В настоящее время значительно возросли требования воспроизводимости качества наплавленного металла, особенно при использовании металлических и порошковых проволок, обеспечивающих максимальную производительность. В этой связи для аналитической оценки комплекса факторов, определяющих свойства наплавленного металла, необходим анализ физико-химических процессов в реакционной зоне сварки с применением компьютеризированных методов контроля.

Рисунок 1 - Схема контроля технологических свойств наплавочных и сварочных проволок.

На схеме (рис. 1) приведена совокупность объектов контроля технологических свойств наплавочных и сварочных проволок, результаты исследования которых необходимо учитывать при оформлении сертификата качества. Для получения достоверных результатов тестирования проволок по рассматриваемой схеме требуется синхронизировать контроль влияющих на качество наплавленного металла трех групп факторов: геометрических и технологических параметров проволок, режима наплавки и физико-химических процессов в реакционной зоне сварки. Такая синхронизация, обеспечиваемая с помощью компьютерной техники, позволяет быстро установить причины вероятных периодических изменений исследуемых параметров сварочного процесса и соответственно им корректировать результаты тестирования проволоки. Возникающие при наплавке отклонения контролируемых величин от их номинального значения могут быть обусловлены различными причинами: дефектами поверхности и овальностью проволоки, неравномерностью ее диаметра, изменением толщины и качества медного или другого покрытия. Эти дефекты изменяют падение напряжения на участке токоподвод – проволока, составной части общего падения напряжения в зоне токоподвод – свариваемый металл, что дестабилизирует режим сварки.

Возмущения системы по скорости подачи проволоки, которые не отрабатываются за счет эффекта саморегулирования дуги, ведут к изменению сварочного тока, что влияет на процессы в реакционной зоне сварки. Наличие на поверхности проволоки следов технологической смазки и ее диффузия в металл приводят к увеличению содержания растворенных газов в наплавленном металле и ухудшают качество массопереноса в дуге. Неравномерность состава шихты и коэффициента заполнения порошковой проволоки влияют на устойчивость дуги, характер массопереноса, качество защиты и химический состав наплавленного металла.

Рисунок 2 - Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 – лазерный луч; 2 – фильтр; 3 – скоростная видеокамера; 4 – монитор; 5 – компьютер; 6 – принтер; 7 – синхронизатор сигналов; 8 – аналого-цифровой преобразователь; 9 – спектроанализатор; 10 – генератор лазерного излучения; 11 – оптическое волокно; 12 – линза; 13 – изделие; 14 – датчик скорости сварки; 15 – датчик Холла; 16 – вольфрамовый щуп; 17…20 – датчики расхода защитного газа, скорости подачи проволоки, толщины покрытия на проволоке, коэффициента заполнения порошковой проволоки и диаметра проволоки соответственно; 21 – проволока; 22 – источник сварочного тока.

Традиционные методы исследования, основанные на скоростной киносъемке реакционной зоны сварки и различных приемах зондирования дуги, довольно длительны и трудоемки, а известные регистрирующие системы не дают полной информации и недостаточно эффективны при оперативном контроле качества проволоки. Более эффективны и информационны компьютеризированные методы исследований с применением лазерно-лучевого зондирования дуги и скоростной видеозаписи в зоне плавления проволоки. Принципиальная схема такой установки представлена на рис. 2, а ее общий вид – на рис. 3.

Система зондирования дуги состоит из гелиево-неонового генератора лазерного излучения, гибкого оптоволоконного жгута для транспортировки луча, фильтров, линз и спектрального анализатора химического состава наплавленного металла. Контроль сварочного процесса обеспечивается системой датчиков. Падение напряжения на участке токоподвод – проволока контролируется с помощью контактирующего с вылетом проволоки вольфрамового щупа и определяется как разность падений напряжений соответственно на участках щуп – изделие и щуп – токоподвод. При наплавке контрольных образцов электрические сигналы с датчиков и спектрального анализатора поступают в многоканальный аналого-цифровой преобразователь, затем полученные в цифровом виде данные синхронизируются с видеосигналом и поступают в компьютер. На дисплеях мониторов изображаются и выводятся на печать синхронное изменение параметров режима наплавки, геометрические параметры проволоки и данные спектрального анализа реакционной зоны; транслируется видеозапись поведения дуги и защитной среды, переноса капель, движения расплава сварочной ванны и формирования наплавленного металла. Длительность испытаний зависит от качества проволоки и составляет от 60 до 180 с. Результаты испытаний заносятся в память компьютера, при необходимости их можно распечатать и получить изображение осциллограмм изменения различных параметров наплавки и видеокартину сварочного процесса во временном интервале.

Рисунок 3 - Общий вид установки для тестирования наплавлочных и сварочных проволок: 1 - источник постоянного тока; 2 - устройство для подачи проволоки; 3 - датчик подачи проволоки; 4 - баллон с газом и газовая аппаратура; 5 - датчик расхода газа; 6 - несущая конструкция закрытого типа; 7 - система дымоотвода; 8 - датчик скорости сварки; 9 - гибкий коммутирующий шланг; 10 - датчики сварочного тока и напряжения на дуге; 11 - скоростная цифровая видеокамера; 12 - сварочная тележка с приводом; 13 - выдвижной свето- и теплозащитный экран; 14 - персональный компьютер с принтером; 15 - многоканальный аналого-цифровой преобразователь; 16 - лазерная система подсветки сварочной дуги; 17 - пульт управления.

Рисунок 4 - Временная зависимость контролируемых параметров наплавки: а – сварочный ток; б – напряжение на участке токоподвод – проволока; в – содержание кремния и марганца в зоне плавления проволоки.

Для полной информации о качестве проволоки необходим металлографический анализ наплавленного металла. Разработанный метод оперативного контроля качества наплавочных и сварочных проволок впервые опробован совместно с сотрудниками лаборатории сварки университета Сент Этьен (Франция), предоставившими систему лазерно-лучевого зондирования дуги.

Из анализа видеозаписи процесса и синхронного изменения основных параметров режима наплавки омедненной проволокой SFA 5,18 типа ER 70S-6 (стандарт AWS/ASME) диаметром 1,6 мм (рис. 3 и рис. 4) видно, что перенос электродного металла в реакционной зоне осуществляется преимущественно мелкими каплями диаметром 1,0–1,2 мм. Анодное пятно дуги находится под каплей и не выходит за ее пределы, дуга пространственно устойчива, газовая защита стабильна. Отрываясь от торца электрода, мелкие капли быстро проходят дуговой промежуток и, не вызывая возмущения поверхности сварочной ванны, растворяются в ней. Эпизодически появляющиеся крупные капли диаметром до 2,0 мм, попадая на поверхность сварочной ванны, деформируют ее, вызывая выплеск металла, что обусловливает несущественное разбрызгивание. Напряжение на участке токоподвод – проволока изменяется незначительно (рис. 3 и рис. 4, б), что свидетельствует о высоком качестве поверхности проволоки и стабильности ее диаметра.

При зондировании лазерным лучом процесса наплавки в зону излучения попадают электродные капли, металлический пар и выплески металла из сварочной ванны, содержание легирующих элементов в которых может быть разным. По этой причине анализ и оценку данных спектрограммы ведут по значению отклонения среднего содержания легирующих элементов по длине проволоки. Исходя из результатов испытаний (рис. 3 и рис. 4, в) это отклонение невелико и удовлетворительно согласуется с требованиями стандарта. Результаты последующих металлографических исследований наплавленного металла подтвердили соответствие тестируемой проволоки сертификату качества VERITAS (DNV).

Таким образом, метод компьютеризированного контроля позволяет оперативно оценить технологические свойства и геометрические параметры наплавочных проволок. Метод не исключает обязательных металлографических исследований наплавленного металла.