Способ неразрушающего контроля прочности сварных соединений Советский патент 1992 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к ультразвуковой сварке и может быть использовано для неразрушающего контроля в реальном масштабе времени прочности сварных соединений на срез, выполненных ультразвуковой сваркой.

Известны методы неразрушающего контроля сварных соединений; электромагнитный, обдувом струей газа под давлением, рентгенотелевизионный, ультразвуковой резонансный, инфракрасной радиометрии, фотоакустический и др.

Недостатком этих методов является большая сложность аппаратуры для их реализации, в связи с чем затруднено их применение непосредственно на сварочной машине, в некоторых случаях дополнительное воздействие на уже сформированное соединение, невозможность получения информации в реальном масштабе времени, в ходе процесса сварки.

Наиболее близким в изобретению является способ неразрушающего контроля прочности сварных соединений на срез, согласно которому запоминают сигнал, пропорциональный амплитуде колебаний ультразвукоаого преобразователя при возбуждении его сварочным импульсом в холостом ходу, получают сигнал обратной связи, пропорциональный амплитуде колебаний ультразвукового преобразователя во время сварки, и формируют разностный сигнал, осуществляя вычитание из запомненного сигнала, пропорционального амплитуде колебаний ультразвукового преобразователя в холостом ходу, сигнала, пропорционального амплитуде колебаний ультразвукового преобразователя во время сварки.

По полученному разностному сигналу и производят оценку прочности соединений.

Недостатком способа является низкая точность контроля, обусловленная тем, что

2

JN О СО

ел

на упомянутый разностный сигнал влияет ряд факторов: выходное сопротивление ультразвукового генератора, напряжение возбужденияультразвуковогопреобразователя, начальные условия в зоне сварки, величина деформации соединяемых деталей в момент выхода инструмента ультразвукового преобразователя на позицию сварки и величина усилия сжатия соединяемых деталей,

Целью изобретения является повышение точности контроля,

Это достигается тем, что в способе контроля сварных соединений в процессе сварки, зондируют изделие посредством последовательно соединенных генератора и ультразвукового преобразователя и измеряют величину тока ультразвукового преобразователя, с учетом которой судят о прочности сварных соединений, регистрируют зависимость отношения величины тока ультразвукового преобразователя и величины возбуждающего напряжения генератора от времени сварки, а о прочности сварного соединения судят по разнице между экстремумом этой зависимости и ее точки, соответствующей концу сварки.

На фиг. 1а представлен характер изменения во время сварки сигнала отношения при делении первого сигнала обратной связи на второй (кривая 1) и соответствующего атому разностного сигнала (кривая 2); на фиг, 16-сигнал отношения от деления второго сигнала обратной связи на первый (кривая 3) и соответствующего этому разностного сигнала (кривая 4); на фиг, 2 - упрощенная эквивалентная схема входной цепи ультразвукового преобразователя.

Способ осуществляют следующим образом.

Теоретические основы способа. Для уяснения физической сути способа обратимся к упрощенной эквивалентной схеме входной цепи ультразвукового преобразователя (см. фиг. 2) при возбуждении его на частоте резонанса. Эта схема получена методом электромеханических аналогий сила - напряжения, колебательная скорость - ток, пренебрегая потерями на излучение в воздух, и узел акустической развязки и нелинейными эффектами при преобразовании электрической энергии в механическую. На фиг. 2 обозначено: Ur - амплитуда напряжения, возбуждающего ультразвуковой преобразователь;

i - амплитуда тока во входной цепи ультразвукового преобразователя;

R - собственное сопротивление потерь преобразователя (резонансное сопротивле0

5

0

ние ультразвукового преобразователя в холостом ходу);

г- сопротивление потерь в зоне сварки (вносимое сопротивление);

U - амплитуда падения напряжения на сопротивлении (аналог силы сопротивления перемещению инструмента).

На основании закона Ома U М, если i const с, т.е. стабилизируется ток во входной цепи или колебательная скорость ультразвукового преобразователя, то

U гс г,(1)

т.е. сила сопротивления перемещению инструмента пропорциональная г.

Если Ur const с, т.е. стабилизируется напряжение возбуждения, то

U - Ur . г - сг го

R+r1W

т.е. сила сопротивления перемещению инструмента пропорциональна

5

0

5

0

5

5

г

I const

3(Г-Г„)

I const

R+r1

Поскопьку значение г в начале процесса сварки содержит информацию о начальном состоянии соединяемых деталей (начальная деформация, усилие нагружения, начальное состояние поверхностей соединяемых деталей), то для формирования сигнала S, пропорционального прочности соединения на срез, необходимо произвести вычитание:

U- UH С ( Г- ГН )( I -const

c(r-rH)R ™(fTf г))

где UH, гн - соответствующие параметры, характеризующие начальное состояние в зоне сварки. Откуда

(Г-Гн)Я

(K+rKR + J U const(3)

Основная идея предлагаемого способа и состоит в том, чтобы сформировать сигнал S в соответствии с выражением (3), в отличие от способа-прототипа, который работает по выражению (2), что и обуславливает его низкую прочность, а при стабилизации I способ-прототип вообще не работает.

Суть способа заключается в следующем.

Способ-прототип и предлагаемый спо- соб работают только при возбуждении ультразвукового преобразователя на частоте резонанса. Согласно предлагаемому способу для контроля прочности соединения во время выполнения сварки tc (фиг. 1) получают первый сигнал обратной связи Ui, пропорциональный колебательной скорости ультразвукового преобразователя. ,ля получения указанного сигнала можно восполь- «ибо датчиком , во входной

цепи ультразвукового преобразователя, например на основе трансформатора тока, включенного последовательно с ультразвуковым преобразователем, либо специальным датчиком колебательной скорости ультразвукового преобразователя.

После получения первого сигнала обратной связи Ui получают второй сигнал обратной связи U2, пропорциональный напряжению, возбуждающему ультразвуковой преобразователь во время сварки.

Затем путем арифметического деления определяют величину отношения полученных сигналов обратной связи и по полученной величине формируют сигнал отношения. При определении величины отношения необходимо устанавливать однозначное соответствие между режимом работы системы ультразвуковой генератор -ультразвуковой преобразователь и назначением делимого и делителя. Если система ультразвуковой генератор - ультразвуковой преобразователь работает в режиме стабилизации колебательной скорости или тока во входной цепи ультразвукового преобразователя, то необходимо определять величину отношения второго сигнала обратной связи Da к первому Ui - Ite/lb ч формировать сигнал отношение п;1 гир зональный резонансному сопротивлению входной цепи ультразвукового преобразователя.

Если система ультразвуковой генера- тор - улыразау ОЕЭй преобразователь ра ботает в режиме стабилизации напряжения возбуждения ультразвукового преобразователя, то необходимо определять величину отношения первого сигнала обратной связи Ui ко второму Ua - Ui/U2 и формировать, следовательно, сигнал отношения, пропорциональный резонансной проводимости входной цепи ультразвукового преобразователя .

После этого определяют экстремальное значение сформированного сигнала отно- . Для режима стабилизации колебательной скорости или тока это будет минимум, я для режима стабилизации на- псяжеьия - максимум (см. соответственно Фиг 1а и фмг. 16). Указанное экстремальное значение и будет являться тем самым пер- внм значением, в котором с. де,з ится информация о начальных условиях сварки. -j jЈ жк на велщчну At (ск фиг 1), до о..н )ру/ке1/ш лекума, нео6/;с- для окончания пере . ..-х процессов ъ системе автоподстоойкю ц а втразвуковс 1 преоб- ре-зсватсте, вызван t -зким увс WSHH- сч в начале ь збужда чцего

ультразвуковой преобразователь напряже; ния.

Обнаруженное экстремальное значение сигнала отношения запоминают для 5 дальнейшего определения величины разности между запомненным экстремальным и текущим значениями сигнала отношения. По полученной величине формируют разностный сигнал (фиг. 1а и 16, кривые 2 и А), по 0 которому и оценивают прочность соединения.

При работе в режиме со стабильной колебательной скоростью или током во входной цепи ультразвукового преобразователя 5 (фиг. 1а) значение разностного сигнала пропорционально Гн - г, что с точностью до знака совпадает с выражением (3).

При работе в режиме со стабильным

напряжением возбуждения (фиг. 16) значе0 ние разностного сигнала пропорционально

Гн Г

/р . г /Р О- г V ЧТО С ТОЧНОСТЬЮ ДО ПОСТОЯН- (г т f)(r -г Гн)

ного во время сварки коэффициента, равного R, совпадает с выражением (3).

5 Следовательно, на точность определения прочности соединения не влияют ни изменение амплитуды напряжения, возбуждающего ультразвуковой преобразователь, не изненлй тс а во входной цепи ультразву0 коаого преобрззоьагеля, начального состояния пиазрхносгей соединяемых деталей и усилия их сжатия, что и повышает точность контроля прочное5и. П р и м е р

5 Способ был проверен в лабораторных условиях на опытном образце автомата уль- 1 развуко ой сварки ЭМ-4170. Испогьзовали ультразвуковой преобразоватепьсч-зсги ой резонанса в холостом ходу 69, 85 кГц и учь0 тразвукоаой генератор с системами авто- подстроики частоты и стабилизации напряжения возбуждения или тока во входной цепи ультразвукового преобразователя В режиме стабилизации тока в качестве

5 первого сигнала обратной связи использо вали ц .фровой сигнал, значение кода которого с ОГ-н до FFM задавало значение тока во ало/, ю „,еги ул развукового преобразователя, подгержи лаемого во время свар0 ки постоянным системой стабилизации тока.

В качестве второго сигнала обратной связи использовали сигнал, пропорцио- HEnsH .fi напряжению возбуждения ультра5 зеуко о О преобоз ователя амплитудой оi 1 дс 10 В.

8 режиме стабилизации напряжения в качестзе первого сигнала обратной связи исполпзовалм сигнал, с выхода трансформа

тора тока во входной цепи ультразвукового преобразователя амплитудой до 1 до 8 В, а в качестве второго сигнала обратной связи - цифровой сигнал, значение кода которого (от OFH до FFH) задавало значение напряжения, возбуждающего ультразвуковой преобразователь, поддерживаемого во время сварки постоянным системой стабилизации напряжения. Сигнал отношения в обоих случаях формировали при помощи умножающего цифроаналогового преобразователя,

Поиск экстремального значения сигнала отношения, запоминание экстремального значения и формирование разностного сигнала осуществляли с помощью аппаратно-программного комплекса, состоящего из аналого-цифрового преобразователя, специально разработанного контролера на основе однокристалльной микроЭВМ КР 1816ВЕ39 и управляющей программы.

Опробование показало увеличение точности контроля, в результате чего оказалось возможным оценить влияние на прочность соединения скорости выхода на позицию сварки и режимов сварки.

%

Розноаль

Разность

Экономия от применения предлагаемо,- го способа может быть достигнута за счет увеличения реальной производительности и выхода годных, связанных с увеличением точности контроля, а также за счет увеличения надежности полученной продукции,

Формула изобретения Способ неразрушающего контроля

прочности сварных соединений в процессе сварки, заключающийся в том, что зондируют изделие посредством последовательно соединенных генератора и ультразвукового преобразователя и измеряют величину тока

ультразвукового преобразователя, с учетом которой судят о прочности сварных соединений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, измеряют возбуждающее напряжение генератора, регистрируют

зависимость отношения величины тока ультразвуки зого преобразователя к величине возбуждающего напряжения генератора от времени сварки, а о прочности сварного соединения судят по разнице между экстремумом этой зависимости и ее точкой, соответствующей концу сварки.

Изобретение относится к контрольной технике и ультразвуковой сварке. Целью .изобретения является повышение точности контроля прочности сварного соединения. Согласно способу во время сварки измеряют два сигнала: ток преобразователя и напряжение генератора зондирующих импульсов. Регистрируют зависимость отношения отих величин. О прочности судя г по разнице значения полученной зависимости в конце сварки и экстремумом этой зависимости. 2 ил.

te/

фиг. 2