturii în trei stadii dintr-un ciclu din transfer, calculându-se diametrul mediu echivalent al picăturii, deviaţia de la medie (dispersia) şi abaterea medie

- 27 -

pătratică. În figura 9.4 se prezintă ciclul de transfer analizat. În tabelul 9.4 şi 9.5 se prezintă deplasările picăturilor între două cadre de imagine succesive, valoare care poate fi utilizată pentru calculul vitezei picăturii şi a acceleraţiei momentane a acesteia.

Figura 9.4

Tabelul 9.4 deplasările picăturilor între două cadre de imagine succesive

dpx [mm] 1,56 dpy [mm] 1,44 y1 [mm] 0,362602 y2 [mm] 0,383322 Lştrangulare 1,013881 lstrangulare 0,567056

Tabelul 9.5 Deviaţia şi abaterea medie

pătratică pentru un ciclu de transfer

Picătura dp_med [mm]

deviatia [mm]

1 1,314 -0,012 2 1,413 0,086 3 1,252 -0,074

Abaterea medie pătratică: 0,080771

a) b) Figura 9.10. a) Separarea picăturii prin filtrare a imaginii picăturii transferate; b) direcţii de

măsurare a diametrului picăturii 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. măsurătoare

diam

etru

l picăt

urii

[mm

]

dpValoarea medie a dp

Figura 9.11. Variaţia diametrului picăturii instantanee 3 şi deviaţia de la valoarea medie

Analizând graficele prezentate în figurile 9.7-9.11 se constată faptul că pe

parcursul unui ciclu de transfer, variaţia formei picăturii de la sfericitate este mai mare în zona de mijloc a arcului şi mai redusă în imediata vecinătate a băii metalice. Este de dorit ca, pe cât posibil, să se asigure pentru picăturile transferate o formă cât mai

- 28 -

regulată, apropiată de cea sferică, astfel încât să se realizeze o baie de sudură calmă, cu volum redus şi un cordon uniform, de calitate.

Utilizând relaţia de calcul (5.16) se poate determina o valoare pentru diametrul teoretic al picăturii. Valoarea rezultată în urma calculului este:

dp teoretic = 0,93mm Pentru a verifica aceasta valoare s-a realizat analiza variaţiei diametrului picăturii

şi determinarea diametrului echivalent pentru mai multe cicluri succesive de transfer tip TPP. Valorile măsurătorilor sunt prezentate în Anexa 4, iar parţial, pentru ciclu 1 analizat, în tabelul 9.11, graficul de variaţie a diametrului picăturii prezentându-se în figura 9.11.

Valoarea medie cumulată pentru cele 9 cicluri analizate este de: dp echiv = 1.03 mm Se poate spune că, în ansamblu, pentru întreg ciclul de lucru, unde numărul

picăturilor este foarte mare, variaţia diametrului mediu al picăturii faţă de valoarea calculată impusă, este relativ redusă (între 5 şi 10%).

9.3. Corelaţii între parametrii regimului de sudare în curent pulsat geometria arcului şi diametrul picăturilor

În cadrul determinărilor experimentale s-au realizat corelaţii între parametrii

regimului de sudare în curent pulsat, pe de-o parte, şi geometria arcului şi diametrul picăturilor, pe de alta parte. Aceste corelaţii au urmărit influenţa separată a Ip, tp, Ib, tb şi f, asupra evoluţiei geometriei arcului şi anume a lungimii arcului - larc, diametrului superior al arcului (pe vârful electrodului) - da1 şi diametrului inferior al arcului (pe suprafaţa tablelor) - da2 cât şi asupra dimensiunilor picăturilor transferate (dp).

În cadrul determinărilor experimentale s-a utilizat sursa de sudare ESAB-LUD 320. Au fost depuse un număr de 26 de cordoanele de sudură (primul fiind de testare)

pe o singură tablă. Parametrii de sudare sunt centralizaţi în tabelul nr. 9.12. Viteza de avans a sârmei a fost menţinută constantă la valoarea de va=6m/min. Toţi parametrii de puls au fost modificaţi în seturi de câte 5 valori, realizându-se două depuneri la care

- 29 -

parametrul variabil are valori peste cea corespondentă regimului sinergic, respectiv două depuneri cu valori inferioare regimului sinergic.

Prezentarea rezultatelor efectuate asupra imaginilor filmate, în urma prelucrării, analizei şi măsurătorilor (sub formă de poze succesive în format bitmap) s-a făcut în tabelele din anexa 1. În aceeaşi anexă este prezentată tabla cu cordoanele depuse (fig. A1.1). Un exemplu pentru patru cicluri de transfer este prezentat în fig. 9.12. Modul de lucru: 1. s-au identificat intervale de variaţie pentru toţi parametrii de regim; trebuie ţinut cont

de faptul că la sudarea în curent pulsat se face într-un domeniu foarte îngust pentru valorile curentului mediu de cca. 200-300 A. Pentru fiecare parametru s-au luat seturi de câte 5 mărimi;

2. s-a stabilit valoarea optimă pentru fiecare dintre aceştia (regimuri sinergice implementate în sursă);

3. s-au păstrat pe rând câte un parametru constant şi s-au modificat parametrii de puls: Ip, tp, Ib, tb (pentru tb, indirect prin variaţia frecvenţei, f);

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

5. s-au măsurat elementele geometrice ale cordonului: supraînălţare, lăţime, pătrundere (pentru prelucrări statistice ulterioare susţinerii tezei) ;

6. s-a urmărit corelaţia dintre viteza de avans a sârmei şi diametrul picăturii; 7. s-a studiat influenţa variaţiei distanţei dintre capul de sudare şi piesă (modificarea

distanţei piesă de contact şi metalul de bază conduce la modificarea lungimii libere a sârmei electrod şi într-o mai mică măsură a lungimii arcului de sudare), şi geometria arcului şi diametrul picăturilor.

S-au urmărit: - tipul transferul masic şi dacă acesta este în regim puls-picătură, TPP; - diametrul, volumul, forma, viteza picăturilor şi traiectoria acestora; - geometria arcului (lungime, lăţime) şi modificările de forma apărute; - corelaţia dintre viteza de avans a sârmei şi diametrul picăturii; - influenţa variaţiei distanţei dintre capul de sudare şi piesă (modificarea distanţei piesă

de contact şi metalul de bază conduce la modificarea lungimii libere a sârmei electrod şi într-o mai mică măsură a lungimii arcului de sudare) şi geometria arcului şi diametrul picăturilor.

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

- 30 -

Utilizând valorile centralizate din Anexa 1, au fost mai întâi trasate graficele (utilizând Microsoft Excel) care prezintă modul de variaţie pentru diametrul picăturii - dp, lungimea arcului - larc, diametrul superior al arcului - da1, diametrul inferior al arcului - da2, în funcţie de fiecare parametru de puls modificat: curentul de puls - Ip , curentul de bază - Ib, timpul de puls - tp, frecvenţa curentului –f şi tensiunea arcului - Ua.

Din analiza graficelor prezentate observă faptul că între parametrii de puls şi diametrului picăturii - dp, lungimii arcului - larc, diametrului superior al arcului - da1 şi diametrului inferior al arcului - da2 există, cu mici excepţii, variaţii neliniare. În vederea stabilirii unor corelaţii între mărimile amintite anterior s-a recurs la metode de analiza statistică.

Metoda de determinare a variaţiei parametrilor de puls cu caracteristicile geometrice ale arcului şi picăturii de metal topit a folosit o metodă statistică utilizând software-ul profesional OriginLab 8.0.

Funcţia de regresie utilizată pentru determinarea curbelor de

dependenţă a parametrilor de puls cu caracteristicile geometrice ale arcului şi picăturii de metal topit este următoarea:

xbcayF −−= (9.1) Curbele de variaţie sunt neliniare cu o caracteristică exponenţială asimptotică şi

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

pătrate. În tabelul 9.13 sunt prezentate valorile coeficienţilor a, b şi c din ecuaţia de regresie pentru determinarea curbelor de variaţie a parametrilor de puls cu diametrul picăturii cât şi Modelului statistic pentru determinarea curbelor de variaţie a parametrilor de puls cu diametrul picăturii.

În mod similar se pot extrage din acelaşi software OriginLab 8.0 valorile prezentate în tabelul 9.13, pentru celelalte caracteristici geometrice a arcului, respectiv larc, da1 şi da2. Tabelul 9.13. Valorile coeficienţilor a, b şi c din ecuaţia de regresie pentru determinarea

curbelor de variaţie a parametrilor de puls cu diametrul picăturii a b c Statistică

Valoare Eroarea standard Valoare Eroarea

standard Valoare Eroarea standard

Abaterea medie pătratică

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 Analizând figurile 9.19 - 9.20 în care sunt prezentate corelaţiile între parametrii de

0

2

4

6

8

10

12

420 440 460 480 500 520 540

Ip[A]

dp; l

arc;

da1

; da2

;[m

m]

dp [mm]

larc [mm]

da1 [mm]

da2 [mm]

Figura 9.13 Variaţiile diametrului picăturii-dp, lungimii arcului-larc, diametrului superior al

arcului-da1 şi diametrului inferior al arcului- da2, în funcţie de curentul de puls-Ip

- 31 -

puls şi diametrul picăturii se contată următoarele: - se observă că odată cu creşterea curentului de puls se înregistrează o

descreştere semnificativă a diametrului picăturii, fapt explicabil prin aceea că există o creştere a valorii forţei Pinch până spre domeniul transferului spray;

- se constată faptul că odată cu modificarea frecvenţei, diametrul picăturii are variaţii nesemnificative de descreştere;

- odată cu creşterea timpului de puls se observă o creştere sensibilă a diametrului picăturii;

- creşterea curentului de bază conduce la creşterea diametrului picăturii; - tensiunea arcului duce la descreşterea diametrului picăturii. Utilizând valorile centralizate din Anexa 2, au fost trasate dependenţele care

prezintă modul de variaţie a parametrilor geometrici ai arcului electric şi diametrului picăturii în funcţie de diferite viteze de avans a sârmei, în cazul sursei Quinto 1.

S-au utilizat două valori ale distanţei duză-piesă (lungimea arcului + lungimea liberă a sârmei), respectiv 15mm şi 18 mm, pentru cele două tipuri de caracteristici de reglare ale sursei de tip U-I şi I-I .

Figura 9.19. Corelaţii între parametrii de puls şi diametrul picăturii, rezultate experimentale Figura 9.20. Corelaţii între parametrii de puls şi diametrul picăturii, regresie exponenţială

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

- 32 -

Fig. 9.28. Corelaţii între parametrii de puls şi viteza de avans, ldp = 15 mm, Quinto 1

CAPITOLUL 10. OPTIMIZAREA REGIMURILOR SINERGICE LA SUDAREA MIG ÎN CURENT PULSAT

În acest capitol se prezintă metodologia practică de optimizare a regimurilor

sinergice. Procedeul de sudare pentru care se face exemplificarea este sudarea MIG în curent pulsat, utilizându-se o instalaţie Aristo 2000.

“O singură sârmă, un singur gaz, un singur echipament”, reprezintă un concept care îşi găseşte aplicabilitate în condiţiile restructurării industriei româneşti, prin dezvoltarea întreprinderilor mici şi mijlocii.

În condiţiile în care se doreşte dezvoltarea unor noi linii sinergice, altele decât cele implementate de producător, trebuie realizate un număr considerabil de determinări experimentale. Aceste determinări au în vedere realizarea următoarelor obiective:

• cordonul sa fie cu o geometrie adecvata, cu aspect cât mai uniform, cu proprietăţi mecanice sporite;

• arc liniştit, fără iregularităţi, împroşcări în condiţiile asigurării unei lungimi constante a arcului;

• viteză de sudarea cât mai mare; • consum minim de material de adaos, gaz protector; • raport preţ/calitate corespunzător; • cantitate minimă de fum, noxe. Dacă o parte dintre cerinţele impuse pentru obţinere a unei îmbinări sudate de

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

În mod clasic, stabilirea regimurilor sinergice la sudarea MIG-P este făcută numai prin determinări experimentale, urmărindu-se toate aspectele de mai sus. Aparent, pentru o sursă performantă, în condiţiile existenţei unei anumite experienţe la sudarea în curent pulsat, modificarea acestor regimuri ar trebui să se facă uşor. În sprijinul acestei activităţi, de altfel laborioasă, există o diversitate de materiale documentare în care sunt prezentate indicaţii privind alegerea parametrilor tehnologici la sudarea MIG în curent pulsat. Din acestea se pot desprinde o serie de concluzii precum:

• fiecare regim este specific tipului de sursă utilizată; • regimurile prezintă mari variaţii de la producător la producător în funcţie de

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

• pentru acelaşi tip de sursă, chiar dacă există o plajă largă de reglare a parametrilor arcului pulsat, în fapt, acest lucru este limitat la maxim 20%,

- 33 -

parametrii fiind interdependenţi. Astfel, variaţiile cele mai mici, (la anumite surse sunt menţinuţi chiar constanţi), le au parametrii de puls, Ip, tp, datorită faptului că aceştia sunt responsabili în mod direct de obţinerea transferului în regim puls-picătură - TPP.

Variaţiile pentru parametrii Ib , tb şi f sunt de până la 30% între valorile minime şi maxime. Este important de subliniat faptul că şi în condiţiile obţinerii unui cordon corespunzător, se poate întâmpla ca sudarea să se facă cu un transfer diferit de TPP. Transferul depinde în mod direct (gazul de protecţie fiind corgonul) de parametrii de puls cât şi de distanţa duza de contact – piesă de sudat dcp, viteza avans va. Odată selectate valorile pentru va şi Ua regimul impus pentru ceilalţi parametri lasă foarte puţine posibilităţi de reglaj.

Dezvoltarea conceptului „o singură sârmă, un singur gaz, un singur echipament”, în condiţiile utilizării sursei ARISTO 2000 şi a procedeului de sudare MIG în curent pulsat, presupune rezolvarea mai multor probleme. Una dintre acestea o reprezintă optimizarea regimurilor pentru sudarea tablelor subţiri, printr-o singură trecere. Ideal ar fi ca sudarea să se facă cu o viteză mare, rezultând o rată de depunere ridicată. Bineînţeles că în situaţia sudării tablelor subţiri, se aleg în mod obişnuit, sârme cu diametru mic, de 0,8-1 mm, eventual sudarea MAG-CO2 cu transfer short-arc. Ambele variante prezintă dezavantaje.

Pentru sudarea tablelor subţiri, utilizând curentul pulsat, în scopul obţinerii unei treceri cu arie cât mai redusă, se va folosi o viteză de sudare sporită cât şi valori ale curenţilor Ip, Ib reduse.

La sudarea mecanizată, utilizarea unor viteze mari de sudare reprezintă o condiţie uşor de realizat. La sudarea semimecanizată, creşterea vitezei de sudare vs peste o anumită limită, ridică probleme de manualitate. Soluţia ar fi modificarea cuplului Ip, tp, Ib, tb astfel încât regimul rezultat să fie „moale”, presiunea dinamică a arcului şi viteza picăturilor mai mici, pătrunderea redusă, lăţimea cordonului mai mare, arcul mai puţin zgomotos [61,63].

Soluţia o reprezintă găsirea regimurilor curentului pulsat prin metode clasice, care să satisfacă obiectivele de calitate amintite mai sus şi apoi validarea acestora în condiţiile în care transferul masic este corespunzător, de tipul TPP. În esenţă, aceasta reprezintă optimizarea regimurilor de sudare în curent pulsat. În final, se obţin cordoane cu o geometrie şi cu un aspect corespunzător (figura 10.3a), în condiţii de calitate crescute şi costuri minime.

Pentru a putea stabili regimurile de sudare optime, specifice transferului TPP, altele decât cele existente în softul sursei, s-au parcurs următorii paşi:

1. S-au selectat pentru domeniile uzuale ale vitezei de avans, va = 4-10 m/min, toate combinaţiile sinergice posibile, înregistrate în programul sursei;

2. S-au stabilit valorile minime şi maxime ai parametrilor curentului pulsat; 3. S-au urmărit corelaţiile dintre acestea; 4. În funcţie de grosimea tablei s-a stabilit valoarea curentului de sudare Ief . Pentru

valoarea aleasă anterior, s-au selectat valorile sinergice cele mai apropriate de cele trecute în tabelele 10.1, 10.2 şi 10.3. Pentru curentul de bază, valoarea minimă s-a ales astfel încât, să se asigure menţinerea arderii arcului iar pentru curentul de puls s-a avut în vedere ca valoarea să nu fie sub nivelul curentului de tranziţie Itr [61];

5. Au fost realizate mai multe probe, urmărindu-se obţinerea unui cordon cu o geometrie corespunzătoare şi cu aspect cât mai uniform (fig. 10.3 a,b) cât şi variaţii reduse a parametrilor curentului pulsat.

6. Pentru regimurile care au dus la realizarea celor mai bune cordoane s-a verificat tipul de transfer, prin filmare ultrarapidă şi s-au făcut ajustările necesare, astfel încât, acestea să se menţină la nivelul TPP.

- 34 -

Figura 10.3. a) Cordoane necorespunzătoare şi neuniforme; b) Cordoane corespunzătoare

realizate cu parametri de puls sinergici

Figura 10.5. Ciclul transferului masic în regim TPP prin filmare ultrarapidă, cu o

viteză de 2000 cadre/sec

CAPITOLUL 11. CONCLUZII GENERALE ŞI CONTRIBUŢII PERSONALE

11.1. Concluzii generale

În cadrul tezei de doctorat autorul şi-a propus să realizeze o abordare originală, a

modului în care sunt analizate procesele de sudare cu arc electric, în centrul tuturor corelaţiilor aflându-se „PICĂTURILE” transferate în spaţiul arcului.

În acest scop, în prima fază a trebuit realizat un sistem complex care să permită vizualizarea fenomenelor de transfer masic, din spaţiul arcului. Acest sistem de investigare a arcului electric utilizează o metodă de filmare directă şi măsurare sincronă a parametrilor electrici ai regimului de sudare, cu aplicabilitate, în primă fază, la investigarea fenomenelor utilizând sudarea prin procedeul MIG în curent pulsat, MIG-P. Studiul dinamicii picăturilor transferate s-a realizat utilizând diferite modele matematice, verificate ulterior pe baza rezultatelor experimentale.

În Capitolul 1 se prezintă teoria arcului electric cu procesele fizice ce au loc în coloana arcului. Este prezentată descărcarea autonomă şi conductivitatea gazelor ionizate. Este abordată şi problema ecuaţiei de mişcare a particulelor în arc precum şi bilanţul puterilor. Sunt prezentate principalele aspecte privind arcul electric de sudare, factorii care diferenţiază arcul de sudare faţa de arcul electric în general, fenomenele de termoemisie descrise prin relaţia Richardson-Dushman şi importanţa controlului temperaturii în plasma arcului de sudare. Se prezintă caracteristicile tensiune-intensitate şi tensiune-lungime liberă la sudarea în curent continuu. Arcul electric este caracterizat şi prin potenţialele de excitare şi de ionizare care sunt prezentate pentru diferite elemente chimice ce intervin în arcul electric de sudare.

În Capitolul 2 se prezintă modelarea matematică a arcului electric la sudarea fără şi cu transfer masic. Sunt prezentate procesele fizice din zonele şi subzonele arcului electric şi s-au scris ecuaţiile continuităţii masei, ecuaţia de energie, transferul vaporilor de metal, ecuaţia lui Maxwell, ecuaţia lui Saha şi ecuaţia de stare. Se prezintă variaţia conductivităţii şi vâscozităţii în funcţie de temperatură pentru elementele Fe, Ar, He. Se prezintă sistemul ecuaţiilor diferenţiale parţiale care descriu coloana arcului şi care sunt utilizate în simulările bazate pe controlul numeric. Este prezentată şi modelarea matematică a sudării cu transfer masic prezentându-se componentele sistemului de sudare şi teoria echilibrului static al forţelor din arc. Pentru sudarea WIG se prezintă variaţia potenţialului electric de sudare, câmpul electric la sudare, a densităţii de curent din zona arcului şi distribuţia de curent după axele X şi Y. Tot pentru sudarea WIG se

- 35 -

prezintă forma suprafeţelor echipotenţiale şi reprezentarea câmpului conducţiei termice apelând la metoda elementului finit.

În Capitolul 3 este prezentat modul de clasificare a transferului metalului prin arcul electric. O atenţie importantă este acordată analizei transferului prin picătură în cadrul arcului electric pulsat. Ciclogramele fazelor transferului sunt analizate prin tehnica filmării ultrarapide. Sunt prezentate avantajele şi direcţiile de dezvoltare ale procedeului de sudare MIG-P cu referire la reducerea cu până la 60% a energiei termice introdusă în componentele de sudat, micşorarea ZIT-ului, reducerea deformaţiilor şi îmbunătăţirea calităţii structurale.

Transferul de metal în curent pulsat se poate produce în modurile picătură cu picătură-TPP şi/sau în pulverizare (spray), cu condiţia ca valoarea intensităţii curentului de puls să fie superioară valorii curentului de tranziţie.

Pe durata tp, denumit şi timp cald, forţele electromagnetice, care cresc sub influenţa curentului Ip, provoacă formarea şi detaşarea unei picături de metal, cu o viteză mare, ca în cazul transferului prin pulverizare.

Pe durata tb, denumit şi timp rece, curentul Ib are valori prea mici pentru a avea loc un transfer, dar valoarea sa este suficientă pentru menţinerea arcului. Valoarea medie rezultată a curentului se situează în domeniul de reglare care determină transferul în scurtcircuit cu curent constant. În plus, o valoare ridicată a curentului Ip favorizează rigiditatea arcului.

Durata curentului de puls tp, depinde de valoarea aleasă pentru curentul Ip. Cuplul de valori (Ip, tp) permite definirea condiţiilor de transfer. În toate lucrărilor de specialitate în domeniu se admite că modul de transfer optim, din punct de vedere al stabilităţii şi al absenţei stropilor, se obţine atunci când se produce o picătură pe un puls.

Curentul de bază, Ib, trebuie să fie suficient de mare pentru a se evita stingerea arcului pe durata timpului rece. Este convenabil să se păstreze o valoare destul de joasă, pentru a se putea atinge valori scăzute ale curentului mediu de sudare. Durata curentului de bază, tb, se alege astfel încât să se obţină curentul mediu, a cărui valoare să determine viteza corectă de topire a sârmei şi lungimea adecvată a arcului.

Timpul de formare şi desprindere a unei picături Td este invers proporţional cu amplitudinea curentului de puls şi independent de durata acestuia.

Odată ce procesul de ştrangulare a început, picătura se va desprinde după un timp specific caracteristic diametrului sârmei şi curentului de puls, indiferent care ar fi nivelul curentului în momentul desprinderii.

Fenomenul de ştrangulare se produce prin deformarea plastică a sârmei încălzite, datorită efectului Pinch topirea realizându-se sub ştrangulare.

Desprinderea picăturii este produsă de vaporizarea punţii de metal topit care separă sârma de picătură, datorita efectul Joule.

Viteza picăturii în curent pulsat este în mare parte determinată de viteza de crestere a picăturii topite în formare, iar de cele mai multe ori de poate să apară în cazul transferului picătură cu picătură o acceleraţie suplimentară, datorată forţelor electromagnetice provenind din variaţia de curent.

Pentru stabilirea optimă a setul de parametri de puls, este important să fie cunoscute mărimile dependente de aceşti parametri şi relaţia de dependenţă, precum şi mărimile independente faţă de parametrii pulsurilor. Astfel pentru un curent mediu dat sunt dependente de parametrii de puls modul de transfer, parametrii geometrici de transfer (diametrul picaturii şi geometria arcului), stabilitatea arcului, rigiditatea arcului, absenţa stropilor. Influiente mai reduse (parametrii independenţi) ale parametrilor de puls sunt fata de forma cusăturii, pătrundere, caracteristicile mecanice ale cusăturii.

- 36 -

În Capitolul 4 este prezentată teoria transferului masic la sudarea prin impulsuri cu scoaterea în evidenţă a procedeelor moderne, de mare productivitate având la bază utilizarea curentului pulsat. Capitolul tratează şi procedeele de sudare prin impulsuri cum ar fi CMT (Cold Metal Transfer), SuperPulse, Cold Weld, Vari Weld, Speed Weld etc. Se arata faptul ca, aproape toate procedee speciale hibride de sudare de mare viteză (LASER-WIG, PLASMA-LASER, PLASMA-WIG), dezvoltate în ultimii zece ani, au la bază comanda în impulsuri a arcului de sudare. Utilizarea curentului pulsat cu undă perfect controlabilă, constituie tehnica modernă care stă la baza tuturor procedeelor amintite anterior. Prin realizarea unor forme de undă „personalizate” care să se plieze perfect pe cerinţele fizice ale procesului de sudare, indiferent de etapele de lucru, s-a permis obţinerea şi controlul foarte riguros a momentului şi a cantităţii de metal şi energie transferate spre baia de metal topit.

În Capitolul 6 se prezintă achiziţia şi prelucrarea imaginilor la sudarea cu arc electric cu precizarea componentelor sistemului de procesare a imaginilor (SPI).

Capitolul prezintă metodele de captare a imaginilor şi sistemele senzoriale. Sunt scoase în evidenţă sistemele de iluminare a zonelor de interes, cu lumină incidentă, cu lumină transmisă, cu iluminare în câmp luminos şi întunecat. Sunt descrise camerele CCD şi tehnologia CMOS. Sunt prezentate sistemele optice folosite cu referite la obiectivele camerelor, tipurilor de lentile (microlentile, lentile telecentrice, lentile auxiliare), inele distanţiere şi filtre de polarizare.

Configuraţia sintetică a sistemului de filmare are la bază o unitate de iluminare, o unitate senzorială (o cameră), una sau mai multe lentile, o placă de captură imagine cu hardware inteligent şi unităţi periferice de tip monitor, imprimantă, placă I/O etc.

Se configurează astfel o structură generală a unui sistem de vedere artificială. Sunt abordate problemele legate de prelucrarea imaginilor cu referire la filtrarea acestora, restaurare, segmentare, detecţia contururilor.

Tehnicile de filmare ultrarapidă folosite la transferul masic din arcul electric sunt: metoda shadowgraphică, cu proiector stroboscopic şi cu cameră HDRC. Astfel, dintre cele trei variante frecvent folosite de filmare directă în arcul electric a fost aleasă şi prezentată în extenso, metoda utilizând camera CMOS de tip HDRC. Varianta aceasta prezintă avantajul unui preţ convenabil şi poate furniza imagini complete ale picăturii transferate, a arcului electric şi al băii de metal topit.

Ca un dezavantaj al metodei utilizând camere HDRC îl constituie faptul că, imaginile obţinute au un contrast care, de cele mai multe ori, poate să fie insuficient pentru vizualizarea detaliilor transferului. Din acest motiv se impune folosirea unor tehnici şi algoritmi de prelucrare a imaginilor prin care se pot extrage informaţiile necesare pentru determinarea geometriei picăturilor şi ale arcului electric.

Au fost testate mai multe variante de algoritmi de prelucrare a imaginilor, cât şi mai multe software-uri comerciale destinate îmbunătăţirii şi creşterii contrastului acestora în vederea atingerii scopului propus anterior.

Pentru operaţiile de prelucrare de imagine s-au utilizat programe comerciale (din domeniul medical: ex. 3D Doctor, domeniul astronomiei, algoritmul multiscară RETINEX. În imaginile rezultate în urma operaţiilor de filtrare şi îmbunătăţire a contrastului, s-a efectuat detectarea contururilor şi extragerea trăsăturilor picăturilor.

În faza de prelucrare a imaginilor, datorită faptului că volumul de informaţii este extrem de mare (la nivel de milioane de poze achiziţionate), operaţiile primare au fost realizate cu programe comerciale: Photoshop, ACDsee etc.

Utilizând algoritmi specializaţi s-au determinat dimensiunile geometrice ale picăturilor, volumul şi viteza acestora. Mărimile determinate din transfer specifice picăturilor, corelate cu valorile pentru curentul de sudare şi tensiunea arcului se

- 37 -

prelucrează prin diverse metode, obţinându-se modele şi algoritmi pentru monitorizarea procesului de sudare.

11.2. Contribuţii personale

În Capitolul 5 se prezintă o nouă teorie privind transferul masic la sudarea MIG-

MAG. Se are în vedere posibilitatea sudării gravitaţionale şi antigravitaţionale în care picătura de metal topit, sub acţiunea forţelor din arc poate să se deplaseze pe orice direcţie între electrod şi materialul de bază. Pentru prima dată se scoate în evidenţă existenţa forţei lui Coulomb, forţă ce obligă la insularizarea picăturii şi trimiterea ei prin efect de atracţie între polul pozitiv şi negativ. La desprinderea picăturii un efect important îl are şi forţa Pinch, forţa electrodinamică materializată în baia de metal a sârmei electrod. Forţa de tensiune superficială ajută menţinerea băii, evitând curgerea acestei chiar şi în poziţie de plafon. Admiţând faptul că electronii sunt de două categorii, electroni în coloana arcului şi în picătură, se poate spune că picăturile încărcate cu sarcină electrică materializează un curent electric supus forţelor electromagnetice.

Relaţia Richardson-Dushmann, aplicată în acest caz, va servi la stabilirea intensităţii curentului din arc sau intrapicătură, ţinând seama de densitatea de electroni produşi de catod. Forţa lui Coulomb în acest transfer poate fi calculată, poate fi determinat de asemenea, numărul de picături formate în unitatea de timp pe vârful electrodului şi apoi se poate calcula rata depunerii, respectiv cantitatea de material topit şi depus pe materialul de bază. Se remarcă ca original legătura dintre particulele din arc, electroni şi ioni, cu intensitatea curentului de sudare şi în final cu rata depunerii. Un calcul numeric după această schemă a condus la o eroare a modelului analitic de numai 2,86%. Sunt prezentaţi, totodată, factorii tehnologici la sudarea MIG-P.

În Capitolul 7 se prezintă sistemului computerizat realizat pentru analiza prin filmare ultrarapidă a transferului masic.

În cadrul laboratoarelor Catedrei UTS a existat o preocupare de peste 17 ani în domeniul vederii artificiale iar primele sisteme dotate cu camere CMOS cu senzor LIN-Log2 datează din 2004. În prezent sunt dezvoltate tehnici imagistice folosind camerele CMOS MV-D1024-160. S-a realizat în acest scop un sistem complex şi original (primul în România), format dintr-un echipament de filmare ultrarapidă şi un sistem computerizat de măsurare sincronizată a parametrilor electrici ai arcului. Camera video digitală permite filmare cu viteze peste 1000cadre/sec fără iluminare suplimentară. Camera este de tip CMOS logaritmică şi este echipată cu un obiectiv de tip MACRO 6x. S-a realizat o aplicaţie software integrată, cu caracter original, bazată pe instrumentaţia virtuală implementată în Labview şi Vision Development Module. Sistemul permite măsurarea independentă a parametrilor electrici ai regimului de sudare cât şi măsurarea sincronă a acestora cu imaginile obţinute prin filmare ultrarapidă. De asemenea, este inclus un modul prin care se poate realiza procesarea imaginilor din arcul electric obţinute prin filmare. Caracterul original se remarcă şi în construcţia meniurilor de achiziţie a parametrilor analogici, de achiziţie de imagine, de sincronizare a cadrelor cu mărimile analogice precum şi meniul de analiză a imaginilor. Sistemul conţine şi un echipament mecanic de deplasare a tablelor în procesul de sudare şi o schemă de comandă electrică a motoarelor de acţionare. A fost realizat cu caracter original, un software pentru efectuarea operaţiilor de măsurare a parametrilor geometrici ai picăturii, arcului de sudare şi cordonului de sudare. Valorile măsurate, într-o formă cumulată, sunt exportate în format ASCII în vederea prelucrărilor ulterioare şi realizarea graficelor de corelaţie între mărimile măsurate şi parametrii de proces.

Pentru alegerea diferitelor regimuri de sudare a fost realizat un panou virtual pentru dispozitivul de comandă al sursei ESAB ARISTO 2000, U8. Practic, alegerea

- 38 -

regimurilor, verificarea parametrilor şi simularea unor multitudini de situaţii posibile, s-a realizat utilizând panoul virtual, fără a fi necesară pornirea sursei şi sudarea reală.

În Capitolul 8 se prezintă o verificare experimentală a sistemului de achiziţie date accentul punându-se pe calibrarea traductorului de curent folosind osciloscopul digital Tektronics TDS 2012 şi pachetul Software Wavestar. Măsurătorile realizate au avut drept scop verificarea compatibilităţii traductorului de curent LT 505S cu utilizarea acestuia la măsurarea curentului de sudare pulsat pentru implementarea ulterioara a acestuia intr-un sistem de monitorizare a arcului. În urma testelor a rezultat că traductorul de curent LT505S redă fidel, variaţiile curentului pulsat chiar şi la frecvenţe de eşantionare de peste 10KHZ. Pentru camera de filmare MV-D-1024-160 s-au efectuat teste în urma cărora s-au stabilit distanţa între camera şi zona arcului (optim 220mm), setările diafragmei (nivelul ales a fost cel minim) şi a nivelului de macro pentru obiectiv (nivelul ales a fost cel maxim), tipul de filtre utilizate cât şi calculul valorilor vitezei de filmare în corelaţie cu rezoluţia imaginii achiziţionate.

A fost realizat cu caracter original, un software pentru efectuarea operaţiilor de măsurare a parametrilor geometrici ai picăturii, arcului de sudare şi cordonului de sudare. Valorile măsurate, într-o formă cumulată sunt exportate în format ASCII în vederea prelucrărilor ulterioare şi realizarea graficelor de corelaţie între mărimile măsurate şi parametrii de proces. Pentru alegerea diferitelor regimuri de sudare a fost realizat un panou virtual pentru dispozitivul de comandă al sursei ESAB ARISTO 2000, U8. Practic, alegerea regimurilor, verificarea parametrilor şi simularea unor multitudini de situaţii posibile, s-a realizat utilizând panoul virtual, fără a fi necesară pornirea sursei şi sudarea reală.

În Capitolul 9 s-a realizat analiza regimurilor sinergice, în varianta standard, trasarea curbele sinergice de funcţionare pentru transferul puls-picătura, TPP. Au fost folosite două modele performante de echipamente de sudare şi anume ESAB ARISTO 2000 dotată cu sursa de sudare LUD 320 şi CLOOS QUINTO. Din analiza variaţiilor parametrilor sinergici de puls, se constată că dependenţele sunt relativ liniare, uşor crescătoare odată cu creşterea vitezei de avans a sârmei electrod. Excepţie face, în cazul reglării caracteristicii de tip U-I, variaţia curentului de puls Ip, a cărui valori scad uşor odată cu creşterea vitezei de avans. Ca o observaţie asupra transferului pentru cele două tipuri de reglaje ale caracteristicii sursei U-I şi I-I, s-a constatat ca în cazul tipului de reglaj U-I arcul electric are lungimi mai mici, viteza picăturilor transferate este mai mare, procesul fiind mai stabil.

S-au efectuat cercetări asupra variaţiei diametrului picăturii în diferite faze dintr-un ciclu de transfer şi s-a calculat diametrul mediu echivalent al picăturii, dispersia şi abaterea medie pătratică.

Se poate spune că, în ansamblu, pentru întreg ciclul de lucru, unde numărul picăturilor este foarte mare, variaţia diametrului mediu al picăturii faţă de valoarea calculată impusă, este relativ redusă (între 5 şi 10%). S-a constată faptul că pe parcursul unui ciclu de transfer, variaţia formei picăturii de la sfericitate este mai mare în zona de mijloc a arcului şi mai redusă în imediata vecinătate a băii metalice. Este de dorit ca, pe cât posibil, să se asigure pentru picăturile transferate o formă cât mai regulată, apropiată de cea sferică, astfel încât sa se realizeze o baie de sudură calmă, cu volum redus şi un cordon uniform, de calitate.

Se prezintă cu caracter original, corelaţiile dintre parametrii regimului de sudare MIG-P cu diametrul picăturilor şi geometria arcului.

Din analiza modului de variaţie pentru diametrul picăturii - dp, lungimea arcului - larc, diametrul superior al arcului - da1, diametrul inferior al arcului - da2, în funcţie de fiecare parametru de puls modificat (curentul de puls - Ip ,curentul de bază - Ib , timpul de puls - tp , frecvenţa curentului - f), se observă faptul că variaţiile sunt neliniare. Pentru

- 39 -

a avea o imagine globală a influenţelor între parametrii implicaţii în studiu, trebuie realizată o corelaţie directă din care să rezulte acţiunea cumulată a parametrilor de puls asupra diametrul picăturii - dp , în primul rând şi apoi asupra lungimea arcului - larc, diametrul superior al arcului - da1 şi diametrul inferior al arcului - da2 . Aceste corelaţii cu factori de scală diferiţi şi domenii de variaţie diferite au fost realizate folosind metode şi programe specializate. Metoda de determinare a variaţiei parametrilor de puls cu caracteristicile geometrice ale arcului şi picăturii de metal topit a folosit o metodă statistică utilizând software-ul profesional OriginLab 8.0.

Au fost stabilite funcţiile de regresie pentru determinarea curbelor de dependenţă a parametrilor de puls, cu caracteristicile geometrice ale arcului şi picăturii de metal topit. Curbele de variaţie sunt neliniare cu o caracteristică exponenţială asimptotică. S-au estimat parametrii ecuaţiei modelului cu ajutorul metodei celor mai mici pătrate. Sunt prezentate valorile coeficienţilor din ecuaţia de regresie pentru determinarea curbelor de variaţie a parametrilor de puls cu diametrul picăturii cât şi modelului statistic pentru determinarea curbelor de variaţie a parametrilor de puls cu diametrul picăturii.

În urma analizei corelaţiilor între parametrii de puls şi diametrul picăturii se constată că diametrul picăturii este influenţat esenţial de curentul de puls-Ip, curentul de bază-Ib şi frecvenţa-f, astfel:

se observă că odată cu creşterea curentului de puls se înregistrează o descreştere semnificativă a diametrului picăturii, fapt explicabil prin aceea că există o creştere a valorii forţei Pinch până spre domeniul transferului spray;

se constată faptul că odată cu modificarea frecvenţei, diametrul picăturii are variaţii nesemnificative de descreştere;

odată cu creşterea timpului de puls se observă o creştere sensibilă a diametrului picăturii;

creşterea curentului de bază conduce la creşterea diametrului picăturii; tensiunea arcului duce la descreşterea diametrului picăturii. Din analiza corelaţiilor între parametrii de puls şi lungimea arcului se observă că: odată cu creşterea curentului de puls, a curentului de bază şi a tensiunii arcului

se constată o micşorare a lungimii arcului; odată cu creşterea frecvenţei, apare o creştere uşoară a lungimii arcului; timpul de puls are o influenţă nesemnificativă asupra lungimii arcului. S-a mai observat faptul că valoarea diametrului arcului pe vârful electrodului

scade în toate situaţiile excepţie făcând variaţia uşoară de creştere în cazul timpului de puls.

Au fost studiate dependenţele între modul de variaţie a parametrilor geometrici ai arcului electric şi diametrului picăturii în funcţie de diferite viteze de avans a sârmei. În cazul sursei de sudare Quinto 1 s-a constatat o scădere a diametrului picăturii odată cu creşterea vitezei de avans a sârmei, fapt explicabil prin creşterea valorii medii a curentului de sudare. În cazul sursei de sudare Esab Aristo 2000, se constată o scădere moderată a diametrului picăturii odată cu creşterea vitezei de avans a sârmei şi o scădere mai accentuată a celorlalţi parametri geometrici, respectiv larc, da1 şi da2.

Totodată, se remarcă ca scăderea este mai accentuată în cazul utilizării tipului de reglaj pentru caracteristica sursei de tip U-I. Se observă diferenţe ale lungimii arcului, valori mai reduse fiind specifice reglajului U-I (în intervalul 2,5 - 4mm), faţă de reglajul I-I. Acest fapt se explică prin faptul că în cadrul surselor robotizate se utilizează, cu precădere, tipul de caracteristică U-I, datorită faptului că se poate controla şi menţine mult mai bine constantă distanţa duză contact-piesă, asigurându-se astfel un transfer masic şi termic uniform şi eficient.

- 40 -

Bibliografie selectivă

1. Allum C. J. - Metal transfer in arc welding as a varicose instability. II. Development of model for arc welding, J. Phys. D: Appl. Phys. 18 No 7, 1985, pag. 1447-1468 2. Antoniu, M. - Măsuri electronice, vol. 1, Metrologie, aparate de măsură analogice, ediţia a 3-a, Editura Satya, Iaşi, 2003 3. Bădărau E., Popescu I. - Gaze ionizate-descărcări electrice în gaze, Editura Tehnica, 1963 10. Constantin E., Tehnologia sudării prin topire - curs partea I, Galaţi, 1994 14. Constantin E., Mistodie L. - Modelarea matematică a transferului masic la sudarea cu arc pulsant, Conferinţa ASR „Sudura 2005 - Sudarea în Romania în pragul aderării la Uniunea Europeană” Galaţi, 2005, ISBN 973-8359-33-3, pag. 166-174. 25. Erohin, A. A. - Cinetica proceselor metalurgice din arcul electric de sudare, Moskova, 1964 26. Fan H. G. and Kovacevic R. - Dynamic analysis of globular metal transfer in gas metal arc welding - a comparison of numerical and experimental results, J. Phys. D: Appl. Phys. 31 No 20, 1998, 2929-2941 27. Fan H. G. and Kovacevic R. - A unified model of transport phenomena in gas metal arc welding including electrode, arc plasma and molten pool, J. Phys. D: Appl. Phys. 37 No 18, 2004, 2531-2544 28. Frolov V. V. - Teoria svarociniih protessov, Viisiaia Scola, Moskva, 1988 35. Hortopan Gh. - Aparate electrice. Principii şi aplicaţii, Ediţia a III-a, E.D.P., Bucureşti, 1980 36. Hsu, K.C. - A self consistent model for the high intensity free burning argon arc. PhD thesis, Univ. of Minnesota, Minneapolis, USA, 1982. 39. Iordăchescu M., Mistodie L., Iordăchescu D., Scutelnicu E. - Raport sinteză: Sistem de monitorizare şi comandă a proceselor de brazare cu arc electric a tablelor subţiri pentru autovehicule, MECT-CNCSIS, cod 440, tema 6, 2006, 8 pag 41. Jesper S., T. - Advanced Control Methods for Optimization of Arc Welding, Ph.D. Thesis, 2004, Aalborg University, Denmark. 42. Jones L.A., Mendez P.F., Weiss D., Eagar T.W. - Dynamic Behavior of Gas Metal Arc Welding, The 9th Annual Conference on Iron and Steel Technology, Pohang, Korea, 1997 43. Joni N. - Soluţii moderne privind implementarea roboţilor industriali pentru sudarea MIG/MAG şi pentru procesele de tăiere, Teză de doctorat, Universitatea Transilvania Braşov, 2003 44. Joni, N., Trif, I.N. - Sudarea robotizată cu arc electric, Editura LuxLibris, Braşov, 2005 47. Kim, I. S., Basu, A. - Mathematical model of heat transfer and fluid flow in the gas metal arc welding process. Journal of Materials Processing Technology 77, 1998, 17-24 50. Kovacevic, R., Y. M. Zhang, Liguo, E, Beardsley, H. - Dynamic analysis metal transfer process for GMAW control. ASM Journal of Engineering Materials and Technology, 1996 51. Kovacevic, R., Y. M. Zhang, Liguo, E, Beardsley, H. - Dynamics of droplet geometry during metal transfer in GMAW - a model for process control. In: ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Atlanta, Georgia., 1996, pag. 143-144 57. Micloşi V., Scorobeţiu L., Jora M., Miloş L. - Bazele proceselor de sudare, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1982

- 41 -

62. Mistodie L. - Quality assurance welding monitoring using CMOS-HDRC camera with application in robotized assembling, A 2–a Conferinţa Internaţională Robotica , Timisoara, Reşita, Herculane, 2004. 64. Mistodie L., Bălaşa L., Bucur C. - Echipament realizat în LabVIEW şi IMAQ utilizat la monitorizarea sudării, Conferinţa Naţională de Instrumentaţie Virtuală, CNIV 2005, Aplicaţii pentru sisteme şi procese complexe, ediţia A II-A, Bucureşti, 2005. 65. Mistodie L., Bucur C. - Instrument de analiză sincronă de date şi imagine, realizat in LabVIEW şi Imaq, utilizat la sudare, Al 12-lea Simpozion A.A.I.R., Mamaia, 2004. 67. Mistodie L., Constantin E. - MAG-P Welding Quality Assurance System Using High-Speed Camera, The Annals of “Dunarea de Jos “University of Galati Fascicle XII welding equipment and technology ISSN 1221 – 4639, 2005. pag 19-26. 69. Mistodie L., Constantin E. - Sistem computerizat pentru analiza prin filmare ultrarapidă, a transferului masic la sudarea în curent pulsant, Lucrările Conferinţei ASR “Sudura 2004”, Constanţa, ISBN, 973-8359-25-2, pag. 306-317. 74. Mistodie L., Mihăilescu D. - Utilizarea vederii artificiale pentru monitorizarea arcului electric, Buletinul Ştiinţific al celui de al V-lea Colocviu Naţional Interdisciplinar CNTI 2001, Brăila, 2001, pag.125-129 78. Mistodie L. R., Nenita G., Mircea O. - Pulsed Arc Welding Visualization and Monitoring, Proceedings of 1st International Conference Advances in Engineering & Management, ADEM 2010 80. Mistodie L. R., Rusu, C. C. - Sistem mecatronic pentru vizualizarea şi studierea arcului electric, Conferinţa Naţională de Educaţie Tehnologică şi Tehnologii Educaţionale, CNETTE, 2009 83. Mistodie L. R., Rusu C., Constantin E. - Echipament de cercetare şi investigare a arcului electric de sudare, Conferinţa Tehnologii Moderne, Calitate, Restructurare-TMCR-2005, ISBN9975-9875-3-9 (vol 5b), Chişinău, Republica Moldova, pag. 341-344, vol. 5b. 88. Nordbruch, S., Tschimer, P., Grase, A., Visual online monitoring of PGMAW without a lighting unit, International Sheet Metal Welding Conference IX, 2000 - Sterling Heights, Michigan, USA 91. Pfender, E. - Electric arcs and arc gas heaters. In M N Hirsh and H J Oskam, editors, Gaseous Electronics, volume 1, chapter 5, pag. 291-398. Academic Press, 1978 104. Rhee, S. Kennatey-Asibu, E. - Observation of Metal Transfer During Gas Metal Arc Welding, Welding Journal, 71(10), 1992 112. Simpson S. W. and Peiyuan Zhu - Formation of molten droplets at a consumable anode in an electric welding arc, J. Phys. D: Appl. Phys. 28 No 8, 1995, pag. 1594-1600 115. Subramaniam S., White D. R. - Effect of Shield Gas Composition on Surface Tension of Steel Droplets in a Gas-Metal-Arc Welding Arc, The Minerals, Metals & Materials Society, Metallurgical and Materials Transaction B, Volume 32B, April 2001, pag. 313-318 117. Tanaka M., Terasaki, Ushio, H., Lowke, J.- Numerical Study of a Free-burning Argon Arc with Anode Melting, Plasma Chemistry and Plasma Processing, Vol. 23, No. 3, 2003 118. Ueguri, S., K. Hard, K., Komura, H. - Study of metal transfer in pulsed GMA welding. Welding Journal, 1985, pag. 242s-250s 119. Ushio, M. and C. S. Wu., C.S. - Mathematical modeling of three dimensional heat and fluid in a moving gas metal arc weld pool, Metallurgical and Materials Transactions. B: Process Metallurgy and Materials Processing Science 28 (3), 1997, 509-516.

- 42 -

127. Vilarinho L. O. - Desenvolvemento e avaliacao de un algoritmo alternativo para soldagem MIG sinergica de aluminio, (Development and validation of an alternative algorithm for MIG synergic welding of aluminium), MS. Thesis, Universidade Federal de Uberlandia, Brasil, 2000 133. Wang F., Hou W. K., Hu S. J., Kannatey-Asibu E., Schultz W. W. and Wang P. C. - Modelling and analysis of metal transfer in gas metal arc welding, J. Phys. D: Appl. Phys. 36 No 9, 2003, pag. 1143-1152 134. Wang G., Huang P. G., Zhang Y. M. - Numerical Analysis of Metal Transfer in GMAW, The Minerals, Metals & Materials Society, Metallurgical and Materials Transaction B, Volume 34B, 2003, pag. 345 135. Wang F., Hou W K, Hu S J., Kannatey-Asibu E, Schultz W W., Wang, P. C. - Modelling and analysis of metal transfer in gas metal arc welding, J. Phys. D: Appl. Phys. 36, pag. 1143–1152, 2003 136. Wang G., Huang P.G., Zhang Y.M. - Numerical Analysis of Metal Transfer in GMAW, The Minerals, Metals & Materials Society, Metallurgical and Materials Transaction B, Volume 34B, 2003, pag. 345 137. Wang V., Hou W. K., HU S. J., Kannatey-Asibu E., Schultz W. W., Wang P. C. - Modeling and analysis of Metal Transfer in Gas Metal Arc Welding, Department of Mechanical Engineering, University of Michigan, Ann Arbor, 2003, Michigan, USA 139. Wendelstorf, J., Decker, I., Wohlfahrt, H., Simon, G. - TIG and plasma arc modelling, H Cerjak (ed.): Mathematical Modelling of Weld Phenomena 3, The Institute of Materials, 1997, ISBN 1-86125-010-X, pag. 848-897 140. Xinqiao, L. - CMOS Image Sensors Dynamic Range and SNR Enhancement via Statistical Signal, Dissertation Thesis, Stanford University, 2002 141. Xu, Guo, Simulation of drop formation and metal transfer in gas metal arc welding, PhD thesis, University OF Michigan, 2004 143. Zhang Y. M., Li P.J. - Modified Active Control Of Metal Transfer And Pulsed GMAW Of Titanium, Welding Research Supplement, 2001 149. *** - microEnable II, Frame grabber software, device driver and documentation for microEnable II product line, http://www.silicon-software.com/download.html 152. *** - MV-D 1024-160 User Manual and Application Notes 159. *** - IMAQ vision concepts manual, National Instruments, 2003, SUA 161. *** - LUD 320, Service Manual, ESAB, 2000 162. *** - Pulsed MIG-welding - www.esab.com/kcentre/files/PulsMigEn.pdf 163. *** - QUINTO® operating manual. Manual de exploatare, editat de Firma Carl Cloos Schweisstechnik GmbH, Haiger Germania, 1999 164. *** - GLC 353 QUINTO Cold Process, http://www.robcon.ro/ro/cat/1/sudura-produse.html 165. *** - ECT no:154, Low Voltage circuit-breakers; breaking techniques, http://www.schneider-electric.com/sites/corporate/en/support/support.page