CZ2020582A3 - Způsob kontroly svarů, zejména bodových - Google Patents

Abstract

Podstata technického řešení je založena na tom, že kontrola svarů, zejména bodových, se neprovádí přímým zjišťováním vlastností samotného svaru, ale ohřívá se okolí svaru, jehož optické vlastnosti povrchu nejsou dotčeny předchozím svařováním, a následně se měří prostorové rozložení časového průběhu tepelného záření z povrchu v oblasti svaru a zjišťuje se, zda-li naměřené hodnoty spadají do rozsahu hodnot předem stanovených pro dostatečně kvalitní svar.

Description

Způsob kontroly svarů, zejména bodových

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu kontroly svarů, zejména bodových, především u výrobků, kde se bodové svary vyskytují ve větším počtu.

Dosavadní stav techniky

V současně době se kontrola bodových svarů provádí destruktivním i nedestruktivním způsobem. K nedestruktivním a bezkontaktním způsobům patří metody založené na využití infračerveného záření a procesů přenosu tepla. Měří se při nich teplotní odezva přední nebo zadní strany povrchu svaru, jako reakce na působící tepelný zdroj. Používanými tepelnými zdroji jsou flash lampy, halogenové lampy nebo infračervené lasery. Ve všech případech se provádí plošný ohřev povrchu v oblasti svaru. Tepelný proces v průběhu působení zdroje tepla a po jeho skončení je měřen infradetektory nebo termokamerami.

Zaznamenaná sekvence termogramů je počítačově zpracovávána pokročilými algoritmy, které zvýrazňují malé teplotní diference a hledají odlišnosti od charakteristik dobře provedených svarů.

Uvedené způsoby mají oproti jiným své výhody, ale také řadu nevýhod. Základní nevýhodou, která principiálně komplikuje odlišení kvalitních a nekvalitních svarů, je působení tepelného zdroje na povrch materiálu v místě svaru, kde pohltivost tepelného záření je různým způsobem ovlivněna předchozím procesem svařování. Původní homogenní tepelně-optické vlastnosti povrchu jsou narušeny tvorbou oxidických vrstev, ulpěnými nečistotami i mechanickým otlačením. Výsledkem je nepravidelné prostorově nehomogenní pohlcení působícího prostorově homogenního zdroje tepla. Tyto jevy pak v tepelném procesu překrývají tepelné jevy způsobené nekvalitou svaru a významným způsobem proto zabraňují automatizovanému vyhodnocení nekvalitních svarů.

Další nevýhodou současného stavu je v případě použití flash-lamp, s krátkou dobou působení budicího tepelného pulzu a vytvořenými malými teplotními diferencemi v kontrolovaném svaru, nutnost použití drahých chlazených termokamer a speciálních algoritmů náročných na čas zpracování a objem dat. V případě použití laserů je hlavní problém s dosažením prostorové homogenity ohřevu větší plochy a závislostí hustoty tepelného toku na vzdálenosti zdroje tepla od kontrolovaného povrchu.

Podstata vynálezu

Podstata vynálezu je založena na tom, že kontrola svarů, zejména bodových, se neprovádí přímým zjišťováním vlastností samotného svaru, ale ohřívá se okolí svaru, jehož optické vlastnosti povrchu nejsou dotčeny předchozím svařováním, a následně se měří prostorové rozložení časového průběhu tepelného záření z povrchu v oblasti svaru a zjišťuje se, zda-li naměřené hodnoty spadají do rozsahu hodnot předem stanovených pro dostatečně kvalitní svar.

Okolím svaru může být nejbližší uzavřená plocha, jejíž optické vlastnosti povrchu nejsou ovlivněny předchozím svařováním, například nejbližší mezikruží, jehož vnitřní kružnice je vzdálena od vnější hranice svaru v rozpětí 0,5 až 25 mm.

Okolím svaru může být nejbližší neuzavřená plocha, jejíž optické vlastnosti povrchu nejsou ovlivněny předchozím svařováním, přičemž tato neuzavřená plocha obklopuje více než 270 stupňů kruhu se středem v kontrolovaném svaru. Tato neuzavřená plocha může být složena z nejméně dvou částí.

- 1 CZ 2020 - 582 A3

Okolí svaru se výhodně ohřívá bezkontaktně a prostorové rozložení časového průběhu tepelného záření z povrchu v oblasti svaru se výhodně měří radiometricky bezkontaktně.

Prostorové rozložení časového průběhu tepelného záření z povrchu v oblasti svaru se výhodně měří v rozpětí 0,01 až 10 sekund.

Hodnoty spadající do rozsahu hodnot předem stanovených pro dostatečně kvalitní svar se zjišťují ze vzorku kvalitativně vyhovujících svarů nebo pomocí počítačové simulace.

Základní výhodou způsobu kontroly kvality svarů podle vynálezu je to, že ohřev působí v okolí svaru, jehož optické vlastnosti povrchu nejsou dotčeny předchozím svařováním. Tím je zajištěn v rámci jednoho kontrolovaného svaru prostorově rovnoměrný ohřev a v rámci řady různých svarů stejného typu opakovatelnost pohlceného výkonu.

V rámci stávajícího stavu techniky se plošně ohřívala i plocha zahrnující samotný svar, a tak docházelo na základě pravidelně se vyskytujících nečistot na povrchu samotného svaru k významné nerovnoměrnosti a neopakovatelnosti prohřátí měřené oblasti.

Tím, že způsob kontroly svarů podle vynálezu se vyhýbá ohřevu povrchu samotných svarů, které jsou různým a nepravidelným způsobem často ovlivněny předchozím svařováním, je významně zjednodušen proces automatizace kontroly stejného typu svarů vyskytujících se na stejných svařených dílech.

Výhodou způsobu podle vynálezu je to, že je možné dosáhnout větších teplotních diferencí v dalších časech ohřevu a tím použít řádově levnějších typů bolometrických nechlazených termokamer místo rychlejších a dražších fotonových termokamer, které vyžadují navíc aktivní chlazení. V rámci stávajícího stavu techniky proces ohřevu, který vytváří teplotní diference mezi svary s různými defekty, probíhal pouze po malou část celkového času kontroly. Tím, že způsob kontroly svarů podle vynálezu využívá působení kontinuálního laseru a vyhodnocení se provádí z teplot při ohřevu, a ne z chladnutí po krátkém pulzuje také významně zjednodušen proces odlišení nekvalitních svarů, automatizace strojového vyhodnocení a odpadají problémy se zpracováním velkých dat.

Výhodou způsobu kontroly kvality svarů podle vynálezu je možnost definovat odlišné výkonové, časové a prostorové působení bezkontaktního zdroje tepla a řešit tím optimální parametry kontroly odlišných svarů vyskytujících se obvykle na jednom svařeném dílu.

Způsob kontroly svarů podle vynálezu umožňuje použít celkově jednodušších a levnějších součástí pro kontrolu svarů a tím jsou výrazně spořeny investiční nároky na celé kontrolní pracoviště.

Objasnění výkresů

Příkladné provedení vynálezu je znázorněno na přiložených obrázcích, kde obr. 1 znázorňuje schematicky zařízení k provádění způsobu kontroly svarů a tepelné toky související s ohřevem a měřením teplotní odezvy, obr. 2 znázorňuje schematicky půdorys svaru a jeho okolí z obr. 1, obr. 3 znázorňuje tepelné toky v kontrolovaném svařeném materiálu, obr. 4 znázorňuje prostorové průběhy tepelného toku na povrchu materiálu v oblasti svaru a jeho okolí, obr. 5 znázorňuje prostorové rozložení teploty povrchu materiálu v řezu svarem, obr. 6 znázorňuje časový průběh působení tepelného toku, který je rozdělen na fázi ohřevu a fázi chladnutí, obr. 7 znázorňuje časové průběhy teploty povrchu v místě svaru a v jeho okolí, obr. 8 znázorňuje vyhodnocení kvality svaru prostřednictvím měřené teploty povrchu v oblasti svaru, obr. 9 znázorňuje schematicky kontrolu bodových svarů, obr. 10 znázorňuje schematicky kontrolu liniových svarů, obr. 11 znázorňuje schematicky kontrolu prostorově charakteristických svarů, obr. 12 znázorňuje schematicky

- 2 CZ 2020 - 582 A3 realizaci optomechanického členu prostřednictvím čoček či clon, obr. 13 znázorňuje schematicky realizaci optomechanického členu prostřednictvím zrcadel při použití skenovací hlavy a obr. 14 znázorňuje schematicky měřicí zařízení zajišťující umístění měřicího systému a kontrolovaného svaru v požadované vzájemné poloze.

Příklady uskutečnění vynálezu

Kontrola svarů podle vynálezu se může provádět na zařízení, které je schematicky znázorněno na obr. 1. Ohřev je zajišťován laserovým zdrojem 1, k měření teplotní odezvy se využívá infradetektorový systém 2, řízení, komunikaci, vyhodnocení a zobrazení zajišťuje řídicí jednotka 3. Kontrolovaný svařenec je tvořen horním plechem 4, spodním plechem 5, a vlastní spoj tvoří svarová čočka 6. Součástí zařízení je dále optomechanický člen 9, který zajišťuje definované časoprostorové působení laserového paprsku na okolí svaru.

Povrch okolí svarové čočky 6 ukazuje obr. 2. Ohřívající tepelný tok 7 působí na horní plech 4 v ohřívané oblasti 14 a zajišťuje ohřev okolí svaru. V rámci vynálezu ale může působit ohřívající tepelný tok 7 i v oblasti svaru, když přitom převažující část výkonu laserového zdroje 1 musí působit v okolí svaru, jehož optické vlastnosti nejsou dotčeny předchozím svařováním. Vyzařovaný tepelný tok 8 je snímán infradetektorovým systémem 2 z měřené oblasti 15, která zahrnuje oblast svaru i jeho okolí.

Tepelné toky v materiálu během ohřevu znázorňuje obr. 3. Ohřívající tepelný tok 7 působí v okolí svaru. Laserový paprsek je pohlcován povrchem materiálu a způsobuje nárůst teploty v okolí svaru. Následně se teplo šíří především horním plechem 4 do oblasti svaru a přes svarovou čočku 6 je odváděno spodním plechem 5. Tento popsaný tepelný proces způsobuje ohřev povrchu oblasti svaru, kde výše teploty je významně ovlivněna tepelnými charakteristikami provedeného svarového spoje.

Prostorové průběhy tepelného toku a časové průběhy tepelného toku na povrchu materiálu v oblasti svaru a jeho okolí jsou schematicky znázorněny na obr.4 a 5. Ohřívající tepelný tok 7 prostorově působí v ohřívané oblasti 14 v okolí svarové čočky 6, přičemž výhodně v samotné oblasti svarové čočky 6 žádný ohřívající tepelný tok 7_efektivně nepůsobí.

Z časového pohledu je proces působení laserového zdroje patrný z obr. 5 a rozdělen na fázi ohřevu 16, kdy na povrch okolí svaru dopadá laserový paprsek a povrch je ohříván, a na fázi chladnutí 17, kdy povrch materiálu chladne po vypnutí působícího laserového zdroje.

Prostorové průběhy teploty a časové průběhy teploty na povrchu materiálu v oblasti svaru a jeho okolí jsou schematicky znázorněny na obr. 6 a 7.

Prostorové rozložení teploty povrchu materiálu v měřené oblasti 15 v řezu svarem v čase ΐτ při ohřevu je znázorněno obr. 6. V ohřívané oblasti 14 v okolí svarové čočky 6 je maximální teplota 10. jejíž hodnota je nejvíce ovlivněna výkonem laseru a tepelnými vlastnostmi horního plechu 4. V místě svarové čočky 6 je výše teploty povrchu 11 ovlivněna především tepelnými charakteristikami svarové čočky 6, které vypovídají o kvalitě svaru. Schematicky jsou dále na obr. 7 ukázány časový průběh teploty v okolí svaru 12. tedy v místě působení laserového ohřevu xp v okolí svarové čočky 6 a časový průběh teploty ve svaru 13. tedy v oblasti samotného svaru xt, pomocí nichž probíhá základní vyhodnocení kvality svaru.

Způsob vyhodnocení kvality svaru prostřednictvím měřené teploty povrchu v oblasti svaru je ukázán na obr. 8. Pomocí experimentální kalibrace nebo pomocí počítačové simulace variant svarů je stanovena oblast odpovídajících teplot 20, která pro dané parametry svaru zejména tloušťky horního plechu 4 a spodního plechu 5, velikosti svarové čočky 6 a parametrů ohřevu, zejména výkonu laserového zdroje 1 a velikosti oblasti, kde působí ohřívající tepelný tok 7, odpovídá

- 3 CZ 2020 - 582 A3 kvalitně provedeným svarům. Tato oblast je na obr. 8 označena jako “OK” a odpovídá ji teplota kvalitního svaru 18.

Pokud je teplota vyšší, dostáváme se do oblasti vyšších teplot 21. což svědčí o nekvalitně provedeném svaru, který odvádí přes svarovou čočku 6 a spodní plech 5 méně tepla než kvalitně provedený svar. Pokud je teplota nižší, dostáváme se do oblasti nižších teplot 22. takže výsledkem kontroly je také nevyhovující stav, který je na obr. 8 označen jako “NOK” ato především z důvodu neprovedení požadovaného ohřevu okolí svaru. Uvedené oblasti představují teploty nekvalitního svaru 19.

Teplota povrchu je měřena zpravidla bezkontaktně pomocí infradetektorů, které detekují primárně intenzitu vyzařovaného tepelného toku 8 vycházejícího z povrchu materiálu. Teplota je vyhodnocena kvantifikací působících zářivých procesů včetně hodnot emisivity měřeného povrchu, teploty zářivého okolí a propustnosti atmosféry. Způsob určení nekvalitního svaru je proto stejný ať je pro jeho vyhodnocení použita hodnota teploty nebo hodnota zdrojového signálu měřeného tepelného toku.

Kontrolu svarů způsobem dle popsaného vynálezu je možné použít pro svary různých tvarů a velikostí vytvořené různými technologiemi. Schematicky je toto ukázáno na obr. 9 až 11. Může se jednat o bodové svary vytvořené technologií odporového svařování, jak je znázorněno na obr. 9, nebo liniové svary vytvořené laserovou technologií s technologickou hlavou, jak je znázorněno na obr. 10 nebo prostorově charakteristické svary vytvořené tak zvanou remote laserovou technologií se skenovací hlavou, jak je znázorněno na obr. 11.

Tvar ohřívané oblasti 14, kde působí laserový paprsek, odpovídá tvaru a velikosti kontrolované svarové čočky 6 a také tvaru a velikosti kontrolovaného svařeného dílu, konkrétně se jedná o přítomnost okrajů materiálu či dalších svarových spojů. Prostorové rozložení tepelného toku v této ohřívané oblasti 14 nemusí být homogenní, ale může respektovat výše uvedené charakteristiky kontrolovaného svarového spoje. Ohřívaná oblast 14 nemusí být pouze v bezprostředním okolí svaru a nemusí být nutně uzavřenou oblastí, ale vždy musí působit tak, aby proces ohřevu a měření teplotní odezvy splňoval potřeby přesnosti a opakovatelnosti rozlišení kvalitně a nekvalitně provedených svarů.

Technická realizace optomechanického členu 9 zajišťujícího časoprostorové působení laserového paprsku na povrch okolí svaru může být provedena různými způsoby, jak je schematicky ukázáno na obr. 12 a obr. 13. Může se jednat o využití principů tvarování laserového paprsku podle obr. 12 čočkami 23 či clonami 24 nebo mohou být využity principy polohování laserového paprsku podle obr. 13 pomocí zrcadel 25.jako například použití skenovací hlavy.

Obvykle je na jednom svařeném dílu potřeba kontroly více odlišných svarů prostorově umístěných v různých částech.

V takovém případě je nutné zajistit uchycení měřicího systému 26 a uchycení kontrolovaného svařeného dílu 27 do požadované vzájemné polohy. Toto může být zajištěno, jak je znázorněno na obr. 14, umístěním měřicí části zařízení na rameno průmyslového robota 28 nebo na portálový manipulátor, které pohybují měřicí částí zařízení okolo staticky umístěného svařeného dílu. Opačný způsob je také technicky proveditelný, kdy ke stacionárně umístěnému měřicímu systému jsou poloho vány kontrolované svařené díly pomocí průmyslového robota či jiným dopravníkem.

Průmyslová využitelnost

Vynález lze využít zejména pro pracoviště, kde dochází k provádění většího počtu bodových svarů a je třeba rychle a účinně kontrolovat jejich kvalitu.

Claims (9)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob kontroly svarů, zejména bodových, vyznačující se tím, že okolí svaru, jehož optické vlastnosti povrchu nejsou dotčeny předchozím svařováním, se ohřívá a následně se měří prostorové rozložení časového průběhu tepelného záření z povrchu v oblasti svaru a zjišťuje se, zda-li naměřené hodnoty spadají do rozsahu hodnot předem stanovených pro dostatečně kvalitní svar.
2. 2. Způsob kontroly svarů, zejména bodových, podle nároku 1, vyznačující se tím, že okolím svařuje nejbližší uzavřená plocha, jejíž optické vlastnosti povrchu nejsou ovlivněny předchozím svařováním.
3. 3. Způsob kontroly svarů, zejména bodových, podle nároku 2, vyznačující se tím, že okolím svařuje nejbližší mezikruží, jehož optické vlastnosti povrchu nejsou ovlivněny předchozím svařováním a jehož vnitřní kružnice je vzdálena od vnější hranice svaru v rozpětí 0,5 až 25 mm.
4. 4. Způsob kontroly svarů, zejména bodových, podle nároku 1, vyznačující se tím, že okolím svařuje nejbližší neuzavřená plocha, jejíž optické vlastnosti povrchu nejsou ovlivněny předchozím svařováním, přičemž tato neuzavřená plocha obklopuje vice než 270 stupňů kruhu se středem v kontrolovaném svaru.
5. 5. Způsob kontroly svarů, zejména bodových, podle nároku 4, vyznačující se tím, že neuzavřená plocha, jejíž optické vlastnosti povrchu nejsou ovlivněny předchozím svařováním a obklopuje více než 270 stupňů kruhu se středem v kontrolovaném svaru, sestává z nejméně dvou částí.
6. 6. Způsob kontroly svarů, zejména bodových, podle nároku 1, vyznačující se tím, že okolí svaru se ohřívá bezkontaktně.
7. 7. Způsob kontroly svarů, zejména bodových, podle nároku 1, vyznačující se tím, že prostorové rozložení časového průběhu tepelného záření z povrchu v oblasti svaru se měří radiometricky bezkontaktně.
8. 8. Způsob kontroly svarů, zejména bodových, podle nároku 1, vyznačující se tím, že se měří prostorové rozložení časového průběhu tepelného záření z povrchu v oblasti svaru v rozpětí 0,01 až 10 vteřin.
9. 9. Způsob kontroly svarů, zejména bodových, podle nároku 1, vyznačující se tím, že se hodnoty spadající do rozsahu hodnot předem stanovených pro dostatečně kvalitní svar zjišťují ze vzorku kvalitativně vyhovujících svarů nebo pomocí počítačové simulace.