Universitatea Universitatea Dunrea de JosDunrea de Jos din Galadin GalaiiFacultatea de MecanicFacultatea de Mecanic

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

IIngng. . LuigiLuigi RenatoRenato MISTODIEMISTODIE

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

20201010

UNIVERSITATEADUNREA DE JOS DIN GALAI FACULTATEA DE MECANIC

Tez de doctorat

CONTRIBUII LA TRANSFERUL MASIC DIN ARCUL

ELECTRIC DE SUDARE

SL. ing. Luigi Renato MISTODIE

Conductor tiinific, Prof. dr. ing. Emil CONSTANTIN

Galai, 2010

- 3 -

INTRODUCERE

Sudarea n mediu de gaze -MIG- reprezint, i la ora actual, un procedeu cu extindere larg n multe domenii industriale precum naval i siderurgic. Acest lucru se datoreaz avantajelor pe care acesta le ofer: productivitate mare, calitate superioar a mbinrii, posibiliti de mecanizare i robotizare.

n paralel cu extinderea domeniului de aplicaie s-au dezvoltat continuu i au aprut materiale i tehnologii noi, surse de sudare sinergice, digitale performante.

Pentru conceperea, proiectarea i testarea acestora s-au utilizat echipamente de cercetare, analiz a fenomenelor chimice, metalurgice, electromagnetice i de transfer care guverneaz procesele din arc i din baia de sudur.

n mod tradiional, n studiile efectuate asupra proceselor de sudare cu arc electric, accentul este pus pe corelaiile ntre parametrii de regim, considerai ca mrimi de intrare, i geometria arcului concretizai n parametrii de ieire sau de calitate. Aceste abordri urmresc rezultatul final, i anume geometria cordonului i proprietile mecanice ale mbinrii sudate corelate cu parametrii regimului de sudare. Astfel esena procesului, instrumentul prin care se realizeaz sudarea, ARCUL ELECTRIC, este considerat drept o cutie neagr. Acest lucru se datoreaz greutii i complexitii investigrii i modelarii fenomenelor care guverneaz acest mic univers.

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

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

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

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

n final a fost elaborat un concept nou FUNCIE PICTUR prin care este realizat controlului ntregului proces de sudare MIG-P.

Metoda de investigare utilizat n tez se bazeaz n mod exclusiv, pe informaiile furnizate de radiaia arcului electric. Acestea sunt nregistrate prin filmare ultrarapid, prelucrate prim metode i algoritmi specifici. Din imaginile rezultate, dup o selecie prealabil, se extrag dimensiunile mrimilor specifice picturilor, stropilor, arcului i bii de sudare. Acestea sunt supuse ulterior unor corelaii statistice. n final se obine un model global, care are n centrul tuturor corelaiilor, ntre parametrii de intrare i cei de ieire, pictura metalic transferat prin arcul electric de sudare.

Procedeul, la care practic este predictibil geometria i dinamica picturilor transferate prin arcul electric, utilizeaz curentul pulsat. Pentru realizarea cercetrilor experimentale, autorul tezei, a dezvoltat un sistem performant de investigare a arcului electric prin filmare direct i msurare sincron a parametrilor electrici ai regimului de sudare, cu aplicabilitate, la investigarea fenomenelor la sudarea prin procedeul MIG n curent pulsat, MIG-P.

- 4 -

CUPRINS

INTRODUCERE .............................................................................................. 3 3SEMNIFICAIA PRINCIPALELOR MRIMI APRUTE N LUCRARE 9CAPITOLUL 1. Procese fizice n arcul electric 7 121.1. Arcul electric. Studiu teoretic ..................................................................... 7 12 1.1.1. Descrcarea autonom ....................................................................... 7 12 1.1.2. Conductivitatea gazelor ionizate.......................................................... 14 1.1.3. Conductivitatea electric a gazului puternic ionizat ............................. 151.2. Regimul dinamic al arcului electric ............................................................ 7 16 1.2.1. Ecuaia de micare. Bilanul 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 i elementele arcului electric de sudare .................................... 8 24 1.3.1. Ionizarea gazului ................................................................................ 25 1.3.2. Temperatura arcului ............................................................................ 9 27Concluzii........................................................................................................... 28CAPITOLUL 2. Modelarea matematic a arcului electric ............................ 9 292.1. Modelarea arcului electric la sudarea fr transfer masic ......................... 9 29 2.1.1. Ipoteze de studiu ................................................................................. 10 32 2.1.2. Coeficienii 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 forelor din arc ........................................... 11 46 2.2.2. Teoria instabilitii Pinch...................................................................... 12 48Concluzii........................................................................................................... 52CAPITOLUL 3. Ciclogramele transferului pulsat ......................................... 13 533.1. Transferul masic la sudarea n mediu de gaz protector. Clasificarea dupmodul de transfer metalic n arc ...................................................................... 53 3.1.1.Tensiunea superficial.......................................................................... 54 3.1.2. Efectul Pinch ....................................................................................... 553.2. Transferul metalic ntr-un arc pulsat .......................................................... 13 553.3. Condiii experimentale pentru sudarea n arc pulsat.................................. 583.4. Teoria transferului n curent pulsat ............................................................ 653.5. Caracteristici principale ale sudarii MIG-P................................................. 13 673.6. Avantajele i direciile de dezvoltare ale procedeului de sudare MIG ncurent pulsat..................................................................................................... 70Concluzii........................................................................................................... 71CAPITOLUL 4. Transferul masic la sudarea prin impulsuri........................ 13 734.1. Clasificarea tipurilor speciale de transfer masic ........................................ 13 734.2. Sudarea MIG pulsat cu pulsaie termic la frecvene mici ......................... 754.3. Sudarea n impulsuri scurte....................................................................... 76 4.3.1. Avantaje .............................................................................................. 76 4.3.2. Dezavantaje ........................................................................................ 764.4. Procedee moderne de sudare cu arc comandat n 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. Contribuii la transferul masic n cazul sudrii MIG-MAG . 15 845.1. Introducere ................................................................................................ 15 845.2. Modelarea fenomenelor de transfer masic ................................................ 15 84 5.2.1. Forele din arcul de sudare.................................................................. 15 84 5.2.2. Formarea picturilor din srma electrod .............................................. 15 855.3. Verificarea numeric a modelului transferului masic ................................. 16 865.4. Analiza factorilor tehnologici asupra transferului la sudarea MIG-P .......... 86 5.4.1. Caracteristici principale ale sudarii MIG-P. Selectarea parametrilorregimului de lucru ............................................................................................. 87 5.4.2. Analiza stabilitii transferului masic .................................................... 89Concluzii........................................................................................................... 91CAPITOLUL 6. Achiziia i prelucrarea imaginilor la sudarea cu arculelectric............................................................................................................. 17 936.1. Conceperea sistemelor pentru procesarea imaginilor ............................... 94 6.1.1. Sisteme de iluminare a zonei de interes.............................................. 94 6.1.2. Metode de captare a imaginilor i sisteme senzoriale ......................... 95 6.1.3. Placa de captur.................................................................................. 103 6.1.4. Configuraia sintetic a sistemului de filmare ...................................... 17 1046.2. Aspecte privind prelucrarea imaginilor....................................................... 17 104 6.2.1. Generaliti .......................................................................................... 17 104 6.2.2. Achiziia imaginilor. Alegerea componentelor sistemului .................... 106 6.2.3. Clase de imagini .................................................................................. 107 6.2.4. Prelucrri grafice ................................................................................. 17 107 6.2.5. Recunoaterea formelor ...................................................................... 1096.3. Utilizarea camerelor HDRC Cmos n sistemele de monitorizare a arculuielectric .............................................................................................................. 18 110 6.3.1. Introducere .......................................................................................... 110 6.3.2. Aplicaii ................................................................................................ 110 6.3.3. Tehnici de filmare ultrarapid .............................................................. 18 111 6.3.4. Aspecte privind cerinele sistemelor de filmare ................................... 18 111 6.3.5 Tehnica Shadowgraphic sau Back-lighting .................................... 112 6.3.6. Varianta cu proiector stroboscopic ...................................................... 113 6.3.7. Varianta utiliznd camere HDRC......................................................... 18 113Concluzii........................................................................................................... 123CAPITOLUL 7. Contribuii la realizarea unui sistem computerizat pentruanaliza prin filmare ultrarapid a transferului masic .................................. 20 1247.1. Echipamentul realizat i utilizat n cadrul investigaiilor ............................. 20 124 7.1.1. Realizarea sistemului de monitorizare n cadrul laboratoarelorDepartamentului de Robotic i Sudare al Universitii Dunrea de Jos dinGalai, utiliznd componente software National Instruments.......................... 124 7.1.2. Prezentarea sistemului utiliznd camere HDRC cu sincronizareextern. Subsistemul de msur a mrimilor analogice ................................... 20 1247.2. Echipamentul de filmare ............................................................................ 21 126 7.2.1. Sistemul de filmare .............................................................................. 21 127 7.2.2. Camer C-MOS cu senzor LIN-LOG 2 ................................................ 21 129 7.2.3. Sistemul optic-macro ........................................................................... 21 132 7.2.4. Placa de captur microEnable III......................................................... 22 1337.3. Unitatea de calcul specializat .................................................................. 1337.4. Soft integrat de comand pentru instrumentaie virtual ........................... 22 133 7.4.1. Meniul de configurare a parametrilor de achiziie de date Configuration .................................................................................................... 133

- 6 -

7.4.2. Meniul de achiziie a parametrilor analogici Acquisition.................... 134 7.4.3. Meniul de achiziie de imagine Image ACQ...................................... 135 7.4.4. Meniul de sincronizare ntre cadrele de imagine i mrimile analogice SYNC Image & ACQ ..................................................................................... 136 7.4.5. Meniul de analiz de imagine Image Analisys.................................. 137 7.4.6. Bloc conector....................................................................................... 1387.5. Surse de sudare sinergic ESAB ARISTO 2000, cap de sudare cudispozitivul de poziionare aferent .................................................................... 1387.6. Sistem de deplasarea a tablelor (pieselor) sudate .................................... 22 140Concluzii........................................................................................................... 143CAPITOLUL 8. Testarea sistemului de achiziie de date i a camerei defilmare ............................................................................................................. 23 1448.1. Testarea sistemului de achiziie de date utiliznd osciloscopul digitalTektronics TDS 2012 i pachetul software Wavestar ....................................... 23 144 8.1.1 Introducere ........................................................................................... 144 8.1.2. Parametrii curentului pulsat la sudarea MIG-P .................................... 144 8.1.3. Sisteme de msur i monitorizare ..................................................... 145 8.1.4. Metode de msurare a curentului de sudare ....................................... 23 146 8.1.5. Senzor Hall .......................................................................................... 23 146 8.1.6. Calibrarea sistemului de achiziie ........................................................ 23 1488.2. Testarea i alegerea vitezei optime de filmare pentru camera ultrarapidMV-D-1024-160................................................................................................ 24 151Concluzii........................................................................................................... 154CAPITOLUL 9. Cercetri experimentale privind corelaiile dintreparametrii regimului de sudare MIG-P cu diametrul picturilor igeometria arcului .......................................................................................... 25 1559.1. Introducere ................................................................................................ 25 155 9.1.1. Datele de intrare a determinrilor experimentale................................. 25 155 9.1.2. Analiza regimurilor sinergice standard................................................. 25 1559.2. Cercetri asupra variaiei diametrului picturii n diferite faze a unui ciclutransfer ............................................................................................................. 26 1589.3. Corelaii ntre parametrii regimului de sudare n curent pulsat geometriaarcului i diametrul picturilor ........................................................................... 28 165Concluzii........................................................................................................... 177CAPITOLUL 10. Optimizarea regimurilor sinergice la sudarea MIG n curent pulsat 32 17810.1. Introducere .............................................................................................. 17810.2. Obiective ................................................................................................. 17910.3. Concluzii .................................................................................................. 183CAPITOLUL 11. Concluzii generale i contribuii personale ...................... 34 18411.1. Concluzii generale ................................................................................... 34 18411.2. Contribuii personale................................................................................ 37 186BIBLIOGRAFIE ................................................................................................ 40 190ANEXA 1 .......................................................................................................... 198ANEXA 2 .......................................................................................................... 204ANEXA 3 .......................................................................................................... 211ANEXA 4 .......................................................................................................... 213

- 7 -

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

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

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

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

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

puternic a spaiului de arc, astfel c ntreg gazul se afl la temperaturi nalte. Aceast stare de nclzire puternic provoac i ea ionizarea gazului.

Ca n orice alt descrcare electric n gaz, i n cazul arcului electric, ionizarea prin oc joac un rol important n multiplicarea purttorilor de sarcin. Aceasta poate fi una din explicaiile densitilor foarte mari de curent. Condiiile ionizrii sunt determinate de gradul de ionizare a electronului i gradul de ionizare a ionului pozitiv. n figura 1.1 este prezentat fenomenul ionizrii n care electrozii sunt plasai la distana larc i sunt alimentai de la o surs de tensiune continu.

Fenomenele care intervin odat cu obinerea descrcrii autonome sunt: ionizarea prin oc, fotoionizarea, emisia secundar, emisia termic, emisia datorit cmpului electric. Cifra de ionizare depinde de natura gazului, de energia ionului care face impact cu catodul, de natura catodului etc. n concluzie, fenomenul ionizrii scoate n eviden dependena exponenial a numrului purttorilor de sarcin funcie de distan.

Figura 1.1. Ionizarea arcului

1.2. Regimul dinamic al arcului electric Bilanul puterilor

Bilanul puterilor n unitatea de volum din coloana arcului electric poate fi dedus prin nmulirea ecuaiei de micare cu viteza, relaie n care inem cont de relaia [106]:

tpp

dtdpv

=

r

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

IUPdtdQ =+ (1.20)

n multe studii, ceea ce intereseaz n mod deosebit, este caracterizarea arcului electric din punct de vedere electric i anume printr-un element de circuit. Caracterizarea oricror elemente de circuit este posibil prin relaia de dependen cauz-efect dac elementul este liniar. n cazul elementelor neliniare aceast relaie nu se poate prezenta analitic. Indiferent de relaia cauz-efect, elementul de circuit este complet definit de produsul semnalelor (cauz-efect) numit putere instantanee. Fenomenele din coloana arcului electric depinznd de coninutul de cldur sunt

- 8 -

caracterizate de elemente ineriale ntruct temperatura este o mrime inerial. Fiind un fenomen inerial, relaia cauz-efect depinde de valorile anterioare ale temperaturii din coloana arcului electric. Caracterizarea arcului este posibil n aceste condiii printr-o mrime ce face legtura ntre cauz i efect, mrime numit conductan dinamic definit pe mrimi instantanee prin relaia G=I/U. innd cont c arcul electric are o temperatur ridicat i c exist o interdependen reciproc ntre temperatur i gradul de ionizare termic, se poate admite c valoarea energiei Q este o funcie de conductana arcului electric: ( )GfQ = (1.21)

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

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

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

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

1.2.3. Efectul Pinch Arcul electric este supus forelor electrodinamice i contactului cu mediul exterior.

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

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

42

20

Rrmax R4I)pp(p

== (1.40) Procesul de comprimare al coloanei de plasm ca urmare al dezvoltrii forei

Lorentz se numete efect Pinch. Practic, acest efect conduce la diametre de arc electric sensibil mai mici dect n cazul cnd nu se ia n considerare fora Lorentz. n realitate arcul electric care arde ntr-un gaz nu i menine coloana sub forma cilindric deoarece piciorul arcului i are sediul pe un material conductor unde J = 106 - 108 A/cm2 iar coloana se dezvolt ntr-un gaz, care este mediu mai puin conductor. Ca urmare diametrul coloanei arcului n gaz va depi sensibil diametrul petei catodice iar arcul electric va prezenta o dilatare n zona central. Aceast modificare de diametre, pe msur ce se trece la alt seciune transversal n coloana arcului, cauzeaz o asimetrie de cmp magnetic i de densitate de curent deci o modificare a forei Lorentz fa de cazul modelului cilindric. Efectul acestei asimetrii l constituie formarea de cureni de plasm ctre axa de simetrie transversal a arcului.

1.3. Formarea i elementele arcului electric de sudare

Densitatea de curent cauzat de termoemisie se calculeaz cu formula

Richardson-Dushman [10,25]:

TkUe

2ie0

eTAj oo

= (1.55)

- 9 -

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

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

gazos din coloan i de polaritate. Astfel temperatura coloanei arcului crete odat cu creterea curentului, scade odat cu scderea potenialului de ionizare i este mai ridicat la sudarea cu polaritate invers. Prin scderea potenialului de ionizare rezistena coloanei arcului scade i, la acelai curent de sudare n coloan se dezvolt mai puin cldur [25,28,36,39,57].

La sudarea cu polaritate invers temperatura coloanei crete cu circa 500K. Aceasta se ntmpl datorit faptului c pata anodic are o temperatur mai ridicat dect pata catodic. La polaritate invers, anodul este la electrod i rcirea este mai puin intens dect atunci cnd anodul este pe piesele de sudat. Ca atare anodul radiaz o cantitate de cldur mai mare spre coloana arcului. Fcnd abstracie de ceilali factori, K. K. Hrenov propune ca temperatura coloanei arcului s se calculeze numai n funcie de potenialul de ionizare, cu relaia[28]:

n urma calculelor rezult: 0"U810T = (1.78)

adic o evaluare global simplist, verificabil experimental.

CAPITOLUL 2. MODELAREA MATEMATIC A ARCULUI ELECTRIC 2.1. Modelarea arcului electric la sudarea fr transfer masic

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

electrice. Din aceast cauz o analiz computerizat a arcului este o problem foarte dificil n schimb poate duce la rezultate spectaculoase.

Pentru modelarea i simularea proceselor de sudare cu gaze inerte (MIG i WIG) sunt necesare informaii amnunite att despre distribuia fluxului de energie ct i despre valoarea suprapresiunii de pe suprafaa bii de sudare. Modelarea numeric a arcului poate da informaii care pot fi folosite ca date de intrare pentru modelarea bii de sudare, optimizarea parametrilor arcului, simularea diverselor procedee de sudare[139]. Pentru a pstra aceast structur modular, se poate defini modelul arcului ca o cutie neagr. Cel mai important rezultant il constituie determinarea distribuia de energie/temperatura transmis pieselor sudate.

Figura 2.1. Schema modulat a procesului de sudare

- 10 -

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

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

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

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

Figura 2.3. Procesele fizice din zonele i subzonele arcului electric

2.2. Modelarea arcului electric la sudarea cu transfer masic

Modelul global al procedeului de sudare MIG este alctuit din urmtoarele

submodele (Fig. 2.13) [134, 135, 136, 137, 141]: - modelul plasmei arcului electric; - modelul bii de metal topit; - modelul transferului metalic i de cldur n coloana arcului. Utiliznd diferite modele matematice i folosindu-se de metode moderne de

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

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

- 11 -

Figura 2.13. Modelul global al procedeului de sudare MIG-P. Au fost elaborate mai multe teorii pentru explicarea tipurilor de transfer metalic:

- teoria echilibrului static al forelor din arc; - teoria instabilitii forelor Pinch; - teoria forei jetului de plasm; - teoria vitezei critice. n cazul sudrii MIG, pentru explicarea fenomenelor de transfer au fost utilizate n

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

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

captul electrodului, n stare topit, n momentul n care se rupe echilibrul static al forelor care acioneaz n arc (Fig.2.16)[27,41,117,119,133]:

+=+++ FFFFFF exemplg (2.50) unde Fg fora gravitaional cu valoarea:

ypg gmF = , gr34F p

3pg = (2.51)

Fpl fora dinamic de transport datorat propulsiei n jetul de plasm: CrgV5,0F 2ppl

2pl = (2.52)

unde: pl - densitatea gazului plasmei; rp - raza picturii, C coeficientul de proporionalitate, care depinde de caracteristicile de proces.

Aceast for are o caracteristic considerabil n cazul sudrii spray arc ct i pe perioada curentului de puls Ip

- 12 -

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

=

e

agem r

rln4

F , (2.53)

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

Fan fora datorat vaporizrii, de reacie anodic este:

IJ'mFan

= (2.54) F fora datorat tensiunii superficiale:

= ar2F (2.55) unde reprezint tensiunea de superficial a

metalului lichid.

Figura 2.16. Aciunea forelor la sudarea MIG Teoria echilibrului static al forelor din arc are la baza urmtoarele ipoteze:

- srma electrod este cilindric cu geometrie constant; - densitatea de curent care strbate pictura (n formare) este constant; - pictura este considerat sferic; - expresia utilizat pentru determinarea forei de curgere este specific unei

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

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

( ) ( ) >+++ a2a2p2ffap2

0p

3p r2rrC2

13236,025,0rlnrln4

Igr34 (2.56)

Din relaia 2.56 se determin valoarea critic n momentul detarii a picturii. 2.2.2. Teoria instabilitii Pinch La baza teoriei instabilitii Pinch st modelul Rayleigh al instabilitii coloanei de

lichid. Utiliznd aceasta teorie se poate aproxima raza picturii detaate cu relaia [26,133,135,136,137]: ( )

( )21

0p2

20

0pp

rrI1n25,1

rrR

++

+= (2.57)

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

cilindrului; - strangularea picturii din coloana cilindric de metal lichid de ctre fora Pinch

se datoreaz forelor electrodinamice.

- 13 -

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

Se cunoate c sudarea MIG-MAG a fost introdus la origine ca rspuns la

problemele sudrii aluminiului n industria aeronautic. Introducerea arcului pulsat a permis obinerea un transfer puls-picatur-TPP pentru un curent mediu inferior introducnd impulsurile de curent pentru desprinderea picturilor la intervale controlate, cu ntreruperi de curent ce menin arcul i permit formarea picturilor topite. Acest lucru a permis sudarea prin transfer TPP a tablelor subiri, n orice poziie.

3.5. Caracteristici principale ale sudrii MIG-P

Situarea transferului de metal n domeniul valorilor sczute ale curentului permite

obinerea unui arc n permanen stabil, absena total a stropilor, realizarea unei bi calme, cu volum redus i depuneri de calitate. Toate acestea constituie avantaje eseniale ale sudrii MIG pulsat.

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

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

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

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

- Dac durata curentului de puls este prea lung, fiecare puls antreneaz detaarea mai multor picturi. Stabilitatea arcului este mai puin bun dect n cazul detarii unei picturi pe un puls. Aceasta este posibil a fi n legtur cu mrimea timpului rece tb, necesar pentru meninerea unei aceleiai valori a curentului mediu, cnd timpul cald, tp este mai lung (fig. 3.19).

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

np = unde:

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

CAPITOLUL 4. TRANSFERUL MASIC LA SUDAREA PRIN

IMPULSURI 4.1. Clasificarea tipurilor speciale de transfer masic

Pentru a putea nelege condiiile n care se realizeaz un cordon corect sau

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

- 14 -

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

Dintre procedeele care asigur o calitate foarte bun a mbinrii sudate se distinge net sudarea MIG n impulsuri sau MAG-M pulsat (unii autori). Utilizarea curentului pulsat cu und perfect controlabil, constituie tehnica modern care st la baza multora dintre procedeele amintite anterior. Prin realizarea unor forme de und personalizate care s se plieze perfect pe cerinele fizice ale procesului de sudare, indiferent de etapele de lucru, s-a permis obinerea unui control foarte riguros a momentului i a cantitii de metal i energie transferate spre baia de metal topit.

4.4. Procedee moderne de sudare cu arc comandat n impulsuri

Anterior au fost prezentate cteva din procedeele de sudare cu arc comandat n

impulsuri i anume: CMT, CMT-puls, CM, STT, TIME, RAPID ARC, RAPID MELT, SHORT-ARC++, SUPERPULS, LINFAST, TWIN, TANDEM, LASER-HIBRID(LASER-WIG, PLASMA-LASER, PLASMA-WIG. n continuare se face o scurta prezentare a ctorva dintre ele.

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

cu arc pulsat sunt folosite separat sau combinate ntre ele, pentru obinerea unui domeniu mai larg de puteri. Puls-Mix" este o variant a procedeului de sudare cu arc electric. Aceasta combin procedeele de sudare respectiv lipire n 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 funcia care ofer trei tipuri de arc

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

4.4.3. Procedee moderne MIG/MAG pentru sudarea robotizata n 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 i brazare MIG), la care se adaug alte doua procedee de mare productivitate derivate, Tandem i LaserHibrid (toate dezvoltate de firma Cloos) [165].

CAPITOLUL 5. CONTRIBUII LA TRANSFERUL MASIC N CAZUL

SUDRII MIG-MAG

5.1. Introducere n acest capitol este prezentat o nou teorie asupra transferului masic la sudarea

cu arcul electric. De asemenea, sunt analizate i influenele factorilor tehnologici asupra transferului. Transferul masic, n cazul sudrii MIG-MAG este dictat de aciunea forelor care se manifest n arcul electric, influennd stabilitatea acestuia, dinamica i geometria picturii metalice.

5.2. Modelarea fenomenelor de transfer masic

Prin modelarea transferului metalic s-au stabilit corelaii ntre parametrii de sudare

n vederea controlului numrului, dimensiunilor i frecvenei picturilor de metal. Atunci cnd se are n vedere sudarea sinergic, rezultatele cercetrii sunt ecuaiile care guverneaz comanda transferului de metal. Aceast abordare a permis dezvoltarea surselor de sudare inteligente, capabile s calculeze i s comande orice proces de sudare, plecnd de la un minim de date de intrare necesare.

5.2.1. Forele din arcul de sudare

Pictura se detaeaz de pe captul electrodului n stare topit n momentul n care se rupe echilibrul static al forelor care acioneaz n arc (fig.5.1) [41,42,43,44]:

n continuare se propune un nou model matematic pentru transferul masic prin coloana arcului, bazat pe forele care acioneaz n picturile de metal topit (fig. 5.1).

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

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

Se poate scrie intensitatea curentului, Is: Is = Is1 + Is2 (5.1) unde, Is1 reprezint intensitatea datorat electronilor liberi n micare; Is2 reprezint

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

Figura 5.1 a. Aciunea forelor la sudarea MIG-P.

b. Cele dou componente ale curentului de sudare

- 16 -

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

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

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

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

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

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

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

de sarcin existent n pictur; e sarcina electric elementar. S presupunem c n coloana arcului exist (momentan) un numr de Np picturi.

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

transportat de pictur: Np e = Is2 t (5.7) unde t este timpul de transfer. Utiliznd ecuaiile (5.6) i (5.7), fora lui Coulomb, de extracie a picturii de pe

electrod poate fi descris prin ecuaia: Fp = Ua Is2 t / (La Np) (5.8) Formarea i separarea picturii de srma electrod apare n momentul cnd fora

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

Fp = dp (5.9) unde dp este diametrul picturii; = tensiunea superficial. La limit, forele din ecuaiile (5.8) i (5.9) sunt egale i avem: Ua Is2 t / (La Np) = dp Numrul picturilor detaate n unitatea de timp, este: Np/t = Ua Is2/ (La dp ) (5.10)

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

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

Acceptnd temperatura catodului de T = 4100K iar lucrul mecanic de extracie pentru oel = 4.44eV.

A rezultat o eroarea a modelului (comparat cu datele experimentale): = (AD* - AD) 100/AD* = (2.625 - 2.7) 100/2.625 = - 2.86%

- 17 -

CAPITOLUL 6. ACHIZIIA I PRELUCRAREA IMAGINILOR LA SUDAREA CU ARCUL ELECTRIC

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

lumin pentru iluminarea spaiului, senzorul video (de obicei o camera CCD sau CMOS) i o interfa ntre senzor i calculator [69].

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

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

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

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

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

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

- uniti periferice potrivite pentru datele de ieire: (monitor, imprimant, plac I/O).

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

6.2. Aspecte privind prelucrarea imaginilor

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

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

Figura 6.11. Structura general a unui sistem de vedere artificial 6.2.4. Prelucrri grafice Prelucrri grafice sunt operaiile de preprocesare ce se efectueaz asupra

imaginilor achiziionate. Aceste operaii au rolul de a elimina zgomotele sau informaiile inutile din imagine (filtrarea, segmentarea) sau sunt operaii de restaurare. Astfel de prelucrri sunt necesare pentru a mbunti att timpii de execuie ct i rezultatele diverilor algoritmi (clasificare, recunoaterea formei, recunoatere fee umane etc.).

- 18 -

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

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

ultrarapid: tehnica Shadowgraphic sau Back-lighting [127]; tehnica cu proiector stroboscopic; tehnica cu camere HDRC [88]. 6.3.4. Aspecte privind cerinele sistemelor de filmare Problema realizrii sistemului de filmare a arcului electric care s permit

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

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

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

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

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

9 filtrarea corespunztoare dinamic, optic mare; 9 protecie sporit (temperatura, stropi); 9 vitez de filmare ridicat, corelat cu un timp de expunere mic; 9 posibilitatea mririi imaginii-macro, corelat cu posibilitatea modificrii irisului; 9 posibilitatea sincronizrii externe; 9 fiabilitate sporit n condiii grele de lucru (sistem de rcire forat). 6.3.7. Varianta utiliznd camere HDRC Aceast metod utilizeaz o camer HDRC cu trigger extern, un computer pentru

declanarea nregistrrii imaginilor sincronizat cu nregistrarea parametrilor electrici ai procesului de sudare, o plac pentru procesarea semnalelor pentru calcularea automat a caracteristicilor parametrilor de sudare i o plac de procesare a imaginii pentru analiza vizual a transferului masic [88,140].

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

n continuare este prezentat un sistem de monitorizare eficient bazat pe un PC de nalt performan pentru monitorizarea sudrii MIG-P. Acesta permite monitorizarea on-line a tuturor etapelor procesului de sudare, inclusiv a transferului masic fr a utiliza o surs adiional de lumin. n plus, este posibil, msurarea sincronizat a curentului de sudare i a tensiunii de sudare n timpul nregistrrii imaginilor i prelucrarea statistic a acestora (valori medii etc.). n plus, sistemul permite analiza vizual a transferului de metal pe imaginile nregistrate [104,112,118]. Sistemul poate fi folosit

- 19 -

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

Figura 6.16. Sistem cu camera HDRC

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

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

Imaginea 1 Imaginea 2 Imaginea 3

Figura 6.27. Analiza vizual. a) imaginea original; b) imaginea rezultat prin creterea

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

- 20 -

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

A TRANSFERULUI MASIC

7.1. Echipamentul realizat i utilizat n cadrul investigaiilor 7.1.2. Prezentarea sistemului utiliznd camere HDRC cu sincronizare

extern. Subsistemul de msur a mrimilor analogice Pentru studierea fenomenelor fizice din arcul electric n curent pulsat se impune

analiza riguroas a transferului masic. S-a realizat n acest scop un echipament complex format dintr-un echipament de filmare ultrarapid i un sistem computerizat de msurare sincronizat a parametrilor electrici ai arcului. Camera video digital permite filmarea cu o vitez de peste1000 cadre/sec, direct n zona arcului de sudare, fr iluminare suplimentar, camera fiind de tipul C-MOS logaritmic. Pentru obinerea unei imagini corespunztoare s-a utilizat un sistem optic MACRO 6X. Realizarea practic a sistemului a fost fcut utiliznd instrumentaia virtual, pe baza pachetelor software dezvoltate de firma National Instruments: Labview (varianta 7.0) i Vision Development Module (varianta 6.0). Acesta permite analiza tuturor etapelor procesului de sudare, inclusiv a transferului masic, fr a utiliza o surs adiional de lumin. n plus, este posibil, msurarea sincronizat a curentului de sudare i a tensiunii de sudare, n timpul nregistrrii imaginilor i prelucrarea statistic a acestora (valori medii, etc.) [62,64,65,66,67,69,78,80,83].

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

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

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

de poziionare aferent [161,162].

Figura 7.1. Stand experimental - Elemente componente

- 21 -

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

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

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

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

7.2. Echipamentul de filmare

Avnd n vedere sistemele prezentate n capitolul 6 i evoluia performanelor

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

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

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

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

7.2.1 Sistemul de filtrare Sistemele video i cele cu vedere artificial se bazeaz pe dispozitive electronice

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

7.2.2. Camer C-MOS cu senzor LIN-LOG 2 La ora actual exist mai muli productori care comercializeaz camere de tip

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

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

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

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

- 22 -

7.2.4. Placa de captur microEnable III Principala caracteristic a acestei plci de captur inteligente, utilizat n sistemele de procesare n timp real a imaginilor, o reprezint flexibilitatea prii hardware bazat pe tehnologia FPGA (procesor FPGA Xilinx Spartan 2).

7.4. Soft integrat de comand pentru instrumentaie virtual Softul integrat de comand pentru instrumentaie virtual a fost realizat n

LabView i Vision Development Module, pachete software ale firmei National Instruments. Interfaa utilizator conine meniurile (descrise n subcapitolele urmtoare):

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

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

+ meniul de achiziie de imagine Image ACQ, prin intermediul cruia se configureaz parametrii de funcionare ai plcii de achiziie imagine i al camerei

+ meniul de sincronizare ntre cadrele de imagine i mrimile analogice SYNC Image & ACQ, prin care este realizat analiza ntre imaginile transferului masic i parametrii regimului de sudare (obinute anterior)

+ meniul de analiz de imagine Image Analisys cu ajutorul cruia este realizat analiza parametrilor de imagine pentru fiecare cadru n parte. Acest lucru este fcut prin funciile implementate n pachetul software IMAQ Vision aproximativ 200 de funcii de analiz i 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 obinerea vitezei de sudare s-a optat la varianta de deplasare a tablelor

(capul de sudare este fix). S-au realizate dou tipuri de dispozitive de deplasare: unul cu micare de rotaie i altul cu micare de translaie.

La ambele dispozitive micrile se pot regla, n mod continuu, printr-un variator de turaie. Determinarea vitezei de sudare se face printr-un traductor de tip tahogenerator. Schema de comand a instalaiei de sudare trebuie s realizeze acionarea saniei n ambele sensuri concomitent cu cuplarea sursei de sudare i a dispozitivului de avans. De asemenea, viteza de sudare trebuie s fie reglabil n domeniul 0,1... 1,5 m/min. Acest lucru impune utilizarea unui variator de turaie pentru alimentarea motorului care acioneaz sania. Varianta de schem realizat, utilizeaz elemente clasice cu relee iar pentru variator s-a optat la unul dintre modelele prezentare anterior.

- 23 -

CAPITOLUL 8. TESTAREA SISTEMULUI DE ACHIZIIE DE DATE I A CAMEREI DE FILMARE

8.1. Testarea sistemului de achiziie de date utiliznd osciloscopul digital

Tektronics TDS 2012 i pachetul software Wavestar 8.1.4. Metode de msurare a curentului de sudare La sudarea n curent pulsat trebuie surprinse att variaiile ultrarapide care apar n

timpul curentului de puls i al curentului de baz ct i msurarea valorilor efective i medii ale curentului.

Curentul se msoar n principal prin intermediul a dou efecte: cderea rezistiv de tensiune i cmpul 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 msurarea curentului trebuie s avem n vedere felul componentelor acestuia: continue sau/i alternative.

Avnd n vedere faptul c sunt cunoscute principiile i metodele de msurare a curentului de sudare continuu i alternativ, n continuare, vom prezenta limitele care apar n utilizarea unturilor de curent, transformatoarelor de curent, la msurarea valorilor efective i instantanee a curentului pulsat.

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

pentru msurarea curentului pulsant nici unul dintre traductoarele analizate nu este compatibil cu scopul propus. Rezultate foarte bune se obin la msurarea curentului DC i AC, utiliznd traductoare Hall n bucl nchis. Am ales pentru realizarea experimentelor utilizarea unui traductor din aceast categorie de tip LT 505-S, producie LEM i un traductor de serie A, productor Hinode.

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

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

Tektronix TDS 2012, echipat cu interfa comunicaie serial cu computerul de tip TDS 2CMA;

d) surs alimentare 15V, traductor curent, mpreun cu rezistene de msur de 60, respectiv 5k;

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

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

pe o tabl cu grosimea de 10mm, cu o vitez de avans va = 6m/min, diametrul srmei de = 1,2 mm, gaz de protecie AR+20%CO2, debit de gaz 18 l/ min.

- 24 -

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

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

Softul WaveStar furnizeaz, n diferite forme, o cantitate mare de informaii care permite analiza semnalelor achiziionate. Exportul datelor se face n fiiere compatibile Microsoft Excel i sub forma de capturi de ecran al osciloscopului.

8.2. Testarea i alegerea vitezei optime de filmare pentru camera

ultrarapid MV-D-1024-160 Pentru a putea obine informaii ct mai clare din spaiul arcului electric de sudare,

avnd n vedere dimensiunile reduse ale acestuia (zona filmat-30x30mm), ct i luminozitatea excesiv a arcului electric, au fost efectuate numeroase teste n care au urmrit:

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

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

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

ale acesteia. Aceste setri sunt prezentate n figura 8.10.

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

Iniializarea, comanda i alocarea canalului pe magistrala de transfer Camera

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

- 25 -

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

MIG-P CU DIAMETRUL PICTURILOR I GEOMETRIA ARCULUI

9.1. Introducere n cadrul acestui capitol se prezint determinrile experimentale, analiza

rezultatelor ct i interpretarea acestora, efectuate n vederea studierii transferului picturilor la sudarea MIG cu curent pulsat.

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

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

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

arcului i diametrul picturilor. 9.1.1. Datele de intrare a determinrilor experimentale Determinrile experimentele au fost realizate utiliznd acelai material de baz, tip

de srm electrod i gaz protector. Au fost folosite dou modele performante de echipamente de sudare i anume ESAB ARISTO 2000 dotat cu sursa de sudare LUD 320 i CLOOS QUINTO 1. Procedeul de sudare utilizat a fost MIG n curent pulsat, compoziia gazul de protecie fiind 82% Ar i 18% CO2 (Corgon 18).

Tablele folosite au fost din oel de uz general pentru construcii S235JR /OL 37, cu dimensiunile de 200x300x10 mm. Probele sudate au constat n depunerea unor cordoane, n rnduri paralele la distane de 5mm cu diferite regimuri, n poziie orizontal utiliznd srm plin tip OK Autrod 12.51, cu diametrul de = 1,2 mm.

Comanda sursei a fost realizat de ctre sistemul de msurare i filmare sincron printr-un contact de tip releu.

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

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

analizate regimurile sinergice, n varianta standard, trasndu-se curbele sinergice de variaie. Determinarea regimurilor sinergice s-a realizat prin dou metode. Acestea, n prima situaie, au fost extrase din memoria sursei de sudare (n cazul sursei LUD 320 acetia pot fi sunt vizualizai la comutarea regimului de sudare din regim sinergic n regim manual) sau n cea de-a doua, au fost determinai experimental prin msurare i oscilografiere (s-au obinut experimental plecnd de la cteva puncte de funcionare i indicaiile asupra reglrii parametrilor de puls, din manualul de utilizare a sursei Quinto 1)[163].

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

- 26 -

n figura 9.1 se prezint variaia 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. n tabelul 9.1 sunt prezentate valorile efective pentru parametrii de puls, la diferite valori ale vitezei de avans, va.

Regimurile sinergice n funcie 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 n funcie de viteza de avans pentru sursa de sudare QUINTO 1, tp = 2,1 ms,

Caracteristic I-I

0

100

200

300

400

500

600

3 4 5 6 7 8 9 10 11

va [m/min]

Ua

[V],

Ip[A

], f[H

z], I

b[A

]

10*Ua [V]

Ip [A]

f [Hz]

Ib [A]

Figura 9.1. Variaia parametrilor de puls, n regim sinergic, pentru sursa ESAB LUD 320

n funcie de viteza de avans; tp = 2,2 ms

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

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

9.2. Cercetri asupra variaiei diametrului picturii n diferite faze a unui

ciclu transfer

Aa cum s-a prezentat n capitolul 4, n majoritatea studiilor care fac analiza transferului masic la sudarea MIG-P, picturile sunt considerate sferice. nsui modul de reglare a regimului sinergic la sursele moderne are la baz ipoteza c diametrul picturii este aproximativ egal cu diametrul srmei electrod, pictura fiind sferica. Dup cum se prezint n figura 9.4, pictura are o form neregulat suferind puternice variaii att ca form, mrime, vitez i acceleraie momentan ct i o traiectorie variabil fa de axa electrodului. Se poate afirma faptul c, utiliznd algoritmi rapizi i compleci de reglare se pot impune i controla valorile pentru diametrele picturilor n formare, pn n faza de desprindere. Odat formate, datorit ruperii echilibrului de fore care acioneaz asupra picturilor, acestea se desprind i sunt transferate n zbor liber prin spaiul arcului electric. n aceasta faz, controlul geometriei i mrimii picturilor este foarte greu de realizat.

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

Se impune deci realizarea unei analize a variaiei dimetrul picturilor att n cadrul unui ciclu de transfer, ct i pe parcursul mai multor cicluri succesive, la transferul de tip TPP i calcularea abaterilor fa de valoarea medie. n continuare se prezint variaia diametrului picturii n trei stadii dintr-un ciclu din transfer, calculndu-se diametrul mediu echivalent al picturii, deviaia de la medie (dispersia) i abaterea medie

- 27 -

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

Figura 9.4

Tabelul 9.4 deplasrile picturilor ntre dou cadre de imagine succesive

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

Tabelul 9.5 Deviaia i abaterea medie

ptratic pentru un ciclu de transfer

Pictura dp_med [mm] deviatia

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

Abaterea medie ptratic: 0,080771

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

msurare a diametrului picturii nr. 3 din ciclul de transfer

1,316

1,188 1,187

1,243

1,2791,253

1,300

1,25

1,10

1,15

1,20

1,25

1,30

1,35

1 2 3 4 5 6 7

Nr. msurtoare

diam

etru

l pict

urii

[mm

]

dpValoarea medie a dp

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

Analiznd graficele prezentate n figurile 9.7-9.11 se constat faptul c pe

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

- 28 -

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

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

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

i determinarea diametrului echivalent pentru mai multe cicluri succesive de transfer tip TPP. Valorile msurtorilor sunt prezentate n Anexa 4, iar parial, pentru ciclu 1 analizat, n tabelul 9.11, graficul de variaie a diametrului picturii prezentndu-se n figura 9.11.

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

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

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

n cadrul determinrilor experimentale s-au realizat corelaii ntre parametrii

regimului de sudare n curent pulsat, pe de-o parte, i geometria arcului i diametrul picturilor, pe de alta parte. Aceste corelaii au urmrit influena separat a Ip, tp, Ib, tb i f, asupra evoluiei geometriei arcului i anume a lungimii arcului - larc, diametrului superior al arcului (pe vrful electrodului) - da1 i diametrului inferior al arcului (pe suprafaa tablelor) - da2 ct i asupra dimensiunilor picturilor transferate (dp).

n cadrul determinrilor experimentale s-a utilizat sursa de sudare ESAB-LUD 320. Au fost depuse un numr de 26 de cordoanele de sudur (primul fiind de testare)

pe o singur tabl. Parametrii de sudare sunt centralizai n tabelul nr. 9.12. Viteza de avans a srmei a fost meninut constant la valoarea de va=6m/min. Toi parametrii de puls au fost modificai n seturi de cte 5 valori, realizndu-se dou depuneri la care

- 29 -

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

Prezentarea rezultatelor efectuate asupra imaginilor filmate, n urma prelucrrii, analizei i msurtorilor (sub form de poze succesive n format bitmap) s-a fcut n tabelele din anexa 1. n aceeai anex este prezentat tabla cu cordoanele depuse (fig. A1.1). Un exemplu pentru patru cicluri de transfer este prezentat n fig. 9.12. Modul de lucru: 1. s-au identificat intervale de variaie pentru toi parametrii de regim; trebuie inut cont

de faptul c la sudarea n curent pulsat se face ntr-un domeniu foarte ngust pentru valorile curentului mediu de cca. 200-300 A. Pentru fiecare parametru s-au luat seturi de cte 5 mrimi;

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

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

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

5. s-au msurat elementele geometrice ale cordonului: supranlare, lime, ptrundere (pentru prelucrri statistice ulterioare susinerii tezei) ;

6. s-a urmrit corelaia dintre viteza de avans a srmei i diametrul picturii; 7. s-a studiat influena variaiei distanei dintre capul de sudare i pies (modificarea

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

S-au urmrit: - tipul transferul masic i dac acesta este n regim puls-pictur, TPP; - diametrul, volumul, forma, viteza picturilor i traiectoria acestora; - geometria arcului (lungime, lime) i modificrile de forma aprute; - corelaia dintre viteza de avans a srmei i diametrul picturii; - influena variaiei distanei dintre capul de sudare i pies (modificarea distanei pies

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

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

- 30 -

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

Din analiza graficelor prezentate observ faptul c ntre parametrii de puls i diametrului picturii - dp, lungimii arcului - larc, diametrului superior al arcului - da1 i diametrului inferior al arcului - da2 exist, cu mici excepii, variaii neliniare. n vederea stabilirii unor corelaii ntre mrimile amintite anterior s-a recurs la metode de analiza statistic.

Metoda de determinare a variaiei parametrilor de puls cu caracteristicile geometrice ale arcului i picturii de metal topit a folosit o metod statistic utiliznd software-ul profesional OriginLab 8.0.

Funcia de regresie utilizat pentru determinarea curbelor de

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

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

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

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

n mod similar se pot extrage din acelai software OriginLab 8.0 valorile prezentate n tabelul 9.13, pentru celelalte caracteristici geometrice a arcului, respectiv larc, da1 i da2. Tabelul 9.13. Valorile coeficienilor a, b i c din ecuaia de regresie pentru determinarea

curbelor de variaie a parametrilor de puls cu diametrul picturii a b c Statistic

Valoare Eroarea standard Valoare Eroarea standard Valoare

Eroarea standard

Abaterea medie ptratic

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

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

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

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

tp 1,065 2,32924 -0,01369 0,08435 2,41477E-4 7,56317E-4 0,7914 Analiznd figurile 9.19 - 9.20 n care sunt prezentate corelaiile ntre parametrii de

0

2

4

6

8

10

12

420 440 460 480 500 520 540

Ip[A]

dp; l

arc;

da1

; da2

;[m

m]

dp [mm]

larc [mm]

da1 [mm]

da2 [mm]

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

arcului-da1 i diametrului inferior al arcului- da2, n funcie de curentul de puls-Ip

- 31 -

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

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

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

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

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

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

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

Figura 9.19. Corelaii ntre parametrii de puls i diametrul picturii, rezultate experimentale Figura 9.20. Corelaii ntre parametrii de puls i diametrul picturii, regresie exponenial

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

- 32 -

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

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

n acest capitol se prezint metodologia practic de optimizare a regimurilor

sinergice. Procedeul de sudare pentru care se face exemplificarea este sudarea MIG n curent pulsat, utilizndu-se o instalaie Aristo 2000.

O singur srm, un singur gaz, un singur echipament, reprezint un concept care i gsete aplicabilitate n condiiile restructurrii industriei romneti, prin dezvoltarea ntreprinderilor mici i mijlocii.

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

cordonul sa fie cu o geometrie adecvata, cu aspect ct mai uniform, cu proprieti mecanice sporite;

arc linitit, fr iregulariti, mprocri n condiiile asigurrii unei lungimi constante a arcului;

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

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

n mod clasic, stabilirea regimurilor sinergice la sudarea MIG-P este fcut numai prin determinri experimentale, urmrindu-se toate aspectele de mai sus. Aparent, pentru o surs performant, n condiiile existenei unei anumite experiene la sudarea n curent pulsat, modificarea acestor regimuri ar trebui s se fac uor. n sprijinul acestei activiti, de altfel laborioas, exist o diversitate de materiale documentare n care sunt prezentate indicaii privind alegerea parametrilor tehnologici la sudarea MIG n curent pulsat. Din acestea se pot desprinde o serie de concluzii precum:

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

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

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

- 33 -

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

Variaiile pentru parametrii Ib , tb i f sunt de pn la 30% ntre valorile minime i maxime. Este important de subliniat faptul c i n condiiile obinerii unui cordon corespunztor, se poate ntmpla ca sudarea s se fac cu un transfer diferit de TPP. Transferul depinde n mod direct (gazul de protecie fiind corgonul) de parametrii de puls ct i de distana duza de contact pies de sudat dcp, viteza avans va. Odat selectate valorile pentru va i Ua regimul impus pentru ceilali parametri las foarte puine posibiliti de reglaj.

Dezvoltarea conceptului o singur srm, un singur gaz, un singur echipament, n condiiile utilizrii sursei ARISTO 2000 i a procedeului de sudare MIG n curent pulsat, presupune rezolvarea mai multor probleme. Una dintre acestea o reprezint optimizarea regimurilor pentru sudarea tablelor subiri, printr-o singur trecere. Ideal ar fi ca sudarea s se fac cu o vitez mare, rezultnd o rat de depunere ridicat. Bineneles c n situaia sudrii tablelor subiri, se aleg n mod obinuit, srme cu diametru mic, de 0,8-1 mm, eventual sudarea MAG-CO2 cu transfer short-arc. Ambele variante prezint dezavantaje.

Pentru sudarea tablelor subiri, utiliznd curentul pulsat, n scopul obinerii unei treceri cu arie ct mai redus, se va folosi o vitez de sudare sporit ct i valori ale curenilor Ip, Ib reduse.

La sudarea mecanizat, utilizarea unor viteze mari de sudare reprezint o condiie uor de realizat. La sudarea semimecanizat, creterea vitezei de sudare vs peste o anumit limit, ridic probleme de manualitate. Soluia ar fi modificarea cuplului Ip, tp, Ib, tb astfel nct regimul rezultat s fie moale, presiunea dinamic a arcului i viteza picturilor mai mici, ptrunderea redus, limea cordonului mai mare, arcul mai puin zgomotos [61,63].

Soluia o reprezint gsirea regimurilor curentului pulsat prin metode clasice, care s satisfac obiectivele de calitate amintite mai sus i apoi validarea acestora n condiiile n care transferul masic este corespunztor, de tipul TPP. n esen, aceasta reprezint optimizarea regimurilor de sudare n curent pulsat. n final, se obin cordoane cu o geometrie i cu un aspect corespunztor (figura 10.3a), n condiii de calitate crescute i costuri minime.

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

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

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

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

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

6. Pentru regimurile care au dus la realizarea celor mai bune cordoane s-a verificat tipul de transfer, prin filmare ultrarapid i s-au fcut ajustrile necesare, astfel nct, acestea s se menin la nivelul TPP.

- 34 -

Figura 10.3. a) Cordoane necorespunztoare i neuniforme; b) Cordoane corespunztoare

realizate cu parametri de puls sinergici

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

vitez de 2000 cadre/sec

CAPITOLUL 11. CONCLUZII GENERALE I CONTRIBUII PERSONALE

11.1. Concluzii generale

n cadrul tezei de doctorat autorul i-a propus s realizeze o abordare original, a

modului n care sunt analizate procesele de sudare cu arc electric, n centrul tuturor corelaiilor aflndu-se PICTURILE transferate n spaiul arcului.

n acest scop, n prima faz a trebuit realizat un sistem complex care s permit vizualizarea fenomenelor de transfer masic, din spaiul arcului. Acest sistem de investigare a arcului electric utilizeaz o metod de filmare direct i msurare sincron a parametrilor electrici ai regimului de sudare, cu aplicabilitate, n prim faz, la investigarea fenomenelor utiliznd sudarea prin procedeul MIG n curent pulsat, MIG-P. Studiul dinamicii picturilor transferate s-a realizat utiliznd diferite modele matematice, verificate ulterior pe baza rezultatelor experimentale.

n Capitolul 1 se prezint teoria arcului electric cu procesele fizice ce au loc n coloana arcului. Este prezentat descrcarea autonom i conductivitatea gazelor ionizate. Este abordat i problema ecuaiei de micare a particulelor n arc precum i bilanul puterilor. Sunt prezentate principalele aspecte privind arcul electric de sudare, factorii care difereniaz arcul de sudare faa de arcul electric n general, fenomenele de termoemisie descrise prin relaia Richardson-Dushman i importana controlului temperaturii n plasma arcului de sudare. Se prezint caracteristicile tensiune-intensitate i tensiune-lungime liber la sudarea n curent continuu. Arcul electric este caracterizat i prin potenialele de excitare i de ionizare care sunt prezentate pentru diferite elemente chimice ce intervin n arcul electric de sudare.

n Capitolul 2 se prezint modelarea matematic a arcului electric la sudarea fr i cu transfer masic. Sunt prezentate procesele fizice din zonele i subzonele arcului electric i s-au scris ecuaiile continuitii masei, ecuaia de energie, transferul vaporilor de metal, ecuaia lui Maxwell, ecuaia lui Saha i ecuaia de stare. Se prezint variaia conductivitii i vscozitii n funcie de temperatur pentru elementele Fe, Ar, He. Se prezint sistemul ecuaiilor difereniale pariale care descriu coloana arcului i care sunt utilizate n simulrile bazate pe controlul numeric. Este prezentat i modelarea matematic a sudrii cu transfer masic prezentndu-se componentele sistemului de sudare i teoria echilibrului static al forelor din arc. Pentru sudarea WIG se prezint variaia potenialului electric de sudare, cmpul electric la sudare, a densitii de curent din zona arcului i distribuia de curent dup axele X i Y. Tot pentru sudarea WIG se

- 35 -

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

n Capitolul 3 este prezentat modul de clasificare a transferului metalului prin arcul electric. O atenie important este acordat analizei transferului prin pictur n cadrul arcului electric pulsat. Ciclogramele fazelor transferului sunt analizate prin tehnica filmrii ultrarapide. Sunt prezentate avantajele i direciile de dezvoltare ale procedeului de sudare MIG-P cu referire la reducerea cu pn la 60% a energi