eng
Выпуск #3/2011
А.Керемжанов
Термосенсорика производства и ремонта металлических труб
Термосенсорика производства и ремонта металлических труб
Просмотры: 2717
Известно, что сварка труб – более ответственная операция, чем листовая сварка. Магистральные трубопроводы должны работать в экстремальных условиях. Разнообразие трубопроводных систем предъявляет к лазерным технологиям ряд требований, но главное из них – это надежность сварных швов, определяющая эксплуатационную привлекательность систем. В статье демонстрируются возможности термосенсорной диагностики (ТД) качества лазерных технологических процессов для производства и ремонта металлических труб.
Сварка труб с помощью маломощных импульсных лазеров в режиме теплопроводности или в режиме кинжального проплавления с помощью высокомощных лазерных источников требует постоянного динамического контроля. При сваривании труб приходится выбирать между эффективностью и производительностью процесса. Используя тепловые сигналы, поступающие из зоны термического влияния, можно составить термосенсорограмму, форма которой покажет состояние созданного сварного шва, определит его дефекты, не прибегая к послеоперационному рентгеноструктурному анализу. Термосенсорные преобразования функционально подобны зрительному восприятию, они представляют собой информационно сжатые и обработанные сигналы, динамично поступающие в виде тепловых следов от тепловых волн в металлических структурах. Это составляет инновационные отличия ТД от иных методов слежения. Рассмотрим примеры ТД наиболее широко используемой сварки плавлением [1–3], ее самой перспективной реализации – лазерной сварки (ЛС), а также высокочастотной сварки и других трубных приложений. Качество, производительность и экономия затрат – основные достоинства применения ТД мониторинга и адаптивного управления в перспективной области производства и ремонта труб.
ТД, ее физические основы, базовая модель, сигналы, принципы реализации и примеры применения представлены в [1]. Полученное в ТД сжатие информационных данных в пространстве и времени, обработка сигналов (динамики движения и изменений во времени, геометрии и топологии, амплитуд, статистических характеристик для точечных, одно- и двухмерных массивов данных) определяют форму диагностической информации для решения многих задач промышленного производства. В ТД используют пассивные и активные преобразования отклика исходных тепловых сигналов различных, преимущественно металлических, структур. В качестве приемников излучения тепловых сигналов используются разные устройства, в том числе пироэлектрические датчики.
Рассмотрим основные операции в широкой области производства и ремонта труб с разными видами швов, в том числе с поворотными и неповоротными стыками, в которых ТД ЛС позволяет управлять качеством, производительностью и экономией затрат:
автоматическая сварка с адаптацией к объему проплавления шва, к изменениям зазора и превышению кромок свариваемых материалов, к отклонениям от траектории стыка свариваемых материалов без предварительного программирования геометрии;
подача свариваемых деталей при механизированной сварке полуавтоматом с присадкой в среде защитных газов;
ручная сварка покрытым электродом;
автоматический поиск, обнаружение, отслеживание траектории и заварка трещин.
Объект контроля – процесс в зоне ЛС свариваемых деталей. Термосенсограммы мониторинга динамики тепловых следов от тепловых волн проплавления металла обобщенных сигналов состояний ТД ЛС и критерии их оценки в реальном времени характеризуют техническую сущность процессов ЛС [1]. При этом параметры амплитуд термосенсорной функции являются диагностическими критериями для регистрации разнообразных дефектов непосредственно в процессе сварки, включая непровары, несплавления, перегрев металла сварочной ванны, поры, шлаковые включения. Они связаны со смещением лазерного луча от стыка, с увеличением зазора между свариваемыми деталями, с несовпадением свариваемых кромок, неоптимальным тепловложением и с недостаточной газовой защитой.
В типовой контур обратной связи ТД ЛС входят: сварочное оборудование ЛС с системой управления адаптивной автоматизации по каналу термосенсорной обратной связи; система подачи свариваемых деталей; объект контроля; термосенсорные программно-технические средства (оптико-электронный блок, программируемый микроконтроллер и компьютерно-диагностический блок регистрации); направление обратной связи от термосенсорных средств к сварочному оборудованию ЛС, определяющее адаптивное автоматическое управление.
Импульсная ЛС (ИЛС) тонкостенных труб методом теплопроводности используется в трубопроводах для авиастроения. ТД ИЛС твердотельными YAG-лазерами с ламповой накачкой, рассмотренная в [1, 3], применяется для деталей из нержавеющей стали (теплообменники), из титана (электрокардиостимуляторы), из цветных металлов, разнородных, разнотолщинных, с покрытием (электрические шунты). Непрерывная ЛС (НЛС) с мощным кинжальным проплавлением для труб дает возможность сваривать существенно большие толщины и обеспечить высокую скорость сварки металлических материалов, чем ИЛС. На рис.1 показан пример ТД НЛС мощным YAG-лазером «TRUMPF HL 4006». Представлен фрагмент тела вращения ∅40 мм из стали Ст. 40, свариваемый внахлестку прорезным швом. Используется автоматический сварочный комплекс с закрепленным на сварочной головке ИК-сенсорным блоком оптико-электронного преобразователя. На рис.2 показана термосенсограмма шва нормативного качества для детали, используемой в примере. Возможности ТД НЛС нержавеющей стали 12X18H10T экономичным волоконным лазером YSL-1000 описан в [1]. Рис.3 иллюстрирует результаты ТД НЛС труб, выполненных из стали 08Х18Н10Т, мощным газовым СО2-лазером «МЛ5М» [1]: диаметр труб 33 мм, толщина 1,5 мм, мощность лазера 1,5–2 кВт, лазерное пятно 0,2 мм, скорость сварки 3,5м/мин, зазор и превышение кромок в пределах ±10–70% толщины свариваемых материалов. Термосенсограммы процессов НЛС и фото соответствующих поверхностей сварных швов труб фиксируют некачественные состояния участков проплавления в реальном времени для:
нарушение подачи защитного газа заметно как изменение скважности сигналов (рис.3,а в интервале времени 0 – 0,9 с);
точечные прожоги от замедления подачи свариваемых деталей проявляются в виде увеличения амплитуды (рис.3,б в интервале времени 0–0,3 с и рис.3,в момент времени 4,5 с);
непровар (превышение кромок и зазора на 50–70% от толщины свариваемых материалов – отражается в существенном снижении амплитуд (рис.3,в момент времени 9 с).
Достижение оптимального технологического регламента на участке нормативного проплавления показано на рис.3,б (интервал 1,5–3 с): на фото и термосенсограммах уровни сигналов превышают уровень, соответствующий порогу непровара, на 17% и, наоборот, находятся ниже порога перегрева на 60%. При этом для скорости 3,5 м/мин возможен резерв экономии энергии на 33% (сравните 2 кВт и 1,5кВт). Выбирая оптимальные режимы, можно соответственно увеличить производительность НЛС. Примеры технологий ИЛС и НЛС [1, 3–6] показывают прогрессивные возможности ТД ЛС для производства и ремонта труб различных видов из разных металлических материалов для различных сварочных технологий. При этом высокое качество сварных соединений и высокая производительность посредством термосенсорной обратной связи обеспечат:
адаптивное автоматическое управление параметрами сварочных процессов автоматических линий, сварочных робототехнических комплексов и установок;
автоматический поиск, обнаружение, отслеживание траектории и заварка трещин;
многие механизированные и ручные сварочные процессы.
Результаты сертификации ТД ИЛС и ТД НЛС приведены в «Методике» [6].Опыт многолетних исследований и разработок инфракрасных термосенсорных методов и технических средств термосенсорики помог в создании других технологий, перспективных для производства и ремонта труб. Они были внедрены для разных объектов, использовались в НИР и НИОКР, прошли лабораторные, производственные испытания. Так, по заказу фирмы «Дон» (Новый Оскол) в производстве покрытых электродов метод ТД позволил поднять выход годных. На рис.4 показаны результаты НИР по исследованию и разработке термосенсорных методов контроля процессов тепловой динамики операции замеса обмазки, определяющего структуру покрытия (рис.4.а); опрессовки, определяемой выходом покрытых электродов из пресса, что характеризует дефекты покрытия, в том числе разнотолщинность (рис.4.б).
Лезвийная и абразивная обработка металлических изделий (ИПМАШ – Харьков, ЛЗТЛ – С-Петербург, ВАЗ – Тольятти) так же были опробованы на предмет использования ТД. На рис.5 по результатам термосенсорных НИР контроля тепловой динамики показана блок схема возможностей применения ТД в сверлении, фрезеровании, токарной обработке и шлифовании, при фрезеровании лопатки последней ступени турбины АЭС. Примером высокой чувствительности метода ТД является факт обнаружения прижогов в процессе размерного (микроннного) шлифования ролико-винтовых пар. Это особо ответственные узлы динамических несущих конструкций промышленных роботов. Метод ТД оправдал себя при бесконтактном обнаружении ненормативной твердости металлов и сплавов (ИПМАШ, Харьков); при мониторинге и автоматическом управлении процессом дуговой сваркой (СВЗ, Стаханов); при индукционной пайке труб (ВНИИСТ, Москва); при высокочастотной сварке элементов оребрения труб на установке «Терматул» (ПЗиО, Подольск).
Используя ТД сварки плавлением при ремонте и производстве труб, легко регулировать величину проплавления шва, адаптировать шов к геометрическим изменениям зазора и случаям превышения кромок свариваемых материалов, контролировать траекторию стыка свариваемых материалов (без предварительного программирования траектории ее геометрии) для процессов автоматической сварки. ТД позволяет документировать качество процесса и формировать сигнал обратной связи для случаев ручной сварки покрытым электродом и механизированной сварки полуавтоматом с присадкой в среде защитных газов. Наибольший эффект от промышленного внедрения заметен при использовании ТД ЛС в качестве информативной обратной связи для адаптивной автоматизации сварочных процессов. При механической и лазерно-механической обработке тепловые сигналы подскажут оператору, какое качество поверхности оставляют после себя лезвийная обработка (фрезерование, сверление и др.) или абразивная обработка (шлифование, засаливание кругов и др.). В задачах дефектоскопии ТД поможет избежать образования областей ненормативной твердости и концентрации напряжений, проконтролирует области образования упругих и пластических деформаций. Все эти достоинства делают метод незаменимым при мониторинге качества операций и адгезии при внешней многослойной изоляции труб (трубопроводы нефтегазовые, ЖКХ и др.).
Кроме того, результаты исследований и разработок ТД отмечены дипломами международных выставок и золотой медалью форума «Высокие технологии 21 века»; почти на все виды приложений ТД получены авторские свидетельства и патенты. Предложенная методика обсуждалась на сессиях Московской Межотраслевой Ассоциации Главных Сварщиков, конференциях и выставках Российского Научно-Технического Сварочного Общества, опубликована в документах Международного Института Сварки (IIW/Paris). Автор приносит большую благодарность за неоценимую поддержку президенту ММАГС, заслуженному машиностроителю РФ В.Н.Бутову и президенту РНТСО, заслуженному деятелю науки и техники РФ О.И.Стеклову.
Литература
Керемжанов А.Ф. Термосенсорная диагностика процессов лазерной сварки. – Фотоника, 2010, № 6, с.14.
Архипов П. П., Керемжанов А.Ф. Термосенсорная диагностика технологических объектов в реальном времени. – Тяжёлое машиностроение, 2000, № 6, с.19.
Бутов В.Н., Архипов П. П., Дёмин Е.А., Керемжанов А.Ф. Термосенсорный контроль качества и дефектности сварных соединений по критериям термодинамической стабильности плавления металла в процессе сварки. – Сварочное производство, 2006, № 11, с. 33.
Патент WO 2006 / 073334 А1, 2007.
Keremzhanov A.F, Arkhipov P.P., Lazarenko A.G. Thermosensor Diagnostics (TSD) of Laser Welding Process. – Proc. V Int. Conf. on Advanced Optoelectronics And Lasers (CAOL’2010), Ukraine, 2010, p.259.
Керемжанов А.Ф., Дёмин Е. А. Термосенсорный контроль качества сварных соединений в процессе лазерной сварки металлов и сплавов (ТСД – контроль). Методика. М.: ЗАО «АКО Лтд», 2007.
ТД, ее физические основы, базовая модель, сигналы, принципы реализации и примеры применения представлены в [1]. Полученное в ТД сжатие информационных данных в пространстве и времени, обработка сигналов (динамики движения и изменений во времени, геометрии и топологии, амплитуд, статистических характеристик для точечных, одно- и двухмерных массивов данных) определяют форму диагностической информации для решения многих задач промышленного производства. В ТД используют пассивные и активные преобразования отклика исходных тепловых сигналов различных, преимущественно металлических, структур. В качестве приемников излучения тепловых сигналов используются разные устройства, в том числе пироэлектрические датчики.
Рассмотрим основные операции в широкой области производства и ремонта труб с разными видами швов, в том числе с поворотными и неповоротными стыками, в которых ТД ЛС позволяет управлять качеством, производительностью и экономией затрат:
автоматическая сварка с адаптацией к объему проплавления шва, к изменениям зазора и превышению кромок свариваемых материалов, к отклонениям от траектории стыка свариваемых материалов без предварительного программирования геометрии;
подача свариваемых деталей при механизированной сварке полуавтоматом с присадкой в среде защитных газов;
ручная сварка покрытым электродом;
автоматический поиск, обнаружение, отслеживание траектории и заварка трещин.
Объект контроля – процесс в зоне ЛС свариваемых деталей. Термосенсограммы мониторинга динамики тепловых следов от тепловых волн проплавления металла обобщенных сигналов состояний ТД ЛС и критерии их оценки в реальном времени характеризуют техническую сущность процессов ЛС [1]. При этом параметры амплитуд термосенсорной функции являются диагностическими критериями для регистрации разнообразных дефектов непосредственно в процессе сварки, включая непровары, несплавления, перегрев металла сварочной ванны, поры, шлаковые включения. Они связаны со смещением лазерного луча от стыка, с увеличением зазора между свариваемыми деталями, с несовпадением свариваемых кромок, неоптимальным тепловложением и с недостаточной газовой защитой.
В типовой контур обратной связи ТД ЛС входят: сварочное оборудование ЛС с системой управления адаптивной автоматизации по каналу термосенсорной обратной связи; система подачи свариваемых деталей; объект контроля; термосенсорные программно-технические средства (оптико-электронный блок, программируемый микроконтроллер и компьютерно-диагностический блок регистрации); направление обратной связи от термосенсорных средств к сварочному оборудованию ЛС, определяющее адаптивное автоматическое управление.
Импульсная ЛС (ИЛС) тонкостенных труб методом теплопроводности используется в трубопроводах для авиастроения. ТД ИЛС твердотельными YAG-лазерами с ламповой накачкой, рассмотренная в [1, 3], применяется для деталей из нержавеющей стали (теплообменники), из титана (электрокардиостимуляторы), из цветных металлов, разнородных, разнотолщинных, с покрытием (электрические шунты). Непрерывная ЛС (НЛС) с мощным кинжальным проплавлением для труб дает возможность сваривать существенно большие толщины и обеспечить высокую скорость сварки металлических материалов, чем ИЛС. На рис.1 показан пример ТД НЛС мощным YAG-лазером «TRUMPF HL 4006». Представлен фрагмент тела вращения ∅40 мм из стали Ст. 40, свариваемый внахлестку прорезным швом. Используется автоматический сварочный комплекс с закрепленным на сварочной головке ИК-сенсорным блоком оптико-электронного преобразователя. На рис.2 показана термосенсограмма шва нормативного качества для детали, используемой в примере. Возможности ТД НЛС нержавеющей стали 12X18H10T экономичным волоконным лазером YSL-1000 описан в [1]. Рис.3 иллюстрирует результаты ТД НЛС труб, выполненных из стали 08Х18Н10Т, мощным газовым СО2-лазером «МЛ5М» [1]: диаметр труб 33 мм, толщина 1,5 мм, мощность лазера 1,5–2 кВт, лазерное пятно 0,2 мм, скорость сварки 3,5м/мин, зазор и превышение кромок в пределах ±10–70% толщины свариваемых материалов. Термосенсограммы процессов НЛС и фото соответствующих поверхностей сварных швов труб фиксируют некачественные состояния участков проплавления в реальном времени для:
нарушение подачи защитного газа заметно как изменение скважности сигналов (рис.3,а в интервале времени 0 – 0,9 с);
точечные прожоги от замедления подачи свариваемых деталей проявляются в виде увеличения амплитуды (рис.3,б в интервале времени 0–0,3 с и рис.3,в момент времени 4,5 с);
непровар (превышение кромок и зазора на 50–70% от толщины свариваемых материалов – отражается в существенном снижении амплитуд (рис.3,в момент времени 9 с).
Достижение оптимального технологического регламента на участке нормативного проплавления показано на рис.3,б (интервал 1,5–3 с): на фото и термосенсограммах уровни сигналов превышают уровень, соответствующий порогу непровара, на 17% и, наоборот, находятся ниже порога перегрева на 60%. При этом для скорости 3,5 м/мин возможен резерв экономии энергии на 33% (сравните 2 кВт и 1,5кВт). Выбирая оптимальные режимы, можно соответственно увеличить производительность НЛС. Примеры технологий ИЛС и НЛС [1, 3–6] показывают прогрессивные возможности ТД ЛС для производства и ремонта труб различных видов из разных металлических материалов для различных сварочных технологий. При этом высокое качество сварных соединений и высокая производительность посредством термосенсорной обратной связи обеспечат:
адаптивное автоматическое управление параметрами сварочных процессов автоматических линий, сварочных робототехнических комплексов и установок;
автоматический поиск, обнаружение, отслеживание траектории и заварка трещин;
многие механизированные и ручные сварочные процессы.
Результаты сертификации ТД ИЛС и ТД НЛС приведены в «Методике» [6].Опыт многолетних исследований и разработок инфракрасных термосенсорных методов и технических средств термосенсорики помог в создании других технологий, перспективных для производства и ремонта труб. Они были внедрены для разных объектов, использовались в НИР и НИОКР, прошли лабораторные, производственные испытания. Так, по заказу фирмы «Дон» (Новый Оскол) в производстве покрытых электродов метод ТД позволил поднять выход годных. На рис.4 показаны результаты НИР по исследованию и разработке термосенсорных методов контроля процессов тепловой динамики операции замеса обмазки, определяющего структуру покрытия (рис.4.а); опрессовки, определяемой выходом покрытых электродов из пресса, что характеризует дефекты покрытия, в том числе разнотолщинность (рис.4.б).
Лезвийная и абразивная обработка металлических изделий (ИПМАШ – Харьков, ЛЗТЛ – С-Петербург, ВАЗ – Тольятти) так же были опробованы на предмет использования ТД. На рис.5 по результатам термосенсорных НИР контроля тепловой динамики показана блок схема возможностей применения ТД в сверлении, фрезеровании, токарной обработке и шлифовании, при фрезеровании лопатки последней ступени турбины АЭС. Примером высокой чувствительности метода ТД является факт обнаружения прижогов в процессе размерного (микроннного) шлифования ролико-винтовых пар. Это особо ответственные узлы динамических несущих конструкций промышленных роботов. Метод ТД оправдал себя при бесконтактном обнаружении ненормативной твердости металлов и сплавов (ИПМАШ, Харьков); при мониторинге и автоматическом управлении процессом дуговой сваркой (СВЗ, Стаханов); при индукционной пайке труб (ВНИИСТ, Москва); при высокочастотной сварке элементов оребрения труб на установке «Терматул» (ПЗиО, Подольск).
Используя ТД сварки плавлением при ремонте и производстве труб, легко регулировать величину проплавления шва, адаптировать шов к геометрическим изменениям зазора и случаям превышения кромок свариваемых материалов, контролировать траекторию стыка свариваемых материалов (без предварительного программирования траектории ее геометрии) для процессов автоматической сварки. ТД позволяет документировать качество процесса и формировать сигнал обратной связи для случаев ручной сварки покрытым электродом и механизированной сварки полуавтоматом с присадкой в среде защитных газов. Наибольший эффект от промышленного внедрения заметен при использовании ТД ЛС в качестве информативной обратной связи для адаптивной автоматизации сварочных процессов. При механической и лазерно-механической обработке тепловые сигналы подскажут оператору, какое качество поверхности оставляют после себя лезвийная обработка (фрезерование, сверление и др.) или абразивная обработка (шлифование, засаливание кругов и др.). В задачах дефектоскопии ТД поможет избежать образования областей ненормативной твердости и концентрации напряжений, проконтролирует области образования упругих и пластических деформаций. Все эти достоинства делают метод незаменимым при мониторинге качества операций и адгезии при внешней многослойной изоляции труб (трубопроводы нефтегазовые, ЖКХ и др.).
Кроме того, результаты исследований и разработок ТД отмечены дипломами международных выставок и золотой медалью форума «Высокие технологии 21 века»; почти на все виды приложений ТД получены авторские свидетельства и патенты. Предложенная методика обсуждалась на сессиях Московской Межотраслевой Ассоциации Главных Сварщиков, конференциях и выставках Российского Научно-Технического Сварочного Общества, опубликована в документах Международного Института Сварки (IIW/Paris). Автор приносит большую благодарность за неоценимую поддержку президенту ММАГС, заслуженному машиностроителю РФ В.Н.Бутову и президенту РНТСО, заслуженному деятелю науки и техники РФ О.И.Стеклову.
Литература
Керемжанов А.Ф. Термосенсорная диагностика процессов лазерной сварки. – Фотоника, 2010, № 6, с.14.
Архипов П. П., Керемжанов А.Ф. Термосенсорная диагностика технологических объектов в реальном времени. – Тяжёлое машиностроение, 2000, № 6, с.19.
Бутов В.Н., Архипов П. П., Дёмин Е.А., Керемжанов А.Ф. Термосенсорный контроль качества и дефектности сварных соединений по критериям термодинамической стабильности плавления металла в процессе сварки. – Сварочное производство, 2006, № 11, с. 33.
Патент WO 2006 / 073334 А1, 2007.
Keremzhanov A.F, Arkhipov P.P., Lazarenko A.G. Thermosensor Diagnostics (TSD) of Laser Welding Process. – Proc. V Int. Conf. on Advanced Optoelectronics And Lasers (CAOL’2010), Ukraine, 2010, p.259.
Керемжанов А.Ф., Дёмин Е. А. Термосенсорный контроль качества сварных соединений в процессе лазерной сварки металлов и сплавов (ТСД – контроль). Методика. М.: ЗАО «АКО Лтд», 2007.
Отзывы читателей
