Artykuł "Szkolenie spawaczy w okresie rozwoju metod projektowania, technologii, materiałów i urządzeń" - Przegląd Spawalnictwa 5/2010


Przegląd Spawalnictwa 5/2010

 

Ryszard Jastrzębski
Anna Śliwińska
Adam Jastrzębski

 
Powtarzalność ręcznego spawania w metodzie szkolenia TKS

W wielu przypadkach komputerowe systemy obliczeniowe nadal nie nadążają za możliwościami reakcji mózgu
ludzkiego w obszarze reakcji w czasie rzeczywistym na zmiany ruchu źródła ciepła i obrazu jeziorka spawalniczego. Obecny poziom automatyki w spawalnictwie nie jest w stanie kontrolować w pełni przedstawionych algorytmów analizy wizualnej procesu spawania.
W 2009 roku opublikowano w „Przeglądzie Spawalnictwa” artykuł W. Lucasa, J. Smitha, C. Balfora,
D. Bertaso, G. Meltona z Angielskiego Instytutu Spawalnictwa TWI i Liverpool University, dotyczący rozpoznawania
przez komputery granicy jeziorka spawalniczego [9]. Okazuje się, że są czynności, z którymi spawacz poradzi sobie bez problemu, ale dla komputerów
 

 

Rys. 1. Przedstawienie tzw. przestrzeni Mahalanobisa Parametry spawania Welding parameters

 

mogą one stanowić nie lada wyzwanie. Dlatego robot przemysłowy nie wykona każdej spoiny, którą może wykonać spawacz.
Postęp wiedzy w zakresie szkolenia pozwala na osiąganie pozornie niemożliwych efektów w zakresie jakości i powtarzalności ręcznego spawania. Niektóre projekty mówią o rejestrowaniu wieloma kamerami ruchów spawacza, obróbki cyfrowej tych obrazów i uczenia go przez porównywanie ruchów robota z ruchami spawacza w zależności od sytuacji i obrazu jeziorka spawalniczego.
Instytut Łączenia Metali z Krakowa ma znaczący udział w tych badaniach.
Ważna jest odpowiedź na pytanie, jak kontrolować precyzję ręcznego spawania i w sposób obiektywny oceniać pracę spawaczy.
Badacze japońscy, wykorzystując postęp w rejestracji cyfrowej, stworzyli przestrzeń wektorową opisującą ruchy spawacza. Porównują oni parametry i rozrzut parametrów ruchu ręcznego spawania kursanta ze
spawaczem ekspertem. Na tej podstawie możliwe jest określenie odległości w tzw. przestrzeni Mahalanobisa ujmującej różnice pomiędzy umiejętnościami kursanta a umiejętnościami eksperta w spawaniu [4, 5]. Parametr ten określa powtarzalność ruchów rąk spawaczy (rys. 1b). Takie podejście do problematyki szkolenia jest przykładem matematycznej oceny kwalifikacji spawaczy. Natomiast metodyka oceny umiejętności psychotechnicznych i predyspozycji do wykonywania spoin w zmieniających się warunkach wymaga wielu prac badawczych. W rozwiązaniu tego problemu pomagają szybko rozwijające się nauki społeczne. Z badań wynika, że człowiek nieświadomie postępuje według określonej logiki wpojonej na kursach spawania. Ponieważ myślenie nieświadome jest silniejsze od woli człowieka, można
wnioskować o większej niż by się wydawało powtarzalności procesów ręcznego spawania. Polska metoda szkolenia spawaczy opiera się na precyzyjnym opisie działania mózgu. Neuronowy model12 typów zdolności spawacza przedstawiono w literaturze[6]. Psychologiczne aspekty tej funkcjonalnej budowy symulowanej przez oprogramowanie komputerowe zwane sztucznymi sieciami neuronowymi omówiono
w artykule [7]. Z analizy sposobu uczenia osób o różnych typach zdolności wynika, że tradycyjny system szkolenia spawaczy opiera się na wykorzystaniu obserwacyjnych zdolności humanisty. Umysł praktyczny
może przez przypadek nauczyć się spawania, natomiast umysł ścisły, jeśli nie rozumie zjawisk fizycznych, szybko zrezygnuje z nauki spawania. Próba wykorzystania uczenia sieci neuronowych fizyki na wynikach
obliczeń numerycznych zjawisk fizycznych spawania znacznie przyspieszyła przewidywanie kształtu spoiny i umożliwiła sterowanie spawaniem w czasie rzeczywistym. W przypadku biologicznej sieci neuronowej
tę samą rolę odgrywa nauka fizyki opisowej spawania w silnych emocjach. Powoduje to znaczne przyspieszenie szkolenia i zwiększenie powtarzalności jego jakości. Wymaga to jednak od instruktora większej
wiedzy dotyczącej wpływu dynamiki ruchu uchwytu i dodawania drutu na przebieg zjawisk fizycznych spawania i zdolności psychologicznych w odblokowaniu mechanizmów obronnych. Przy wolnym sterowaniu
nie ma problemu z wykonywaniem poleceń instruktora, lecz przy szybkim przetwarzaniu informacji wzrokowej, występującym przy spawaniu, algorytmy zakodowane w podświadomości są silniejsze od woli spawacza. Średnio po tygodniu szkolenia kursant wykonuje polecenia instruktora. Problem polega jeszcze na tym, że większość instruktorów spawa automatycznie i nie potrafi logicznie opisać swoich czynności. Aby ułatwić szkolenie instruktorów, poniżej opiszemy najważniejsze zasady koordynacji ruchu z obserwacją przy spawaniu MIG, MAG drutem proszkowym, TIG oraz elektrodą otuloną stali kwasoodpornych, a szczegółów należy
szukać w literaturze zagranicznej dostępnej na stronie: www.ilm.pl/polska/art.htm.
W pracy podano możliwości współdziałania opisu słownego z opisem wizualnym plakatów do nauki spawania
poprzez zamianę tekstu i obrazu [6]. Tym sposobem sens języka technicznego może być przedstawiony językiem obrazów, podobnie jak stworzony w Bizancjum język ikon. Można tą metodą tworzyć środki audiowizualne wspomagające naukę spawania. Przykład takiego plakatu autorstwa historyka sztuki mgr Katarzyny Tuz można znaleźć na stronie internetowej: www.ilm.pl/polska/kal.htm.
Przykład wykorzystania takiego szkolenia do nauki spawania rozgałęzień rurowych podano w pracy [6]. Trudność w spawaniu polega na tym, że w każdym punkcie musi być inne ustawienie uchwytu MAG względem spawanego połączenia dwóch rur. Dla wielu przypadków zastosowań w narożniku dopuszcza się spoinę pachwinową. Jednak w przypadku odpowiedzialnych konstrukcji, np. stadionów, wymagane jest pełne wtopienie. Każdy technolog wie, że pełne wtopienie uzyskujemy wówczas, gdy elektroda naciera na topiony materiał pod kątem 60o (stąd wzięło się ukosowanie na U lub tulipan). Jak to zrobić, gdy kąt pomiędzyrurami wynosi 30o, pozostawiamy inwencji polskich technologów.


Tradycyjne sposoby projektowania konstrukcji spawanych


Dotychczasowe podejście do projektowania połączeń spawanych sprowadza się do policzenia naprężeń i pomnożenia ich przez współczynnik. Ale czy do materiałów niejednorodnych można stosować abstrakcyjne pojęcie naprężeń spawalniczych?
Na rysunku 2 przedstawiono krzywe wytrzymałości mikroobszarów w spoinie. Kilka lat temu pojawiły się w USA mikroskopowe maszyny wytrzymałościowe działające jak dziurkacz, który wycina mikro otwór w folii
przekroju poprzecznego spoiny. Otrzymane z tej próby wykresy zależności siły od mikroprzemieszczenia komputer przekształca w krzywe otrzymywane z rozciągania dużych próbek. Jedynym możliwym sposobem
analizy tych wykresów jest analiza odkształceń.
Jak wynika z rysunku, bez podgrzania powstaną mikropęknięcia, które podczas pracy zamienią się w pęknięcia. Po podgrzaniu w wyniku zmniejszenia odkształceńplastycznych o ΔL i zmniejszenia twardości (na rys.2 zamiana krzywej D na krzywą C) nie wystąpią mikropęknięcia. Dlatego nestor polskiego spawania pod wodą dr Marian Bal podczas wykładów na AGH twierdził, że podgrzewanie jest ważniejsze od wyżarzania. Jak ważnym problemem w projektowaniu jest kryterium odkształceń cieplnego skurczu spoiny podczas montażu, doskonale wiedzą projektanci mostów.



Kontrola procesów cieplnych spawania stali konstrukcyjnych, nierdzewnych i stopów niklu na etapie projektowania wg normy ASTME


Dotychczasowe zasady w przypadku tych stali sugerowały,żeby ograniczać prąd spawania i zwiększać prędkość spawania, co zmniejsza stabilność procesu doprowadzając do wadliwości spoin. Wykonywano jednak spoiny ze stali austenitycznej, tak aby kolor ściegu był złoty. Nie przejmowano się teoriami i zamiast zmieniać parametry spawania TIG dodawano więcej drutu, odbierając z jeziorka spawalniczego więcej ciepła. Naukowcy zmienili zdanie wówczas, gdy firma Lincoln przedstawiła w Przeglądzie Spawalnictwa urządzenia do spawania MAG prądem zmiennym niesymetrycznym, które dzięki zmianie wielkości prądu dodatniego i ujemnego oraz czasu jego trwania pozwalały badać właściwości spoin przy ciągłej zmianie szybkości
wtopienia. Okazało się, że przy stałej energii liniowej, wskutek zmiany ilości topionego drutu, w szerokim zakresie zmienia się wytrzymałość spoiny ze stali drobnoziarnistych.
Wtedy też pojawiły się projekty nowych norm ASTME w USA pozwalające stosować zamiast energii liniowej energię masową (energię potrzebną na stopienie 1 funta spoiny). Trzeba odpowiedzieć na pytanie jak bez rozwiązywania równań wymiany ciepła z uwzględnieniem ciepła topienia drutu można wyprowadzić parametr spawania, który by dobrze opisywał nie tylko hartowanie się spoiny, ale również rozrost ziaren i procesy korozji stali kwasoodpornych.






Rys. 3. Stary i nowy model analizy procesów cieplnych spawania


Warto się też zastanowić, dlaczego spawania termitowego szyn o bardzo dużej energii liniowej (krótki czas zalewania formy, duży równoważnik węgla) nie udało się zastąpić spawaniem elektrycznym. Aby ocenić wpływ ciepła topienia na procesy metalurgiczne, należy porównać stosunek dostarczonej energii do energii zużytej na topienie spoiny.



Jakość spoiny będzie zależała od ilości energii wprowadzonej na 1kg spoiny. Ten parametr jest wprost proporcjonalny do energii liniowej i odwrotnie proporcjonalny do przekroju ściegu.
Wraz ze wzrostem przekroju ściegu przy tej samej energii liniowej rośnie wytrzymałość spoiny, a wytrzymałość spoin stali drobnoziarnistych o bardzo dużej wytrzymałości liniowo spada wraz z energią zużytą na
jednostkę masy spoiny. Na pole powierzchni przekroju spoiny wpływa szybkość topienia drutu i głębokość wtopienia.
Zwiększenie szybkości topienia można było uzyskać dzięki zamianie drutu pełnego na stopiwo w postaci rurki o zwiększonej powierzchni topienia, czyli drutu proszkowego. Dlatego drutami proszkowymi można było spawać z większą energią liniową i uzyskiwać dobrą udarność w niskich temperaturach i mniejszą szerokość strefy naprężeń spawalniczych rozciągających (równych granicy plastyczności).
Możliwość regulacji przebiegu prądu zmiennego prostokątnego niesymetrycznego umożliwia regulację głębokości wtopienia i szybkości stapiania drutu, a więc przekroju spoiny, przy tej samej energii liniowej.


Projektowanie techniki spawania


Powstanie nowej generacji urządzeń spawalniczych i nowych możliwości wynikających z wprowadzenia norm amerykańskich przekonały naukowców spawania z Instytutu Łączenia Metali w Krakowie
do podjęcia wysiłków nad opracowaniem technik spawania pozwalających uzyskać podobne efekty przy tradycyjnych urządzeniach spawalniczych jak przy zastosowaniu nowoczesnych urządzeń prądu
przemiennego. Okazało się, że „spawacze – złote rączki” w czołowych firmach przemysłu chemicznego techniką spawania osiągali podobne efekty. Co ciekawsze, pracownicy ILM bronili na AGH prace magisterskie, w których dzięki zastosowaniu nowych technik spawania osiągano niewiarygodne wyniki, np. udarność spoin zakosowych była większa niż spoin wielościegowych.
Dzisiaj, wobec opublikowanych badań [2] i wprowadzenia nowych norm amerykańskich, należy w sposób uporządkowany zająć się tym problemem. Przyjrzyjmy się więc bilansowi ciepła przy nagrzewaniu jeziorka spawalniczego.






Jak wynika ze wzoru (3), przy stałej ilości topionego stopiwa, aby uzyskać idealną spoinę, wystarczy kontrolować temperaturę jeziorka. Jak mierzyć temperaturę jeziorka podczas ręcznego spawania?
Spawacz nie może mierzyć temperatury jeziorka, lecz wie, jak ją obniżać. W przypadku stali austenitycznych temperaturę jeziorka określa kolor spoiny. Idealna spoina powinna być złota.
W przypadku sprawdzania umiejętności spawacza do spawania stali superwytrzymałych lub nowoczesnych energetycznych stali martenzytycznych wstępnym kryterium dopuszczenia spawaczy do pracy może
być pospawanie rury austenitycznej. Rysunek 4 ilustruje możliwości wpływania na temperaturę jeziorka poprzez parametry spawania.
Pierwszy sposób kontroli to zmniejszenie wielkości jeziorka spawalniczego przez znaczne skrócenie długości łuku elektrycznego przy spawaniu TIG. W spawaniu MAG zmniejszenie jeziorka spawalniczego uzyskujemy przez zmianę dynamiki łuku (zmniejszenie kąta rozwarcia stożka łuku, zmianę mieszanki gazowej) lub zmniejszenie napięcia powierzchniowego. Ponieważ topienie następuje w wyniku kontaktu gorących gazów z podłożem, ilość stopionego podłoża zależy od przepływu gorących gazów (topienie przez przewodnictwo cieplne można pominąć), którego miernikiem jest przepływ jonów. Jeżeli nie zmieniamy przepływu, a tylko odsuniemy blachę (wydłużamy łuk), to wysokość topionego walca, czyli głębokość wtopienia powinna maleć. W rzeczywistości mechanizm jest bardziej skomplikowany.
Drugi sposób to zmiana położenia łuku w stosunku do jeziorka przy spawaniu MAG i MIG. Gdy łuk znajduje się w tylnej części jeziorka spawalniczego, to gorące




gazy zamiast topić podłoże i odbierać ciepło topienia nagrzewają jeziorko, które ze względu na małą przewodność cieplną w kierunku z góry do dołu jest w tym procesie izolatorem cieplnym.
Trzecim sposobem zmiany temperatury jeziorka jest zmiana kąta pochylenia łuku elektrycznego. Składowa pionowa ciśnienia odsuwa ciekły metal na boki i pozwala gorącym gazom docierać do podłoża i topić
coraz głębsze warstwy. W przypadku spawania metodą ciągnięcia składowa pozioma przenosi ciekły metal do nadlewu, a gazy swobodnie docierają do coraz głębszych warstw, topią je, a ciepło topienia obniża temperaturę jeziorka spawalniczego. Jeżeli spawamy metodą pchania, składowa pozioma przepycha ciekły metal z topionego drutu przed łuk i wtedy składowa pionowa ciśnienia ugina ciekły metal z topionego drutu, gazy nie docierają do podłoża i zamiast topić i chłodzić, grzeją jeziorko.
Zbyt duża temperatura jeziorka spawalniczego powoduje różnice napięcia powierzchniowego środka i brzegów, co prowadzi do mieszania się jeziorka, a w efekcie zabieranie żużla do środka jeziorka. Aby
uniknąć zażużlenia, należy obniżać temperaturę jeziorka przez zmniejszenie napięcia łuku lub większą szybkość spawania.


Wnioski


Nowe materiały wymusiły rozwój elektronicznych urządzeń spawalniczych, dzięki którym rozwinęła się teoria umożliwiająca osiąganie tych samych efektów dzięki wprowadzeniu odpowiedniego systemu
szkolenia spawaczy. Jest możliwe sprawdzenie sprawności psychofizycznej spawaczy w wyniku rejestracji filmowej ruchów spawacza. Nowoczesne materiały wymagają jednak kontroli temperatury jeziorka,
położenia łuku w stosunku do jeziorka i zmiany kąta ustawienia uchwytu w kierunku spawania.


Literatura


[1] R. Jastrzebski, B. Yalinkilicli, M. Cenin, G. Padula: The possibilities of rusing space technology in welding, document IIW XII-1787-2004 spotkania 12 komisji IIW 26-27 luty 2004 w Cambridge, Anglia, Materiały konferencyjne corocznej konferencji Międzynarodowego Instytutu Spawalnictwa IIW Osaka, 2004.
[2] L. Verwaerde, R. Katiyar: Wpływ sterowania charakterystyką prądu na kształt spoiny i własności mechaniczne stopiwa, Przegląd Spawalnictwa nr 7/8 2009.
[3] Zielińska S.: Własności fizyczne plazmy MIG-MAG, rozprawa doktorska Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ 2005.
[4] M. Sakuma, R. Tsuboi, K. Kubo, S. Asai: Development of welder’s training support system with visual sensors Materiały konferencyjne corocznej konferencji Międzynarodowego Instytutu Spawalnictwa IIW Osaka, 12-14 czerwiec 2004.
[5] G. Taguchi, S. Chowdhury, Y. Wu: The Mahalanobis-Taguchi System, McGraw-Hill, 2000.

[6] K. Tuz, A. Jastrzębski, P. Jastrzębski, R. Jastrzębski: „Inspiracje w spawalnictwie, Stal Metale & Nowe Technologie nr 1-2/2009.
[7] R. Jastrzębski, M. Cenin, J. Jędrzejko, J. Zieliński, K. Jastrzębski, H. Padula: Zastosowanie polskiej metody szkolenia spawaczy TKS do precyzyjnego wykonania przetopu i lica elektrodą zasadową w pozycjach przymusowych, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa nr 3/2005.
[8] A. Jastrzębski, E. Tasak: Wpływ pulsacji łuku MIG na strukturę stopów aluminium, Przegląd Spawalnictwa nr. 7-8/2009.
[9] W. Lucas, J. Smith, C. Balfor, D. Bertaso, G. Melton: Wizyjna kontrola rozmiaru jeziorka spawalniczego w czasie rzeczywistym, Przegląd Spawalnictwa nr 1/2009.
[10] J. Łapanowski: Własności i spawalność stali dwufazowych stali odpornych na korozję typu duplex, Przegląd Spawalnictwa, nr 10/2007.
[11] W. Lucas, D. Bertaso: Zastosowanie spawania A-TIG i spawania plazowego w celu zwiększania wydajności, Przegląd Spawalnictwa, nr 12/2007.