УДК 621.791.75.037

Разработка регистратора для определения тепловых полей при проволочно-дуговом выращивании

Карпов Вячеслав Михайлович – старший преподаватель кафедры Сварки судовых конструкций Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Ефимов Евгений Игоревич – ассистент кафедры Сварки судовых конструкций Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Мурзин Виктор Васильевич – кандидат технических наук, доцент кафедры Сварки судовых конструкций Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Аннотация: Выполнен обзор проблемы и сформулированы требования к прибору для исследования тепловых полей при дуговом выращивании опытных образцов из Al-сплава. Дана блочная схема прибора и схемотехника построения одного из мультиплексируемых измерительных каналов. Описана работа прибора и цепей его защиты от перенапряжения, благодаря которым он в удовлетворяет сформулированным требованиям. В заключение отмечены прочие преимущества и функциональные возможности прибора, применительно к области проволочно-дугового выращивания.

Ключевые слова: термические циклы, тепловые поля, цифровой регистратор, WAAM, электродуговое выращивание, сварка.

Введение

При разработке технологии выращивания изделий посредством проволочно-дугового аддитивного производства (Wire-Arc Additive Manufacturing, WAAM) возникает необходимость определять тепловые поля в объеме выращиваемого образца из сплава на основе алюминия. Для этого необходимо регистрировать электрический сигнал с термопарных преобразователей температуры. Ввиду относительно низкой температуры плавления алюминиевых сплавов, применяются, как правило, стандартные термопары типа "К" (Хромель-Алюмель, ТХА). Опыт показал, что измерения тепловых полей при проволочно-дуговом выращивании не являются штатной ситуацией для серийно выпускаемых контрольно-измерительных приборов и аппаратуры, а потому серийные приборы фактически непригодны для решения таких задач.

Цель и проблема определения тепловых полей при проволочно-дуговом выращивании

 

Рисунок 1. Выращиваемый при разработке технологии типовой образец "замкнутый контур с перекрестием" с характерными дефектами формирования слоя в зонах сопряжения элементов.

При разработке технологии выращивания необходимо принимать меры по обеспечению приемлемой размерной точности формируемых изделий – являющейся одной из ключевых проблем проволочно-дуговой аддитивной технологии. На рисунке 1 приведен типовой образец, геометрические параметры которого неприемлемо отличаются от исходной 3Д-модели. Сегодня предлагаются различные пути решения данной проблемы, например, сопутствующая выращиванию механическая ЧПУ-обработка – обработка давлением[1] или резанием[2]. В этих случаях отчасти нивелируется одно из значимых преимуществ аддитивных технологий – снижение технологических потерь материала заготовки. Другой подход заключается в более точном математическом моделировании процессов тепло-массообмена между дугой, присадочным материалом и ванной расплава на выращиваемом изделии.

 

Рисунок 2. Примеры отклонений формы, приводящие к необходимости увеличения технологических припусков (из материалов, опубликованных коллегами из СПбПУ в открытых источниках [3]).

Режимы на которых запускается, продолжается и завершается процедура выращивания отдельно взятого слоя должны быть оптимизированы под геометрические параметры выращиваемого изделия. С одной стороны они должны обеспечивать стабильность и повторяемость соответствующих стадий цикла выращивания, а с другой стороны стремиться к минимальным искажениям формы выращиваемого изделия для снижения объема потерь металла при последующей механической обработке. Примеры таких искажений отмечены стрелками на рисунках 1 и 2.

Разработка приемлемо точных математических моделей формирования слоя на различных стадиях цикла проволочно-дугового выращивания изделий из легких сплавов – сложнейшая, пока до конца не решенная проблема в данной области. Кроме того, при аддитивном процессе ещё в большей степени, чем при сварке или наплавке заметно влияние погонной энергии на структурные свойства материала выращиваемого изделия[4]. Для проверки и корректировки разрабатываемых моделей необходимо экспериментальное определение достаточно детальных тепловых полей в выращиваемом образце.

Требования к прибору для измерения тепловых полей

Серийно выпускаемые приборы для регистрации температур не удовлетворяют поставленной задаче по ряду конструктивных параметров (выходят из строя либо искажают результаты измерений).

При дуговом выращивании через тело, в котором необходимо определять поле температур, протекает электрический ток. Термопарные датчики устанавливаются в просверленных каналах в непосредственной близости от ванны расплава, как это показано на рисунке 3. В результате этого между точками установки термопар возникает непредсказуемая разность потенциалов, которая может на несколько порядков превышать термоЭДС преобразователя. Как правило у серийно выпускаемых приборов присутствует гальваническая развязка измерительных каналов, однако в таких случаях приборы (например ПАРАГРАФ PL-20) имеют лишь 2 или 4 канала. Для одновременного измерения температуры в требуемом количестве точек необходимо применять несколько приборов (от 2-х до 6-ти) и возникают сложности в синхронизации приборов и последующей обработке данных. Это не является неразрешимой проблемой, однако существенно замедляет процесс исследований.

Рисунок 3. Вариант схемы установки термопар: 1- подложка; 2 - предварительно наплавленные слои металла; 3 - термопарные датчики заделанные в отверстия; 4 - наплавляемый слой, формирующий представляющее интерес температурное поле.

Вторая проблема следует из специфики аддитивного выращивания: при исследованиях этого процесса и отработке режимов выращивания периодически происходит оплавление образца, вытекание расплава из ванны и оголение термопарного датчика. В результате этого датчик оказывается в приэлектродной зоне дугового разряда и к нему прикладывается напряжение в пределах 30-60 вольт, что на 3-4 порядка превышает допустимый предел входного напряжения усилителя сигнала регистратора. В таком случае измерительный канал регистратора выходит из строя. Нередки случаи выхода из строя всего прибора, а также тех приборов, которые были гальванически связаны с первым по цепям синхронизации времени.

Для адаптации универсальных регистраторов необходимо устанавливать цепи защиты для каждого их измерительного канала в отдельности, то есть разрабатывать многоканальное устройство защиты, где все каналы также необходимо будет гальванически изолировать друг от друга. И даже в этом случае не решается проблема синхронного сбора и обработки информации, которая непродуктивно расходует много времени.

Учитывая стремительное развитие микроэлектроники, обусловившее доступность RISC-микроконтроллеров широкого назначения и сред разработки программ для них, наиболее рациональным решением представляется разработка специализированного измерительного прибора, лишенного указанных недостатков и предназначенного для продуктивных исследований тепловых полей при проволочно-дуговом аддитивном выращивании образцов из алюминиевых сплавов.

Схемотехника прибора

Конструктивно регистратор состоит из следующих блоков:

• программируемый микроконтроллер (Atmel ATMEGA328p);
• усилитель сигнала термопар (Maxim MAX6675);
• электромеханический мультиплексор сигналов;
• блок защиты от перенапряжения;
• регистратор цифровых данных (openLOG) на карту флеш-памяти;
• Li-ION аккумулятор с контроллером заряда/разряда.

Предусмотрена индикация состояний работы, запись зарегистрированных данных на флеш-карту формата microSD, вывод данных по протоколу UART, прошивка управляющего контроллера и зарядка аккумулятора через стандартный кабель с разъемом microUSB. Блочная схема устройства представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. Блочная схема регистратора.

На рисунке 5 приведена принципиальная схема одного из пяти измерительных каналов с защитой от перенапряжения на входе ИМС измерительного преобразователя U2, которая работает следующим образом. Управляющий контроллер U3 осуществляет коммутацию измерительных каналов, посредством подачи логической единицы на затвор МОП транзистора Q3 выбранного канала. В результате этого происходит подключение термоэлектрического преобразователя к измерительным входам "T+, T–" ИМС U2. В течение заданного времени происходит измерение температуры, аналогово-цифровое преобразование и передача результата измерения контроллеру в 12 битном формате по протоколу SPI. Затем выполняется регистрация температуры со следующего по порядку канала и так далее. В любой момент времени случае превышения входного напряжения на величину прямого падения на светодиоде U1 и диодах D3-D6 происходит "защелкивание" тиристорной структуры Q1-Q2 и данный канал далее не будет подключаться к измерительному преобразователю до снятия и повторной подачи напряжения питания прибора VCC. Быстродействие защиты определяется быстродействием оптрона U1 и для указанного на схеме компонента составляет максимум 18 мкс (типовое значение 3-4 мкс).

Рисунок 5. Принципиальная схема одного измерительного канала с защитой от перенапряжения, подключенного к управляющему контроллеру и измерительному преобразователю.

Контроллер в начале каждого периода отслеживает уровень напряжения на верхнем выводе резистора R1 и в случае появления на нём уровня логического нуля прекращает опрос канала, в котором сработала защита по порогу напряжения. В таблицу зарегистрированных данных при этом заносится соответствующие записи, для определения момента повреждения термопары и сопоставления зарегистрированных данных со временной шкалой эксперимента. Диод с барьером Шоттки D2 необходим для защиты входа "T+" ИМС U3 от появления на нём отрицательного напряжения ниже -0,3В. Разъем H1 предназначен для подключения термоэлектрического преобразователя.

Рисунок 6. 3D-модель корпуса регистратора, с оптимизированными для 3D-печати снизу вверх нависающими элементами .

Преимущества прибора

В данной реализации применения интегрального усилителя сигнала термоэлектрического преобразователя МАХ6675 не вносятся существенные изменения в измерительный тракт, следовательно точность измерения определяется паспортными характеристиками ИМС. Разрешающая способность составляет 0,25 К(°С). Максимальная частота опроса каналов составляет 5 Гц, что избыточно для решения поставленной задачи и поэтому позволяет использовать одну ИМС для регистрации нескольких каналов.

Собранные данные одновременно регистрируются на microSD карту и выводятся в интерфейс UART, что позволяет получать информацию в режиме реального времени, если это требуется для решения исследовательских задач. Возможно подключение к контроллеру робота или к ПК с управляющей программой для контроля температуры тела или теплового потока непосредственно в процессе выращивания образца. Такая опция может потребоваться например при постановке экспериментов по выращиванию образцов с контролируемыми скоростями охлаждения[5], для экспериментов в области разработки адаптивных дуговых процессов[6] с обратной связью по величине теплового потока в массиве изделия, при решении задач по внедрению цифрового контроля[7] в аддитивное производство изделий либо при реализации других новых идей и подходов[8] в развитии проволочно-дуговых аддитивных технологий.

Заключение

Прибор схемотехнически несложен, электроника изготовлена из недефицитных компонентов, а корпус напечатан на 3D-принтере по разработанной модели (рисунок 6). Поэтому прибор может быть экономически эффективно изготовлен и другими исследователями для решения задач, аналогичных поставленным в данной работе. Программа микроконтроллера прибора может дорабатываться и загружаться без необходимости вмешательства в схему прибора, что делает его гибким с точки зрения решения новых непредвиденных задач. Авторы будут признательны ценным замечаниям, пожеланиям и предложениям, поступившим на указанную выше электронную почту.

Благодарности

Успешная реализация данного проекта осуществлена в значительной степени благодаря Комитету по Науке и Высшей Школе города Санкт-Петербурга.

Список литературы

1. Григорьев, С. Н. Перспективы развития инновационного аддитивного производства в России и за рубежом // Инновации. № 180. C. 76–82.
2. Ma, G., Zhao, G., Li, Z. et al. Optimization strategies for robotic additive and subtractive manufacturing of large and high thin-walled aluminum structures. Int J Adv Manuf Technol 101, 1275–1292 (2019). https://doi.org/10.1007/s00170-018-3009-3
3. Мушников И. Разработка технологии выращивания изделий на примере алюминиевых сплавов и стали [Электронный ресурс]: Материалы конференции "Выставка аддитивных технологий в промышленности 3D fab + print Russia 2020" // URL: https://3dfabprint.ru/uploads/all/a7/b2/6e/a7b26e3e2d2971356ae8f0d58e10929b.pdf (дата обращения: 12.11.2020).
4. Chuanchu S., Xizhang C., Chuang G., Effect of heat input on microstructure and mechanical properties of Al-Mg alloys fabricated by WAAM // Applied Surface Science. № 486 С. 431–440
5. Повышение производительности процесса электродугового выращивания на примере алюминиевого сплава al-mg-mn системы легирования / Д.В. Курушкин [и др.] // В сборнике: XII Всероссийская конференция по испытаниям и исследованиям свойств материалов "ТестМат" по тематике "Современные аспекты в области исследований структурно-фазовых превращений при создании материалов нового поколения". Материалы Всероссийской конференции. 2020. С. 85-97.
6. Карпов В.М., Владимиров А.В., Мурзин В.В. Упрощенное программирование сварочных процессов на java-совместимом языке ввода команд XML // Морские интеллектуальные технологии, 2014. № 26. С. 84-91.
7. Измерение и обработка физических величин для цифрового контроля сварки в судостроении / И.Г. Струков [и др.] // В книге: Метрологическое обеспечение инновационных технологий. Международный форум. 2020. С. 94-95.
8. Технология цифрового синтеза импульсной сварки судовых конструкций из алюминиевых сплавов / В.М. Карпов [и др] // Морские интеллектуальные технологии, 2014. № 3. С. 94-100.