Porady

Streszczenie

W artykule przedstawiono koncepcję, budowę oraz możliwości zastosowania systemu IWMS (Inteligent Welding Monitoring System), opracowanego przez firmę JCKD Technika. System przeznaczony jest do bieżącej diagnostyki procesu spawania metodą MIG (Metal Inert Gas) stopów aluminium w aplikacjach automatycznych i zrobotyzowanych. Omówiono jego architekturę, funkcjonalności oraz podstawy naukowe potwierdzające zasadność zastosowania rozwiązań opartych o analizę multisensoryczną.

1. Wprowadzenie

Wysokiej jakości spoiny uzyskiwane na elementach aluminiowych wykonywanych metodą MIG  wymagają precyzyjnej kontroli procesu spawania. Biorąc pod uwagę coraz powszechniejszą automatyzację stanowisk, wysoką wydajność pracy oraz wymagania normatywne, kluczowe staje się zapewnienie ciągłego nadzoru nad optymalnymi parametrami łuku spawalniczego, stabilnością procesu, a także monitorowaniem gdzie mogą występować potencjalne niezgodności.

Projekt pt „Automatyczny system nadzorowania procesu spawania stopu aluminium” jest dofinansowany ze środków UE, numer umowy: 5/I/FENG/PCI/2025

2. Potrzeba opracowania systemu IWMS

Tradycyjne metody inspekcji, badań nieniszczących takie jak badania wizualne VT (Visual Testing) lub radiograficzne RT (Radiographic Testing) po zakończeniu procesu, nie pozwalają na szybką reakcję i eliminację niezgodności spawalniczych. Celem JCKD Technika było stworzenie systemu, który pozwoli na:

• akwizycję danych procesowych (wartość prądu spawania, wartość napięcia w łuku elektrycznym, prędkość podawanie drutu, prąd pobierany przez podajnik drutu),
• integrację z obrazem termowizyjnym strefy jeziorka ciekłego metalu (kamera Optris PI 05M),
• rejestrację sygnałów akustycznych (mikrofon przemysłowy) emitowanych w czasie procesu spawania,
• analizę możliwości wystąpienia niezgodności w złączach spawanych.

Spawanie jest jednym z procesów specjalnych po zakończeniu których obowiązkowo należy wykonywać badania nieniszczące (wizualne VT). Monitorowanie wartości parametrów procesu, analiza obrazów z kamery termowizyjnej oraz analiza akustyczna są pomocne w czasie spawania, gdzie za pomocą opracowanego przez nas algorytmu systemu IWMS możemy w czasie rzeczywistym analizować poprawność tego procesu.

3. Architektura systemu IWMS

System IWMS składa się z następujących komponentów:

• czujniki procesowe mierzące kluczowe wartości parametrów procesu spawania: przetworniki prądu i napięcia, prędkości podawania drutu, wartości prądu pobieranego przez podajnik drutu,
• kamera termowizyjna: monitoring temperatury strefy łuku z częstotliwością do 100 Hz,
• mikrofon przemysłowy kierunkowy z opracowanym algorytmem analizy widma dźwięku,
• sterownik PLC (np. Siemens) zbierający dane, oraz współpracujący z robotem lub urządzeniem zapewniającym stałą prędkość spawania.
• komputer przemysłowy z oprogramowaniem do analizy danych, z algorytmami analitycznymi oraz modułem uczenia maszynowego ML (Machine Learning),
• interfejs użytkownika z wizualizacją parametrów i sygnalizacją błędów.

Rys. 1. Architektura systemu IWMS

Nasz system może współpracować z robotami spawalniczymi wózkami spawalniczymi liniowymi oraz różnymi źródłami prądu spawania.

4. Diagnostyka w czasie rzeczywistym

System umożliwia wykrywanie takich niezgodności w czasie procesu spawania jak:

• niestabilność łuku (fluktuacje prądu i napięcia),
• nieprawidłowy kształt jeziorka spawalniczego (na podstawie analizy obrazu z kamery termowizyjnej),
• występowanie przerw, porów i odprysków (określonych na podstawie akustycznej charakterystyki łuku elektrycznego),
• lokalizację miejsca występowania potencjalnych niezgodności, na podstawie pomiaru prędkości spawania i czasu spawania,
• redukcję braków produkcyjnych podczas uruchamiania procesu spawania nowych elementów,
• rozwianie skierowanie do integratorów robotów spawalniczych oraz manipulatorów
  z urządzeniami spawalniczymi,
• rozwiązanie może być zastosowane dla firm produkcyjnych posiadających stanowiska spawalnicze zautomatyzowane lub zrobotyzowane,
• bieżący nadzór procesu podczas produkcji seryjnej,
• W przypadku wykrycia anomalii, system generuje ostrzeżenie oraz może przerwać proces (opcjonalnie).

Zastosowanie urządzenia do diagnostyki IWMS może służyć do:

• wykonania złączy doczołowych i pachwinowych,
• procesów spawania jedno- i wielościegowych,
• diagnostyki podczas uruchamiania nowych detali na stanowisku spawalniczym oraz kontroli jakości podczas produkcji seryjnej,
• istnieje możliwość adaptacji do innych źródeł prądu spawania metodą MIG (innych producentów)
• system IWMS jest rozwijany i może być zastosowany do innych metod spawania (MAG), możliwość zastosowania do spawania innych materiałów niż stopy aluminium (stale węglowe, stale nierdzewne i inne).

Rys. 2. Testowanie systemu IWMS na stanowisku spawalniczym z robotem Yaskawa, spawanie doczołowe stopów aluminium

5. Podsumowanie i wdrożenia

System IWMS jest narzędziem inżynierskim wspierającym poprawę jakości spawania
w warunkach przemysłowych. Obecnie prowadzone są  prowadzone testy na stanowisku spawalniczym i przygotowujemy się  do wdrożeń pilotażowych w firmach produkujących, a dalszy rozwój obejmuje utworzenia wzorcowej bazy danych z czujników pomiarowych oraz  algorytmy uczenia maszynowego
i określenia prawdopodobieństwa występowania niezgodności spawalniczych.

Rys. 3. Testowe stanowisko spawalnicze z zastosowaniem kamery termowizyjnej i rejestracji wartości parametrów procesu spawania.

6. Informacja o firmie

JCKD Technika Sp. z o.o. specjalizuje się w inżynierii procesów spawalniczych, opracowania technologii spawania konstrukcji i urządzeń ciśnieniowych, jak również wykonujemy badania nieniszczące PT i VT złaczy spawanych odlewów, elementów po obróbce plastycznej. Naszym celem jest dopracowanie
i budowanie systemów IWMS oraz diagnostyka procesów spawania na stanowiskach zrobotyzowanych. Więcej informacji: www.jckd.eu.

Literatura:

- M.Lastra: Real-time quality monitoring in robotic welding using thermal and electrical signals. Journal of Manufacturing Systems, 2021.

- H. Zahang, Q. Wu, W. Tang, J. Yang: Acoustic Signal-Based Defect Identification for Directed Energy Deposition-Arc Using Wavelet Time–Frequency Diagrams. Sensors, 2024

- S. H. Tesssema and D. Bismor: Quality monitoring of hybrid welding processes: A comprehensive review. Archives of Control Sciences,  2024

- U. Sreedhar, C.V. Krishnamurthy, Krishnan Balasubramaniam, V.D. Raghupathy, S. Ravisankar: Automatic defect identification using thermal image analysis for online weld quality monitoring. Journal of Materials Processing Technology, 2012

-S. Zielińska: Propriétés physiques du plasma MIG-MAG. Hal Open Science 2005

-M. Pluta, L. Łatka: możliwość użycia fali akustycznej do diagnozy procesów spawalniczych. Przegląd Spawalnictwa, 2017