Sistema de monitoreo para el estudio del comportamiento ...
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MINISTERIO DE EDUCACIÓN SUPERIOR UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD INGENIERÍA MECÁNICA CENTRO DE INVESTIGACIONES DE SOLDADURA (CIS) TÍTULO “DESARROLLO DE COMPONENTES PARA SISTEMA DE MONITOREO EN TIEMPO REAL DE LA CALIDAD DE PROCESOS DE SOLDADURA CON ARCO ELÉCTRICO” Autor: Eduardo Miguel Fírvida Donéstevez Tutor: Dr. Alejandro García Rodríguez Consultante: Dr. Carlos René Gómez Pérez 5 to Año de Ingeniería Mecánica Curso 2010 – 2011
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MINISTERIO DE EDUCACIÓN SUPERIOR UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS
FACULTAD INGENIERÍA MECÁNICA CENTRO DE INVESTIGACIONES DE SOLDADURA (CIS)
TÍTULO
“DESARROLLO DE COMPONENTES PARA SISTEMA DE
MONITOREO EN TIEMPO REAL DE LA CALIDAD DE PROCESOS
DE SOLDADURA CON ARCO ELÉCTRICO”
Autor: Eduardo Miguel Fírvida Donéstevez Tutor: Dr. Alejandro García Rodríguez
Consultante: Dr. Carlos René Gómez Pérez
5to Año de Ingeniería Mecánica
Curso 2010 – 2011
1
Resumen
Los sistemas de monitoreo de la calidad de soldadura en tiempo real permiten
reducir los costos de producción al disminuir la salida de productos defectuosos de
las líneas de producción, al mismo tiempo, permiten auxiliar los procesos de
desarrollo de nuevos materiales de aporte profundizando en el estudio de su
comportamiento. Este trabajo está orientado al desarrollo de herramientas y
componentes de un sistema de monitoreo de la calidad de procesos de soldadura
por arco eléctrico para la evaluación del comportamiento de los mismos, mediante
la implementación de dispositivos y programas de sensado y análisis que permiten
relacionar los parámetros eléctricos del proceso de soldadura con la posición real
en la unión soldada con los cuales se puede determinar la estabilidad del arco de
soldadura a lo largo de todo el proceso teniendo así localizados los posibles
defectos que puedan aparecer en la unión.
Abstract
Monitoring the weld quality in real time systems can reduce production costs by
reducing the output of defective products in production lines, as well as allow
assisting processes for the development of new materials contributing to deepen the
study of their behavior. This work is aimed at developing tools and components of a
system of quality monitoring processes of arc welding for the evaluation of their
behavior during the process by implementing programs and sensing devices and
analysis, to relate the electrical parameters of the welding process with the actual
position in the weld, with which to evaluate the stability of the welding arc along the
whole process and taking located any defects that may appear in the union.
2
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................4
Problema Práctico ..................................................................................................................................4
Objeto de la Investigación .....................................................................................................................4
Hipótesis...................................................................................................................................................5
Objetivo General .....................................................................................................................................5
Objetivos específicos .............................................................................................................................5
Tareas.......................................................................................................................................................5
CAPÍTULO I. ESTUDIO DE COMPONENTES PARA SISTEMA DE MONITOREO DE LA
CALIDAD DE PROCESOS DE SOLDADURA CON ARCO ELÉCTRICO ...................................7
1.1. Sistemas de monitoreo de procesos de soldadura en tiempo real .........................................7
1.1.1. Detección de perturbaciones en soldadura basado en el monitoreo de la acústica
aerotransportada del proceso ...........................................................................................................7
1.1.2. Sistemas de detección de defectos mediante el análisis de la espectroscopia del
plasma de soldadura ....................................................................................................................... 11
1.1.3. Sistemas de monitoreo de los parámetros eléctricos del arco. ..................................... 13
1.2. Dispositivos para sensado de posición .................................................................................... 17
1.2.1. Potenciómetros ..................................................................................................................... 17
1.2.2. Codificadores incrementales ............................................................................................... 19
1.2.3. Codificadores absolutos ...................................................................................................... 21
1.2.4. Transformador diferencial de variación lineal (LVTD). ................................................... 22
1.3. Software de sensado y procesamiento de datos .................................................................... 24
Conclusiones del Capítulo .................................................................................................................. 25
CAPÍTULO II. SISTEMA DE MONITOREO EN TIEMPO REAL DE CALIDAD DE
PROCESOS DE SOLDADURA CON ARCO ELÉCTRICO ......................................................... 25
2.1. Instalación experimental para procesos de soldadura con arco eléctrico .......................... 26
2.2. Sensor de posición ...................................................................................................................... 27
2.3. Programa de interface del posicionador ................................................................................... 31
2.4. Programa para procesamiento de las señales eléctricas del arco de soldadura .............. 33
Conclusiones del Capítulo .................................................................................................................. 37
CAPÍTULO III. VALIDACIÓN DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA DE MONITOREO .... 38
3.1. Validación del programa de procesamiento de las datas ...................................................... 38
3
3.2. Puesta en marcha del sistema................................................................................................... 39
3.3. Calibración manual del sistema ................................................................................................. 40
3.4. Calibración final del posicionador .............................................................................................. 41
3.5. Análisis de los resultados ........................................................................................................... 45
Conclusiones del Capítulo.................................................................................................................. 47
CONCLUSIONES GENERALES .................................................................................................. 48
RECOMENDACIONES ................................................................................................................. 49
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................. 50
ANEXOS ........................................................................................................................................ 52
4
INTRODUCCIÓN
La alta industria basa su productividad en la automatización del equipamiento, a
través del sensado, procesamiento y control en tiempo real, de parámetros
determinantes en diversos procesos industriales, para esto se auxilia de la
computación, la informática y las comunicaciones.
Los sistemas de monitoreo en tiempo real de la calidad de la soldadura, permiten
optimizar el tiempo de producción y reducir la probabilidad de salida de productos
defectuosos, aumentando la calidad de los mismos.
En el campo de la soldadura, los sistemas de monitoreo en tiempo real permiten
auxiliar los procesos de desarrollo de nuevos consumibles y el control de su calidad.
Se han reportado estudios dirigidos a la vinculación de los defectos de soldadura
con el comportamiento eléctrico de los electrodos, que requieren de dispositivos y
métodos relacionados con la adquisición y el procesamiento de los parámetros
eléctricos del arco [1-4].
Los sistemas de monitoreo de la calidad en tiempo real se hacen cada vez más
importantes en los tiempo actuales, en los que la industria a nivel mundial está casi
totalmente automatizada y la investigación asociada a este desarrollo requiere de su
aplicación [2, 3, 5-8].
Problema Práctico
En un sistema de monitoreo de la calidad de procesos de soldadura por arco
eléctrico, se necesita sensar digitalmente y procesar las señales eléctricas del arco
y su posición a lo largo del proceso, evaluando así, en tiempo real, la estabilidad del
proceso.
Objeto de la Investigación
Monitoreo de procesos de soldadura por arco eléctrico con electrodos revestidos.
5
Hipótesis
El desarrollo de un sistema eficiente de monitoreo de la calidad del proceso de
soldadura, mediante el sensado en tiempo real de las señales eléctricas del proceso
respecto a la posición del arco de soldadura durante su ejecución, permitirá detectar
y tener localizadas las posibles fallas que puedan aparecer en la unión soldada.
Objetivo General
Desarrollar herramientas componentes de un sistema de monitoreo de la calidad en
tiempo real de procesos de soldadura con arco eléctrico, encaminado a la detección
y corrección de sus defectos.
Objetivos específicos
1. Realizar un análisis sobre las diferencias, ventajas y desventajas de los
sistemas destinados al monitoreo de la calidad en procesos industriales, en
tiempo real, del proceso de soldadura con electrodo revestido.
2. Implementar una instalación experimental para al monitoreo de la calidad de
los electrodos revestidos, en tiempo real.
3. Desarrollar y validar programas de obtención y procesamiento de las datas
experimentales para la evaluación del comportamiento de los parámetros
eléctricos y de posición, en tiempo real, del proceso de soldadura con
electrodo revestido.
Tareas
1. Análisis de algunos sistemas de monitoreo de calidad de soldadura en tiempo
real.
2. Implementación de la instalación experimental para al monitoreo de la calidad
de los electrodos revestidos, en tiempo real.
3. Integración de un mouse serie modificado para su uso como dispositivo para
el sensado de posición durante el proceso de soldadura con electrodo
revestido y desarrollo de un programa que permita la obtención de estas
datas, en tiempo real.
6
4. Desarrollo de un programa, que permita el procesamiento y análisis de las
señales eléctricas del arco respecto a la posición y velocidad de soldadura
obtenidas.
5. Validación de los componentes del sistema de monitoreo de calidad de
soldadura en tiempo real.
7
CAPÍTULO I. ESTUDIO DE COMPONENTES PARA SISTEMA DE MONITOREO
DE LA CALIDAD DE PROCESOS DE SOLDADURA CON ARCO ELÉCTRICO
En más del 50 % de los productos manufacturados en el mundo se utiliza algún tipo
de proceso de soldadura. Una soldadura aceptable requiere de un fino ajuste de los
parámetros esenciales del proceso para lograr una óptima calidad, incluso
pequeñas variaciones en estos parámetros puede causar un resultado inadmisible.
Por lo tanto, en las grandes producciones automáticas se necesita disponer de un
sistema sólido y confiable de detección de fallas en la soldadura en tiempo real,
sobre todo para aplicaciones donde se requiere una alta fiabilidad.
En la bibliografía consultada [1-3, 5-14] se presentan varios estudios e instalaciones
experimentales sobre este tema, las cuales basan su funcionamiento
fundamentalmente en el monitoreo de las ondas sonoras emitidas por el arco
eléctrico del proceso [6, 8], monitoreo de la espectroscopia del plasma de la
soldadura [5, 13, 14], y monitoreo de las señales de corriente y voltaje [1, 3, 9].
También fueron encontradas referencias a otros tipos de análisis como: utilización
de ondas de ultrasonido en tiempo real[11], utilización de sistemas con fibras
ópticas [10], procesamiento de imágenes [12], termografía infrarroja, simulaciones
numéricas del arco de soldadura, análisis de emisiones electromagnéticas, y el uso
de sistemas inteligentes de redes neuronales.
1.1. Sistemas de monitoreo de procesos de soldadura en tiempo real
1.1.1. Detección de perturbaciones en soldadura basado en el monitoreo de la
acústica aerotransportada del proceso
El sonido del proceso de soldadura es una consecuencia de la modulación en
amplitud de la corriente por la tensión del arco [6], en el proceso, el cual puede
representar el comportamiento de la secuencia de cortocircuitos e igniciones de la
tensión de arco y por tanto abre la posibilidad de detectar acústicamente
perturbaciones en el arco de soldadura.
8
La principal ventaja del monitoreo del sonido producido por el arco eléctrico radica
en que no necesita tener conexiones eléctricas al proceso de soldadura, ya que el
sonido es trasmitido desde el arco eléctrico hasta el sensor acústico
mecánicamente. Esto facilita la instalación del sensor en el proceso lo que reduce la
posibilidad de alterar los parámetros eléctricos en el proceso de soldadura, y al
mismo tiempo, su no conectividad eléctrica al proceso reduce la influencia de las
interferencias electromagnéticas en el sensor acústico [6].
En este método es necesario reducir el nivel de ruido ambiental de la señal del
sonido del arco para ser procesada y obtener la información requerida del proceso.
Estas operaciones implican un elevado costo computacional, requiriendo sistemas
computacionales de alto desempeño Figura 1.1.
Figura 1.1. Hardware y Equipos usados en el sistema [6].
Utilizando estos métodos se han hecho estudios utilizando el proceso GMAW como
caso de estudio. En el proceso GMAW aparecen diferentes fuentes de sonido
simultánea y/o sucesivamente las cuales tienen diferentes características que
difieren en tiempo y en la forma de aparición. En lo concerniente al tiempo hay dos
características de generación de sonido en intervalos de tiempo, la primera es el
cortocircuito que termina con el encendido del arco (Figura 1.2. puntos 1 - 4) y la
segunda es durante la oscilación del arco encendido la cual termina con la extinción
del arco (Figura 1.2. Puntos 6 - 1 y del 4 – 6 ) [8].
9
Figura 1.2. Diferentes fases de transferencia de metal durante
un proceso GMAW en modo cortocircuito [8].
De acuerdo con la forma en que aparecen los sonidos pueden aparecer en forma de
impulsos o el llamado “ruido turbulento” [8].
Los sonidos en impulsos están dados por los cambios rápidos de corriente y tienen
dos orígenes. El primer origen está dado por los cortocircuitos entre el electrodo y el
material soldado (Figura 1.2. punto 1), el segundo origen es cuando se desprende la
gota de metal fundido del electrodo y provoca la chispa de reencendido del arco, lo
cual causa un rápido incremento en la temperatura y la expansión del gas de
protección alrededor del arco, (Figura 1.2. punto 4) [8].
El “ruido turbulento” es el resultado de muchos procesos y mecanismos que
generan sonido o tienen influencia en la propagación de ondas sonoras. Además de
esos, la oscilación del arco de soldadura, del electrodo y del baño de soldadura así
como los cambios del material debidos a las tensiones internas, son los más
importantes [8].
10
Figura 1.3. Relación corriente y señales acusticas en un proceso GMAW.
Figura 1.4. Relación Corriente y señales acústicas en un
proceso MIG/MAG [6].
11
Figura 1.5. Correspondencia entre picos en el arco de soldadura y en
las ondas sonoras [8].
Figura 1.6. Defecto detectado [8].
1.1.2. Sistemas de detección de defectos mediante el análisis de la
espectroscopia del plasma de soldadura
Este método utiliza la temperatura electrónica, calculada a partir de las intensidades
de las líneas de emisión en el espectro electromagnético dentro de la región visible,
como un indicador de cambio en la calidad esperada. Algunas líneas de emisión,
12
especialmente elegidas, pueden dar indicio de contaminación de la soldadura con el
hidrógeno [14].
Dos diferentes tipos de análisis se pueden hacer en el plasma: cualitativos y
cuantitativos. En un análisis cualitativo (Identificación de los elementos químicos) se
pueden identificar los elementos que están presentes en el plasma y por tanto
permite la detección de contaminación en la soldadura. El segundo análisis
corresponde en el control de las intensidades de las líneas elegidas en el espectro.
Lo que puede ser usado para calcular la temperatura electrónica y la densidad del
plasma [13].
La longitud de onda asociada con la intensidad máxima de la continuidad del
plasma puede ser una variable de un buen seguimiento, lo que permite la detección
de pequeños defectos de soldadura [5]. La implementación de esta solución es
bastante simple aunque necesita de un alto costo en equipamiento e
implementación del sistema Figura 1.7.
Figura 1.7. Instalación experimental para el análisis de soldadura GTAW
utilizando espectroscopia [13].
13
Figura 1.8. Defectos detectados utilizando el método de la espectroscopia, en
proceso GTAW [13].
Figura 1.9. Detección de defectos utilizando otros métodos de análisis de la
espectrometría del arco de soldadura, en un proceso TIG [5].
1.1.3. Sistemas de monitoreo de los parámetros eléctricos del arco.
La mayor parte de los equipos de monitoreo de tensión de arco y corriente utilizan
sensores basados en divisores de tensión y efecto hall respectivamente y son
instalados directamente en el proceso, esto quiere decir que existe conexión
eléctrica entre los sensores y el proceso de soldadura [6].
14
El sensado en tiempo real de los parámetros eléctricos del arco, permite evaluar el
comportamiento de los fenómenos de transferencia de carga eléctrica y de
transferencia metálica, los cuales están relacionados a la transferencia energética y
de masa a través del arco, lo que define la calidad del producto obtenido por
soldadura [15].
Estos sistemas de monitoreo funcionan mediante el sensando de las señales de
corriente y voltaje del arco durante el proceso, para analizar su variación a lo largo
del mismo, diversos autores [15, 16] coinciden en que utilizar una frecuencia de
muestreo de 5000 muestras por segundo es adecuado para las señales
provenientes del arco eléctrico en electrodos revestidos [4]. La ocurrencia de
cortocircuitos o alguna otra anomalía tanto en el material de aporte como en el
metal base, fundente, gases protectores, o algún otro factor externo, reflejan
cambios apreciables en las señales eléctricas del arco las cuales pueden ser
detectadas por estos sistemas en tiempo real, para su posterior procesamiento y
análisis.
La conexión directa de sensores en el proceso de soldadura presenta dos
desventajas considerables [6]:
1. El proceso de soldadura debido a su sensibilidad ante la variación de
parámetros puede verse interferido por la presencia de sensores que tengan
conexión eléctrica alterando la impedancia del arco eléctrico cuya variación
podría generar inestabilidades que son indeseables
2. Las interferencias electromagnéticas que produce el arco eléctrico altera
considerablemente la lectura realizada por los sensores que tienen conexión
eléctrica con el proceso.
Este método de monitoreo del arco de soldadura es sencillo de aplicar, como se
puede apreciar en la Figura 1.10 no presenta grandes complicaciones en la
instalación siempre y cuando se tengan en consideración las desventajas
anteriormente descritas para no introducir errores a la hora de realizar el proceso.
15
Figura 1.10. Esquema de una instalación experimental para el estudio del comportamiento
eléctrico de electrodos revestidos soldadura SMAW [17].
1. Acondicionador de señales eléctricas.
2. Dispositivo por gravedad de alimentación del electrodo.
3. Transformador de soldadura AIRCO 220V AC.
4. Censor de corriente tipo “Shunt” de 60 mV a 250 A, clase 0,5.
5. Mesa de trabajo.
6. Computadora con un sistema de adquisición de datos.
El dispositivo de alimentación por gravedad (2) en la Figura 1.10, ampliado en la
Figura 1.11, consta de una base metálica (3), que sostiene un soporte vertical (2)
por el que se desliza por gravedad la corredera (6) solidaria al brazo (9), que
soporta la tenaza (8), sosteniendo al electrodo (5) por el extremo opuesto al cordón
de soldadura (11) y, a la vez, suministrando el contacto eléctrico con el conductor
(10), proveniente de la fuente de soldadura, mediante una unión roscada
desarmable (7). La tenaza (8) gira respecto a un eje pasante perpendicular a la
pieza (9), lo que permite ajustar el ángulo de incidencia (α) del electrodo respecto a
PC
1
3
a b c d e f
Manivela
B G
5
4
2
6
16
la placa a soldar (4). La varilla (1) limita el movimiento radial del electrodo
restringiendo las oscilaciones en la trayectoria del cordón (11) [17].
Figura 1.11. Dispositivo de Alimentación Automática [17].
Al iniciarse el arco de soldadura, el consumo del electrodo hace que la corredera (6)
baje gravitacionalmente, mientras la punta del electrodo se consume por el intenso
calor del arco.
Con este dispositivo es posible variar los ángulos de incidencia del electrodo a la
placa a soldar, cuando se suelda con diferentes corrientes, tasas de fusión,
diferentes electrodos, sin afectar la respuesta típica del electrodo con ningún
dispositivo adicional al sistema.
El sistema de adquisición de las señales eléctricas del proceso está compuesto por
una tarjeta de adquisición de datos conectada en el interior de una computadora (6)
Figura 1.10 y un dispositivo acondicionador de señales (1) que permite aislar los
circuitos eléctricos de la computadora y el arco de soldadura para proteger la
misma, así como acondicionar las salidas de los sensores a la entrada de la tarjeta
de adquisición de datos.
7
1
2
3 4
5 6
8
9
10
11
3
17
1.2. Dispositivos para sensado de posición
El control de la posición en cualquier proceso de control o evaluación en tiempo real
es fundamental para tener localizadas las perturbaciones que ocurran en un
momento dado, y tener la relación entre los parámetros que se están sensando con
el lugar que ocurrieron. En los sistemas de monitoreo de procesos de soldadura en
tiempo real esto es fundamental para tener localizados los posibles defectos en el
cordón, para ser evaluados con otras técnicas de control de calidad, y así evitar el
ensayo de toda la unión soldada.
La creciente presencia de sistemas digitales para el tratamiento y presentación de la
información en los sistemas de medida y control, hace muy atractivos aquellos
sensores que ofrecen directamente a su salida una señal en forma digital, por la
simplificación que suponen en el acondicionamiento de señales y su mayor
inmunidad a las interferencias electromagnéticas en determinados casos [18].
Los transductores de posición angular, de un eje, son componentes fundamentales
en la tecnología de control. Es difícil encontrar sistemas mecánicos industriales
automatizados que no tengan varios ejes de movimiento angular o lineal. Utilizando
un acoplamiento directo o algún tipo de acoplamiento mecánico que realice la
adaptación, un codificador de la posición angular se puede utilizar en el monitoreo
de cualquier tipo de desplazamiento [19].
1.2.1. Potenciómetros
Dentro de un potenciómetro normal (Figura 1.12) encontraremos un anillo circular
de material resistivo (resistor). Sobre el eje del potenciómetro hay un contacto que
gira, deslizándose sobre este material resistivo. La resistencia eléctrica entre un
extremo del anillo y el contacto es proporcional a la posición angular del eje [16].
18
Figura 1.12. Diagrama de un potenciómetro. En verde, el anillo de resistor.
Si se aplica un voltaje entre los extremos del resistor del potenciómetro (Figura
1.12), el voltaje en el contacto varía en relación directa con la posición angular del
eje. Este voltaje se puede ingresar a un convertidor analógico-digital [16].
Tipos de potenciómetros [17]
Según su aplicación:
Potenciómetros de mando. Son adecuados para su uso como elemento de
control en los aparatos electrónicos. El usuario acciona sobre ellos para
variar los parámetros normales de funcionamiento.
Potenciómetros de ajuste. Controlan parámetros preajustados,
normalmente en fábrica, que el usuario no suele tener que retocar, por lo que
no suelen ser accesibles desde el exterior. Existen tanto encapsulados en
plástico como sin cápsula, y se suelen distinguir potenciómetros de ajuste
vertical, cuyo eje de giro es vertical, y potenciómetros de ajuste horizontal,
con el eje de giro paralelo al circuito impreso.
Según la ley de variación de la resistencia R = ρ(θ):
Potenciómetros lineales. La resistencia es proporcional al ángulo de giro.
Logarítmicos. La resistencia depende logarítmicamente del ángulo de giro.
Sinusoidales. La resistencia es proporcional al seno del ángulo de giro. Dos
potenciómetros sinusoidales solidarios y girados 90° proporcionan el seno y
el coseno del ángulo de giro. Pueden tener topes de fin de carrera o no.
19
Antilogarítmicos. En los potenciómetros impresos la ley de resistencia se
consigue variando la anchura de la pista resistiva, mientras que en los
bobinados se ajusta la curva a tramos, con hilos de distinto grosor.
Potenciómetros multivuelta. Para un ajuste fino de la resistencia existen
potenciómetros multivuelta, en los que el cursor va unido a un tornillo
desmultiplicador, de modo que para completar el recorrido necesita varias
vueltas del órgano de mando.
Los potenciómetros son útiles para aplicaciones con precisiones entre 0,5 a 5 %.
Son los dispositivos más baratos que existen para este uso. Debido a que están
sujetos a desgaste mecánico, su aplicación se limita a productos hogareños y en
industrias donde no es importante la seguridad y duración [20].
1.2.2. Codificadores incrementales
Un codificador incremental de rotación está formado por un disco con ranuras
radiales (Figura 1.13) ubicadas por lo general muy juntas y equidistantes en toda su
circunferencia, o sino con líneas alternadas en color claro y oscuro, que giran frente
a un foto sensor (o un conjunto de éstos, para más precisión), generando un pulso
por cada ranura o cambio de color [19]. La resolución, de estos sensores, dada
como número de impulsos de salida, es:
Ecuación 1.1
Donde D es el diámetro del disco y X la anchura de cada sector codificado [18].
La simplicidad y economía de esta técnica no admiten duda, pero tiene una serie de
inconvenientes que conviene señalar [19]:
1. La información sobre la posición se pierde en cuanto falta la alimentación del
sistema, o simplemente cuando se desconecta, y en presencia de interfaces
fuertes.
2. Es necesario un contador bidireccional para poder tener una salida digital
20
compatible con los elementos de entrada-salida de un ordenador.
3. No permite detectar el sentido de avance si no se dispone de elementos
adicionales. Las propiedades empleadas para la diferenciación de los
sectores pueden ser magnéticas, eléctricas u ópticas.
Los magnéticos pueden ser de bobina e imán, de imán y sensor magneto-resistivo o
de núcleo toroidal. Los codificadores eléctricos pueden ser capacitivos o de
contacto. Los codificadores ópticos pueden estar basados en sectores opacos y
transparentes, en sectores reflectores y no reflectores, o en franjas de interferencia.
Éstos últimos normalmente cuentan con un LED infrarrojo y un fotodetector (LDR:
célula fotoeléctrica o fototransistor) [19].
Figura 1.13. Discos de codificador incremental [19].
Un ejemplo típico de este tipo de codificadores se puede ver dentro de los mouses
(ratones) de computadora: pequeños discos con ranuras en cada eje de
movimiento. Un circuito lleva la cuenta de los pulsos, con lo que se puede conocer
tanto el ángulo que se ha avanzado como la velocidad de giro. Estos codificadores
son baratos pero no ofrecen una posición absoluta, ya que el disco es igual en toda
21
su circunferencia y no hay manera de saber dónde está ubicado el eje.
Habitualmente, se debe proveer al sistema de una manera de ubicarse en una
posición cero, y de ahí en adelante contar pulsos hacia adelante o hacia atrás [19].
1.2.3. Codificadores absolutos
Los codificadores absolutos ópticos funcionan con un concepto similar al de los
tipos incrementales, sólo que poseen un disco con un dibujo complejo, distribuido
en anillos concéntricos que representan los bits de una palabra binaria. Deben tener
un detector óptico por cada uno de estos anillos. Por ejemplo un disco con 8 anillos
(como el de la Figura 1.14), tendrá una resolución de 8 bits, o sea que podrá dividir
su circunferencia en 256 porciones (más de 1 grado, si hablamos de ángulo). Un
disco con más anillos concéntricos ofrecerá más bits de resolución y dará un dato
de posición angular más preciso [19].
Figura 1.14. Disco de codificador absoluto [19].
Estos codificadores tienen inmunidad intrínseca frente a las interrupciones e
interferencias electromagnéticas, pero ello es a cuesta de unos cabezales de lectura
que son más complejos que en los codificadores incrementales. Por razones de
precisión óptica, la codificación se suele hacer en una codificación llamada código
22
Gray, que luego se traduce en el código binario estándar que utiliza una
computadora para sus cuentas [18].
Los codificadores absolutos cubren un rango que va desde los medianamente
costosos a los de alto costo, dependiendo de la resolución necesaria. Como sus
similares incrementales, en algunas aplicaciones extremas pueden tener algunas
limitaciones.
1.2.4. Transformador diferencial de variación lineal (LVTD).
En su diseño más simple, consta de dos bobinados en el estator, que detectan una
señal sinusoidal de inducción, emitida por un tercer bobinado desde el rotor; una de
las bobinas detectoras corresponde al seno y la otra al coseno (están ubicadas en
posiciones separadas, obviamente, por un ángulo de 90°). La bobina excitadora del
rotor es alimentada por una señal de corriente alterna sinusoidal que le llega a
través de anillos de metal (contactos) ubicados sobre el eje, y escobillas. Tanto el
rotor como el estator están construidos con un núcleo de hierro laminado [19].
Figura 1.15. Esquema de un transformador diferencial con escobillas.
Existe una solución del LVTD sin escobillas (Figura 1.16), que está implementada
por un transformador rotativo, con el primario sobre el estator y el secundario en el
rotor. Aquí también el rotor y el estator son núcleos de hierro laminado. Igual que en
el caso anterior (Figura 1.15), el LVTD tiene dos bobinados en el estator, que
detectan la señal sinusoidal que se induce desde el rotor. En el rotor existen otros
dos bobinados: uno es el excitador, que induce una señal alterna sinusoidal,
23
generalmente con una frecuencia del orden de los 400-500Hz, y el otro es el
secundario de un transformador por el que llega al rotor la señal de alimentación de
la bobina excitadora. Esta configuración logra que el rotor no tenga escobillas, con
lo que se evita un elemento que sufre desgaste, que es sensible a los impactos y
vibraciones, y que sin duda introduciría ruidos que pueden causar errores. En una
parte aislada del estator está el primario del transformador de alimentación de señal
[19].
Figura 1.16. Esquema de un transformador diferencial con escobillas [19].
En ambos modelos, cuando la bobina excitadora del rotor recibe una alimentación
de señal sinusoidal, cada una de las bobinas detectoras del estator es inducida con
una señal cuyo voltaje de salida varía de acuerdo al seno de la posición del eje para
una de ellas y el coseno de la posición del eje para la otra [19].
Las señales de las bobinas detectoras del estator se llevan a un tipo especial de
convertidor analógico digital [19].
Figura 1.17. Esquema de instalación de un transformador diferencial.
24
Los LVTD son relativamente caros pero ofrecen alta precisión. Debido a que
virtualmente no tienen partes móviles sujetas a desgaste, son muy seguros. Se
necesita una electrónica costosa para convertir la señal a digital y para proveer la
excitación [19].
1.3. Software de sensado y procesamiento de datos
Para la recepción, evaluación y caracterización eléctrica operativa de los procesos
de soldadura es necesario utilizar programas que permitan la recolección e
interpretación de las señales producidas en el proceso de soldadura, y esto es
necesario hacerlo en el tiempo real en que ocurre el proceso, para lo cual se han
desarrollado programas profesionales con licencia comercial como el LabVIEW,
MATLAB, los cuales brindan la posibilidad de la utilización del tiempo real en que
ocurre el proceso, además de estar diseñados con estos fines ofrecen
características que agilizan el proceso de desarrollo de aplicaciones. Otros
lenguajes de programación pueden ser empleados para el desarrollo de
aplicaciones similares, como el C/C++, Delphi, Visual Basic, por nombrar algunos,
pero estos lenguajes no tienen acceso directo al control en tiempo real de las
operaciones, por lo que se haría necesario programar un driver que posibilitara esta
función para luego implementar el resto de la aplicación, lo que hace el proceso de
desarrollo del programa muy largo y complicado, aunque también tiene la ventaja
que el resultado, el programa, sería una aplicación independiente, bajo ningún tipo
de licencia comercial, como los programas antes mencionados.
En la bibliografía consultada [4, 17] se describen métodos y procedimientos hechos
para MATLAB con el fin del procesamiento digital de las señales eléctricas del arco
de soldadura, los cuales extraen los parámetros fundamentales para la evaluación
de la estabilidad del arco de soldadura, tales como:
Ocurrencia, duración, y frecuencia con que ocurren los cortocircuitos en el
arco
Conductividad durante el reencendido del arco.
25
Estos análisis son de suma importancia a la hora del desarrollo de nuevos
materiales para la soldadura o la comparación entre los ya existentes, ya que
permite profundizar en los estudios de la influencia de estos en el comportamiento
eléctrico del arco de soldadura y por tanto la estabilidad a lo largo de todo el
proceso, lo cual tiene correspondencia directa con la calidad de los mismos y de la
unión soldada.
Conclusiones del Capítulo
1. Los sistemas de monitoreo de la calidad de la soldadura, basados en
técnicas espectroscópicas y de emisión acústica, requieren de un
equipamiento sofisticado y muy sensible a las condiciones industriales, por lo
que son más empleados a nivel de laboratorio.
2. El sistema de monitoreo de calidad de la soldadura basado en el sensado de
los parámetros eléctricos del arco de soldadura, es el más utilizado en la
tecnología de soldadura automática moderna, encontrándose
consistentemente integrado al proceso industrial con un alto nivel de
inmunidad al ruido y grado de certidumbre en la medición de los parámetros
de interés.
3. La utilización de sensores de posición en estos sistemas de monitoreo es de
vital importancia para la localización, en la unión soldada, de los defectos
detectados por el sistema de monitoreo.
4. Los programas de procesamiento de las datas adquiridas por los sistemas de
adquisición permiten estudiar y evaluar el desempeño de distintos materiales
de soldadura en el proceso y su influencia en la estabilidad del arco y por
tanto de todo el proceso.
CAPÍTULO II. SISTEMA DE MONITOREO EN TIEMPO REAL DE CALIDAD DE
PROCESOS DE SOLDADURA CON ARCO ELÉCTRICO
26
2.1. Instalación experimental para procesos de soldadura con arco eléctrico
En el presente trabajo se emplea una instalación experimental similar a la mostrada
en la Figura 1.10 con la diferencia que se le integrará un dispositivo para el sensado
de la posición. El dispositivo para el sensado podrá relacionar los parámetros
eléctricos del arco de soldadura con la posición real en la que se encuentra el arco
en el cordón a lo largo del proceso y así tener localizados los defectos detectados
por el sistema en la unión soldada.
Los parámetros eléctricos y de posición son relacionados a través del tiempo
mediante programas de computación desarrollados con el fin de sensar y procesar
las señales detectadas para análisis más profundos en un post-procesamiento de
las señales.
La instalación experimental (Figura 2.1) está formada por:
una fuente de corriente directa para alimentar eléctricamente el proceso de
soladura;
un dispositivo de alimentación automática por gravedad del metal a
depositar, el cual permite eliminar la influencia de la habilidad del soldador
SMAW;
el sistema de adquisición de datos que está formado por:
o un circuito acondicionador de señales,
o un sensor de corriente,
o una tarjeta de adquisición de datos acoplada a una computadora.
27
Figura 2.1. Sistema experimental para evaluar el desempeño de los electrodos
revestidos, con sensor de posición integrado.
1. Acondicionador de señales
eléctricas.
2. Dispositivo de alimentación por
gravedad.
3. Transformador de soldadura BDU
506 04 AC.
4. Censor de corriente tipo “Shunt”
de 60 mV a 250 A, clase 0,5.
5. Mesa de trabajo.
6. Sensor de posición.
7. Computadora con un sistema
de adquisición de datos
integrado.
2.2. Sensor de posición
El sensor de posición (1) en Figura 2.2 se desarrolla a partir de un Mouse Serie al
cual se le hicieron adaptaciones para poder acoplarlo correctamente al sistema de
alimentación automática Figura 2.2.
El sensor de posición que se propone adicionar a la instalación esperimental es un
dispositivo sencillo y económico que brinda las características fundamentales para
el monitoreo de la posición y velocidad del arco de soldadura. Otros dispositivos
más profesionales como los Encoders, LVTD, Potenciómetros, etc. mencionados
28
en el Capítulo I pueden ser utilizados de igual forma. Estos elevarían la precisión y
complejidad del sistema, y por tanto su costo.
Al iniciarse el arco de soldadura, el consumo del electrodo hace que la corredera
(2) caiga lentamente gravitacionalmente, donde comienza el movimiento por
fricción del dispositivo posicionador (1) acoplado a la corredera (2) mientras la
punta del electrodo (3) se consume producto del calor producido por el arco de
soldadura. (Figura 2.2)
Figura 2.2. Dispositivo de alimentación automática con sensor de posición integrado.
El sensor se comunica con la computadora a través de los puertos RS-232 o como
comúnmente se llaman Puertos Serie o COM. La utilización de estos puertos en las
computadoras ya no es tan extendida como hace unos años atrás debido a la
aparición de tarjetas de comunicaciones más rápidas, y la estandarización del USB
y el PS/2 como protoclos fundamentales para el control de periféricos.
El RS-232 para mouse, consiste en un conector de 9 pines (DB-9). Las señales
con las que trabaja este puerto serie son digitales, de +12V (0 lógico) y -12V (1
lógico), para la entrada y salida de datos, y a la inversa en las señales de control.
El estado de reposo en la entrada y salida de datos es -12V [21].
1
3 2
29
Cada pin puede ser de entrada o de salida, teniendo una función específica cada
uno de ellos. Las funciones más importantes son:
Tabla 2.1. Significado de las señales del protocolo RS-232 [22]
Señal Función
TXD (Transmitir Datos)
RXD (Recibir Datos)
DTR (Terminal de Datos Listo)
DSR (Equipo de Datos Listo)
RTS (Solicitud de Envío)
CTS (Libre para Envío)
DCD (Detección de Portadora)
Las señales TXD, DTR y RTS son de salida, mientras que RXD, DSR, CTS y DCD
son de entrada.
Tabla 2.2. Distribución de las Señales por pines en el conector DB-9 [22]
Pin Señal
1 CD/DCD - Chasis
2 RxD
3 TxD
4 DTR
5 SG
6 DSR
7 RTS
8 CTS
9 RI
En la conexión del Mouse Serie con la computadora solo son utilizadas las
siguientes señales para su funcionamiento [23]:
1. RxD (pin 2): Se encarga del envío de la posición y el estado del mismo a la
computadora.
2. TxD (pin 3): Establece el voltaje negativo de alimentación, -12 V, Imax = 10
mA.
3. SGND (pin 5): señal de tierra, +12 V, Imax = 10 mA.
4. RTS o DTR (pin 7 o 4): establece el voltaje positivo, pueden ser usados
indistintamente uno de otro o una combinación de los mismos
El sensor (Mouse Serie) utiliza el protocolo de mouse diseñado por Microsoft para
su comunicación con la computadora, el cual usa 1 bit de inicio, 7 bits de datos, sin
30
paridad y un bit de parada a la velocidad de 1200 bits/seg. Los datos se envían a
RxD en paquetes de 3 bytes. Los movimientos dx y dy son enviados en
complemento a dos, y el bit lb y rb se ponen a 1 cuando se presiona el botón
izquierdo o derecho respectivamente [21].
Tabla 2.3. Detalles de los Byte de comunicación en el protocolo de Microsoft [23]
byte d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0
1 1 lb rb dy7 dy6 dx7 dx6
2 0 dx5 dx4 dx3 dx2 dx1 dx0
3 0 dy5 dy4 dy3 dy2 dy1 dy0
Figura 2.3. Forma de los bytes de datos en el protocolo Microsoft [21].
Para el dispositivo de posición (1) en Figura 2.2 solo será necesaria la utilización
de un eje de movimiento del mouse, por lo que se hicieron modificaciones en la
estructura del mismo para poder ser acoplado a la corredera (2) en el dispositivo
de alimentación por gravedad Figura 2.2. Por este motivo solo se utilizarán los bits
marcados en negrita en el Figura 2.3, los cuales caracterizan el movimiento en el
eje de las X del sensor.
La relación entre el desplazamiento del posicionador y la posición real del cordón
puede ser determinada según la relación trigonométrica:
Ecuación 2.1
Donde „b‟ es la posición en el cordón de soldadura „a‟ es la distancia recorrida por
el posicionador y „α‟ es el ángulo de inclinación del electrodo Figura 2.4.
31
Figura 2.4. Esquema de movimiento del sistema.
2.3. Programa de interface del posicionador
Para el monitoreo de la posición a lo largo del proceso, se utilizará el LabVIEW
como plataforma de desarrollo para el programa que se encargará sensar e
interpretar las señales emitidas por el sensor de posición.
Es importante mencionar que para la adquisición de datos del sensor, es necesario
tener encendida la computadora y luego conectar el mismo al puerto serie, puesto
que de lo contrario el sistema operativo lo reconocería como un mouse, y
bloquearía el acceso al puerto.
Después de conectado el sensor y abierto el puerto serie desde el LabVIEW solo
es necesario leer el puerto cada vez que este mande un dato utilizando el protocolo
anteriormente descrito. Al necesitar un eje de movimiento (eje X) sólo se trabajará
con los dos primeros bytes del paquete de 3 bytes enviados por el sensor Figura
2.3.
Para operar con estos bytes se utilizan funciones lógicas que separan los dos
primeros bits del 1er byte y los une al final del 2 byte, como se muestra en la Figura
2.3, la conversión de este byte resultante de binario a decimal, da como resultado
el valor del incremento de la posición, y la sumatoria de estos es la distancia total
recorrida por el posicionador en pulsos. El siguiente código en C/C++ encontrado
en la literatura [24] se encarga de estas operaciones:
32
void DecodificarMouse(unsigned char *s,int *x,int)
{
*x = (s[0] & 0x03) * 64 + (s[1] & 0x3F);
if (*x > 127)
*x = *x - 256;
}
Este código devuelve como resultado en la variable „x‟ el recorrido del
posicionador, el código fue llevado al LabVIEW quedando como se muestra en la
Figura 2.5.
Figura 2.5. Programa para la utilización del mouse serie como dispositivo de posición.
En la Figura 2.5 se muestra el programa para la obtención de la posición, en el
Anexo 1 se presenta el programa completo, al cual se le han agregado controles
de tiempo para poder sincronizar las señales eléctricas del arco de soldadura con
la posición, determinar la velocidad instantánea de soldadura, guardar las datas en
un fichero y otras cuestiones de uso general, como graficar resultados y botones
de arranque y parada (Figura 2.6).
33
Figura 2.6. Interfaz de usuario del programa de sensado de posición.
2.4. Programa para procesamiento de las señales eléctricas del arco de
soldadura
El programa para el procesamiento de las señales eléctricas del proceso fue
desarrollado a partir de las metodologías y códigos explicados en la literatura [4,
17] los cuales ya fueron validados respecto a propiedades de la unión soldada, la
estabilidad del arco, los índices de consumo y las características del cebado del
arco; pero los mismos no están preparados para la integración de las datas de
posición y su relación con los parámetros eléctricos a través del tiempo de
sensado.
Se decidió utilizar el lenguaje de programaciones Delphi, y su entorno de
programación “Embarcadero Delphi 2010”, ya que este trae facilidades que agilizan
el desarrollo de programas. También fueron utilizados una serie de componentes
de la compañía TmsSoftware, que posibilitan la creación de interfaces de usuario
amigables e incluyen componentes para tablas y gráficos con más posibilidades
que las que vienen en el Delphi originalmente.
34
Figura 2.7. Inicio del programa.
En la Figura 2.7 se muestra la pantalla de inicio del programa, donde se
seleccionan los ficheros de entrada, voltaje, corriente y posición, obtenidos por el
sistema de adquisición aquí presentada. Se seleccionan los parámetros con los
que fueron hechas las pruebas, tipo de corriente de la prueba, corriente alterna
(AC) o corriente directa (DC), el ángulo de inclinación de electrodo con respecto a
la horizontal, y la frecuencia de muestreo con la que se adquirieron las datas.
Figura 2.8. Información general.
35
En la Figura 2.8 se muestra dos paneles para introducir el nombre del análisis, y
comentarios que se quieran realizar sobre el mismo, además de una información
general sobre el proceso.
Los resultados del análisis son mostrados en forma de tablas en diferentes
pestañas en dependencia de su significado. Figuras 2.9, 2.10 y 2.11. Primeramente
una pestaña muestra los todos datos adquiridos por el sistema de monitoreo los
cuales son:
Tiempo
Posición
Velocidad
Voltaje
Corriente
Figura 2.9. Datos obtenidos durante el monitoreo del proceso.
Otra pestaña donde se encuentran los resultados del análisis de los cortocircuitos
que ocurrieron durante el proceso de soldadura, estos resultados son:
Tiempo donde inició cada cortocircuito.
Tiempo de duración de cada cortocircuito.
Tiempo donde terminó cada cortocircuito.
36
Período de ocurrencia de los cortocircuitos.
Figura 2.10. Resultado del análisis de los cortocircuitos durante el proceso
de soldadura.
Luego, se encuentra el análisis de la conductividad (Figura 2.11) en los picos de
reencendido del arco de soldadura, los cuales pueden ser observados también en
forma de tabla.
Figura 2.11. Conductividad durante el reencendido del arco de soldadura.
Los resultados de estos análisis luego podrán ser analizados con programas
estadísticos para evaluar el desempeño y la estabilidad del proceso.
Por último, se muestra en forma de gráficos separados, las señales eléctricas del
arco de soldadura, y la relación de la posición y la velocidad durante el proceso
37
analizado. Estos gráficos permiten el desplazamiento a lo largo de toda la señal
posibilitando ver su comportamiento de forma visual, y obtener los datos en forma
numérica en cada uno de los puntos del mismo. También es posible resaltar en el
gráfico los resultados de los análisis, o sea cortocircuitos y picos de reencendido
para poder localizarlos con facilidad.
Figura 2.12. Gráfico de Corriente y Voltaje contra posición.
Conclusiones del Capítulo
1. El sensor de posición integrado a la instalación experimental junto al
programa de interface del mismo con la computadora permiten tener
localizado el arco de soldadura, durante el proceso, en posición y tiempo.
2. El programa para el procesamiento de las señales obtenidas por el sistema
de adquisición permite el procesamiento y análisis de las señales de voltaje
y corriente del arco de soldadura y su relación con la posición a lo largo del
proceso.
38
CAPÍTULO III. VALIDACIÓN DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA DE
MONITOREO
3.1. Validación del programa de procesamiento de las datas
El programa para el procesamiento de las datas adquiridas por el sistema de
monitoreo fue probado con 6 muestras de 84 000 datos de voltaje y corriente
obtenidos en experimentos hechos con el mismo dispositivo de alimentación por
gravedad pero sin el dispositivo de posicionamiento, utilizando corriente alterna, los
resultados fueron comparados con los resultados arrojados por MATLAB en las
mismas muestras. En las Tablas 3.1 y 3.2 se muestra un resumen de estos
resultados.
Tabla 3.1. Muestra de los 10 primeros valores de duración de los cortocircuitos, en
unidades de conteo de tiempo (0,2 ms)
Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Muestra 4 Muestra 5 Muestra 6
MATLAB
Nuevo
MATLAB
Nuevo
MATLAB
Nuevo
MATLAB
Nuevo
MATLAB
Nuevo
MATLAB
Nuevo
12 12 22 22 16 16 68 68 10 10 42 42
15 15 37 37 26 26 35 35 26 26 44 44
104 104 26 26 26 26 26 26 13 13 19 19
21 21 30 30 28 28 28 28 48 48 27 27
28 28 43 43 11 11 27 27 35 35 18 18
21 21 25 25 12 12 37 37 34 34 62 62
15 15 37 37 21 21 14 14 29 29 56 56
25 25 37 37 20 20 25 25 10 10 19 19
26 26 16 16 31 31 11 11 18 18 17 17
24 24 31 31 13 13 11 11 22 22 29 29
Tabla 3.2. Cantidad de cortocircuitos detectados en cada caso.
MATLAB Nuevo
Muestra 1 279 280
Muestra 2 243 243
Muestra 3 259 259
Muestra 4 287 288
Muestra 5 197 197
Muestra 6 275 275
Como se puede apreciar en las Tablas 3.1 y 3.2, el programa desarrollado arroja
como respuesta iguales resultados que los anteriores hechos para MATLAB. En la
39
Tabla 3.2 se puede apreciar que el programa desarrollado en dos casos (Muestra
1, Muestra 4) se detectó un cortocircuito más el cual fue comprobado revisando
manualmente las datas, con lo que se puede afirmar que el programa desarrollado
cumple con los requerimientos de funcionamiento necesitados.
3.2. Puesta en marcha del sistema
Para la puesta en marcha del sistema se hace necesario hacer pruebas
preliminares de ajuste y calibración tanto del dispositivo de alimentación por
gravedad como el dispositivo sensor de posición, así como los últimos ajustes a los
programas de adquisición de datos.
Se hicieron 3 ensayos preliminares, en los cuales se detectaron errores en el
programa de adquisición de la posición, los que fueron corregidos
convenientemente; mientras que el dispositivo de alimentación por gravedad, se
encontraba en óptimas condiciones realizando cordones de soldadura máxima
calidad en los 3 casos.
Con los dispositivos y programas ajustados se hicieron nuevas pruebas con el
objetivo de determinar si el dispositivo de posición era capaz de detectar defectos
en la trayectoria del arco, para lo cual se hicieron varios cordones sobre defectos
de relieve creados previamente en el metal base. Para estas pruebas, los
obstáculos generados en el metal base fueron lo suficientemente grandes como
para variar la velocidad de soldadura. El Figura 3.1 se muestra los resultados de
estos ensayos.
40
Figura 3.1. Pruebas preliminares de detección de defectos.
Como se puede apreciar en las pruebas realizadas los dos defectos generados en
el paso del arco de soldadura fueron detectados satisfactoriamente por el sensor
de posición los cuales coinciden en forma y posición a lo largo del cordón de
soldadura.
En la Figura 3.1, se puede apreciar las datas que arroja el programa de sensar
posición necesita unos últimos ajustes para sensar el tiempo en fracciones de
segundos y ver una continuidad en trayectoria de posición y no una línea
quebrada, por lo que se modificó el programa para sensar la posición en
milisegundos (ms).
3.3. Calibración manual del sistema
Con todo el sistema ajustado y en óptimas condiciones de trabajo es necesario
hacer nuevas pruebas con el sensor de posición para determinar la relación entre
los conteos resultantes del sensor con la longitud real en mm del cordón de
soldadura.
Para minimizar la cantidad de pruebas de calibración del sensor de posición y por
tanto, los costos de las mismas, se realizaron recorridos con el posicionador
manualmente a una velocidad aproximada a la velocidad real de soldadura, se
hicieron 20 recorridos en longitudes de 15 cm, 25 cm, y 50 cm respectivamente.
Los resultados fueron procesados estadísticamente utilizando el Ms Excel
suministrando los resultados que se muestran en la Tabla 3.3.
41
Mediante la Ecuación 2.1, -Capitulo II-, fue estimada la posición en la horizontal, o
sea, la posición en el cordón de soldadura, utilizando un ángulo de 60º de
inclinación del electrodo con respecto a la horizontal, para estimar la precisión del
posicionador en la posición real en cordón.
Tabla 3.3. Calibración Manual.
Longitud (mm)
Media de pulsos
Relación Longitud/Pulsos
Ángulo de inclinación
del electrodo
Precisión (mm)
150 254,043 0,590 60º 1,7
250 444,956 0,562 60º 3,5
500 886,067 0,564 60º 11,8
3.4. Calibración final del posicionador
Una vez hecha la calibración manual se hace una última calibración al sistema ya
en el proceso de soldadura. Para esto nuevamente se crean defectos en el metal
base a lo largo del cordón de soldadura, solo que esta vez los defectos son hechos
con precisión separados a igual distancia entre ellos Figuras 3.2 y 3.3. Los
defectos son agujeros de 10mm de diámetro de forma tal que el electrodo al pasar
por estos caiga en esos agujeros, y esa caída sea registrada por el posicionador al
igual que la salida de los mismos, luego teniendo las distancias entre los agujeros,
y el ángulo con la horizontal, se puede realizar los últimos ajustes en la calibración
del posicionador, y se podrá notar en el gráfico de posición contra tiempo las
perturbaciones causadas por estos defectos, las cuales también tienen una
significación en las señales eléctricas del arco de la soldadura.
Figura 3.2. Esquema del experimento para la calibración del dispositivo de posición.
Electrodo
35 35
R5
60º
Corriente Directa.
Amperaje: 160 A
42
Figura 3.3. Plancha a soldar, para los experimentos.
En la Tabla 3.4 se muestra un resumen de los resultados obtenidos en las pruebas
realizadas. La relación de los pulsos sensados con la posición real del arco de
soldadura se calculó a partir de la calibración manual anteriormente hecha
tomando como base la relación de posición en 150 mm ya que presentaba un
menor error.
Tabla 3.4. Resumen de los experimentos realizados.
Pruebas Longitud del
cordón sensada (mm)
Duración (s)
Defectos detectados
Prueba 1 121.7 55 1
Prueba 2 129.2 57 2
Prueba 3 135 58 3
Prueba 4 133.2 56 3
Como se muestra en la Tabla 3.4 las pruebas 1 y 2 detectaron todos los orificios en
la placa debido a imprecisión en la alineación de los agujeros en la placa y también
en la alineación de los mismos con el dispositivo, lo cual explica por qué las
longitudes sensadas son menores que en los casos donde se detectaron los 3
orificios ya que cada caída en los orificios trae un aumento en la longitud producto
de la profundidad de los mismos.
En la Figura 3.4 se muestran las curvas de posición contra tiempo de las pruebas 3
y 4, donde se evidencian los defectos detectados, el desfasaje entre los mismos
43
está dado, por el punto de inicio de los cordones y la sincronización entre el
comienzo del proceso de soldadura y el momento de activación el programa de
adquisición de datos, en cada caso.
Figura 3.4. Pruebas realizadas satisfactoriamente.
(a) (b)
Figura 3.5. Cordones de soldadura de las pruebas hechas. (a) Con escoria. (b) Sin escoria.
44
Figura 3.6. Comparación de la señal sensada por el dispositivo contra el cordón de soldadura
real, de la Prueba 3.
La Tabla 3.5 muestra las distancias entre las entradas de cada orificio al igual que
de las de las salidas de los mismos, sensadas por el sistema, la distancia real entre
los mismos es de 35 mm como se muestra en las Figuras 3.2 y 3.3.
Tabla 3.5. Distancia entre los defectos sensados.
Orificios
Prueba 2 Prueba 3 Prueba 4
Posición (mm)
Distancia (mm)
Posición (mm)
Distancia (mm)
Posición (mm)
Distancia (mm)
Entrada
ORIFICIO 1 35.7 29.3 36.5
ORIFICIO 2 70.1 34.4 64.4 35.1 70.5 34.0
ORIFICIO 3 101.3 36.9 106.7 36.2
Salida
ORIFICIO 1 39.9 41.6 47.7
ORIFICIO 2 75.1 35.2 74.8 33.2 81.8 34.1
ORIFICIO 3 111.1 36.3 117.3 35.5
Mediante un análisis estadístico sobre los resultados mostrados en la Tabla 3.5 se
obtiene una media de 35.09 mm entre todas las entradas y salidas con 1.17 mm de
Tiempo (ms)
45
incertidumbre, quedando calibrado finalmente el posicionador, asumiendo una
precisión final de ±1.2 mm cada 35 mm lo cual representa un error de 3,4 %.
3.5. Análisis de los resultados
En la Figura 3.7 se muestra el comportamiento de la velocidad del proceso durante
una de las pruebas efectuadas del sistema de monitoreo y su comparación con la
curva de posición contra tiempo. Este ensayo sirvió para evaluar la estabilidad del
proceso de soldadura.
Como se observa, la gráfica está dividida en 2 zonas. En la Zona 1 se puede
apreciar una gran inestabilidad en la velocidad de soldadura, debido a que el peso
de todo el sistema de sujeción y desplazamiento junto con el peso del electrodo de
soldadura, en el dispositivo de alimentación por gravedad Figura 3.8, y la baja
relación diámetro – longitud del electrodo, hacen que se produzca una pequeña
flexión en el electrodo por falta de rigidez, provocando pequeños saltos en el
desplazamiento horizontal del electrodo afectando la linealidad del movimiento del
mismo, y por tanto aparecen pequeños picos de variación de la velocidad del
proceso en esa zona.
En la Zona 2 al ser el electrodo más corto cambia la relación diámetro – longitud y
por tanto aumenta su rigidez haciendo más estable su desplazamiento lineal y por
consiguiente el proceso gana en estabilidad.
Figura 3.7. Velocidad de soldadura vs Tiempo.
Zona 1 Zona 2
46
Figura 3.8. Esquema de masas en las partes que influyen sobre la rigidez del electrodo.
La inestabilidad en la velocidad de soldadura puede producir distintos defectos en
la unión soldada lo que redunda en la calidad de la producción. Entre los
desperfectos en soldaduras encontramos: la falta de penetración, agrietamientos
en frío, socavaduras o mordeduras de borde, entre otras. Estos actúan sobre la
calidad general de la unión soldada provocando en la mayoría de los casos no
sean aceptados estos cordones y haya que retirar las piezas aumentando el costo
de la producción.
Estos defectos de soldadura pueden explicarse mediante el análisis de la ecuación
de la energía de soldadura, ya que la energía lineal de soldadura se relaciona con
la velocidad en que se produce ésta, -según la ecuación-,
[J/mm] Ecuación 3.1
En la que al aparecer variaciones en la velocidad del proceso, también aparecen
cambios significativos en la energía del proceso y en los parámetros eléctricos del
arco, afectándose la eficiencia del proceso. (Ecuación 3.1)
Donde E es la energía [J/mm], I es la corriente de arco [A], U es el voltaje de arco
[V], η es la eficiencia del proceso y v la velocidad de soldadura [mm/s].
msensor
mcorredera
mtenaza
melectrodo
mcable
47
Por lo tanto, en el análisis hecho del proceso mostrado en la Figura 3.7 se puede
apreciar que la Zona 1, tiene más posibilidades de presentar algunos de los
defectos antes mencionados en correspondencia con la frecuencia de variación de
velocidad de arco en esa zona. La Zona 2 presentó una velocidad de soldadura
más estable, aunque también presenta algunas alteraciones, en donde pudieran
ocurrir alguno de esos defectos.
Conclusiones del Capítulo.
1. El sensor de posición empleado permite localizar la posición del arco de
soldadura con una precisión de ±1.2 mm, adecuada para la localización de
los defectos que puedan aparecer en la unión.
2. El programa para el procesamiento de las señales eléctricas y de posición
quedó validado contra resultados obtenidos experimentalmente a partir del
procesamiento del programa en MATLAB que antecede al presente trabajo,
permitiendo la independencia de estos procesamientos de datos del
MATLAB.
48
CONCLUSIONES GENERALES
1. Los dispositivos y métodos destinados al monitoreo de distintos procesos de
soldadura, en tiempo real, se diferencian, fundamentalmente, en el tipo de
señal que monitorean y por tanto en la información que brindan sobre los
defectos detectados, el nivel de complejidad del equipamiento y sus costos
asociados, lo cual hace que el monitoreo de las señales eléctricas del
proceso sea la solución más factible para los estudios pertinentes en las
condiciones industriales.
2. La instalación implementada permite estudiar y evaluar la estabilidad del
proceso de soldadura con electrodo revestido y tener localizados, en tiempo
real, la posición de posibles defectos en la unión soldada, con un error
aproximado de ±1.2 mm.
3. El programa de procesamiento de los parámetros eléctricos y de posición
desarrollado, permite la evaluación del comportamiento operativo del
electrodo, en tiempo real, a través la comparación entre las magnitudes de
los picos y tiempos de reencendido, los tiempos de duración, el periodo de
ocurrencia de los cortocircuitos y la potencia consumida, respecto a la
posición de ocurrencia de dichos eventos, constituyendo un componente
complementario y fundamental para el sistema de detección de defectos en
la soldadura por arco eléctrico.
49
RECOMENDACIONES
1. Evaluar el comportamiento del dispositivo y método desarrollado en
electrodos de distintas aplicaciones y diámetros, tal que permita reconocer
posibles restricciones de empleo durante el estudio del proceso de
soldadura por gravedad de electrodos recubiertos.
2. Utilizar estos métodos de adquisición y procesamiento con otros sistemas
de soldadura de alimentación automática para calibrar el sistema con
distintos procesos de soldadura y evaluar el desempeño del mismo en cada
caso.
50
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GAS METAL ARC WELDING PROCCES. 2007.
9. SCHLAFLY, M.T., STUDS THRU DECK WELDING, COATED STEELS
2006.
10. J. M. LÓPEZ-HIGUERA, A.C., O. M. CONDE, M. LOMER, F. J. MADRUGA,
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ALLENDE. , SELECTED R&D RESULTS OF PEG-UC AND TRENDS OF
PHOTONICS SENSING TECHNOLOGY. 2006.
11. CHERTOV, A.M. AND R.G. MAEV, DETERMINATION OF RESISTANCE
SPOT WELD QUALITY IN REAL TIME USING REFLECTED ACOUSTIC WAVES.
COMPARISON WITH THROUGH-TRANSMISSION MODE. 2005.
51
12. BY D. KIM, T.K., Y. W. PARK, K. SUNG, M. KANG, C. KIM, C. LEE, AND S.
RHEE, ESTIMATION OF WELD QUALITY IN HIGH-FREQUENCY ELECTRIC
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13. BEBIANO, D.F.V. AND F.D. FRANCO, REAL TIME WELDING DEFECTS
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14. ALFARO, S.C.A., ET AL., IMPLEMENTATION OF A NON-INTRUSIVE AND
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15. PONOMAREV, V., ARC WELDING PROCESS STATISTICAL ANALYSIS.
METHODICAL APPROACHES, ANALYSIS CONCEPTIONS, EXPERIENCES.
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16. ROCA, A.S., NUEVO CRITERIO PARA EL ANÁLISIS DE ESTABILIDAD
DEL PROCESO DE SOLDADURA GMAW, EMPLEANDO TÉCNICAS DE
EMISIÓN ACÚSTICA E INTELIGENCIA ARTIFICIAL, IN FACULTAD INGENIERÍA
MECÁNICA.DEPARTAMENTO DE TECNOLOGÍA DE CONSTRUCCIÓN DE
MAQUINARIA. 2006, UNIVERSIDAD DE ORIENTE: SANTIAGO DE CUBA. P. 105.
17. RODRÍGUEZ, A.G., EVALUACIÓN DE LA ESTABILIDAD ELÉCTRICA
ESPECÍFICA DE ELECTRODOS REVESTIDOS 2010.
18. (2005) SENSORES DIGITALES.
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20. WIKIPEDIA. POTENCIÓMETRO. 2010; AVAILABLE FROM:
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22. WIKIPEDIA. RS-232. 2010; AVAILABLE FROM:
HTTP://EN.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/RS-232.
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HTTP://WWW.LINUXINFOR.COM/SPANISH/MAN4/MOUSE.HTML.
24. BOURKE, P. DECODING DATA FROM THE MICROSOFT SERIAL MOUSE.
2003; AVAILABLE FROM:
HTTP://PAULBOURKE.NET/DATAFORMATS/SERIALMOUSE/.
52
ANEXOS
Anexo 1. Programa completo en LabView de control del posicionador.
Anexo 2. Código en Delphi para detectar cortocircuitos en las señales del arco de
soldadura
procedure EncontrarCortos();
var
i, j, k, dur: Integer;
At, tt, dc, ti, tf, tccc: array of double;
begin
i := 1; j := 0; k := 0;
while i <= dur - 1 do //dur es la cantidad total de muestras
begin
while ((At[i] < 5) AND (At[i] > -5)) do // comprueba si el valor de voltaje
53
begin // está dentro del rango ±5
j := j + 1; // j cuenta la cantidad de valores
i := i + 1; // consecutivos dentro del rango
end;
if (j >= 10) then // si j es mayor que 10 entonces es considerado un corto
begin
dc[k] := j * 0.2; // duración del cortocircuito en ms
ti[k] := (tt[i]) - dc[k]; // tiempo donde se inicio del cortocircuito
tf[k] := ti[k] + dc[k]; // tiempo donde termino el cortocircuito
k := k + 1;
end;
j := 0;
while ((At[i] <= -5) OR (At[i] >= 5)) do
begin
i := i + 1;
end;
end;
i := 0;
for i := 0 to length(ti) do
begin
tccc[i] := ti[i + 1] - ti[i]; //tiempo entre el inicio de cada cortocircuito
end;
end;
Anexo 3. Código en Delphi para el cálculo de la conductividad de los picos de
reencendido en las señales del arco de soldadura en corriente alterna.
procedure ConductividadAC();
var
i, j, m, k, h, u, p, dur: Integer;
At, It, tt, vimaxp, tpmaxp, treencp, vrermsp, irermsp, Bindp: array of double;
rms, pico, tiaprt, ireerms, vreerms: double;
begin
i := 1;
j := 1;
h := 1; k := 1; u := 0;
vreerms := 1;
ireerms := 1;
while j < dur - 1 do
begin
i := i + 1;
j := i + 1;
if (At[i] < 0) AND (At[j] > 0) then //detecta si la señal cruza por 0
begin
m := j;
rms := 0;
while (At[m] > 0) AND (m < length(At)) do //si la señal es positiva y está en aumento es calcula el
rms total del semiciclo hasta que cruce por 0 nuevamente
54
begin
rms := rms + sqr(At[m]);
m := m + 1;
end;
pico := sqrt(2) * sqrt(rms / (m - j)); //pico promedio del voltaje en el reencendido
while At[i] < 5 do
begin
i := i + 1;
j := i + 1;
end;
tiaprt := tt[i] * 0.2;
while At[j] > At[i] do
begin
vreerms := vreerms + sqr(At[j]); //Voltaje RMS
ireerms := ireerms + sqr(It[j]); //Corriente RMS
i := i + 1;
j := i + 1;
k := k + 1;
end;
if At[i] > pico then
begin
vimaxp[h] := At[i]; // Voltaje pico de reencendido en el arreglo
tpmaxp[h] := tt[i] * 0.2; //Tiempo en que ocurre cada de reencendido
h := h + 1;
i := i + 1;
j := i + 1;
while At[j] < At[i] do
begin
vreerms := vreerms + sqr(At[i]);
ireerms := ireerms + sqr(It[i]);
k := k + 1;
i := i + 1;
j := i + 1;
end;
vreerms := vreerms + sqr(At[i]);
ireerms := ireerms + sqr(It[i]);
treencp[u] := (tt[i] * 0.2) - tiaprt;
vrermsp[u] := sqrt(vreerms / k);
irermsp[u] := sqrt(ireerms / k);
Bindp[u] := (irermsp[u] / (vrermsp[u] * treencp[u])) * 1000; // conductividad durante
u := u + 1; //el reencendido del arco
k := 1; //en 1/s*Ohm
vreerms := 0;
ireerms := 0;
end;
end;
end;
end;
55
Anexo 4. Código en Delphi para el cálculo de la conductividad de los picos de
reencendido en las señales del arco de soldadura en corriente directa.
procedure ConductividadDC();
var
i, j, m, k, h, u, p: integer;
Volt, Corr, Time, tt, vimaxp, tpmaxp, treencp, vrermsp, irermsp, Bindp: array of double;
rms, pico, tiaprt, ireerms, vreerms: double;
begin
i := 1;
j := 1;
h := 1;
k := 1;
u := 0;
vreerms := 1;
ireerms := 1;
rms := 0;
for m := 0 to Length(Volt) - 1 do //Cálculo del rms total de la señal
begin
if Volt[m] > 0 then
rms := rms + sqr(Volt[m]);
end;
while j < Length(Volt) - 1 do
begin
i := i + 1;
j := i + 1;
if Volt[i] > 0 then
begin
pico := sqrt(2) * sqrt(rms / (m - j)); //pico promedio del voltaje en el reencendido
while Volt[i] < 5 do
begin
i := i + 1;
j := i + 1;
end;
tiaprt := Time[i];
while Volt[j] > Volt[i] do
begin
vreerms := vreerms + sqr(At[j]); //Voltaje RMS
ireerms := ireerms + sqr(It[j]); //Corriente RMS
i := i + 1;
j := i + 1;
k := k + 1;
end;
if Volt[i] > pico then
begin
SetLength(vimaxp, h + 1);
SetLength(tpmaxp, h + 1);
vimaxp[h] := At[i]; // Voltaje pico de reencendido en el arreglo
56
tpmaxp[h] := tt[i] * 0.2; //Tiempo en que ocurre cada de reencendido
h := h + 1;
i := i + 1;
j := i + 1;
while At[j] < At[i] do
begin
vreerms := vreerms + sqr(At[i]);
ireerms := ireerms + sqr(It[i]);
k := k + 1;
i := i + 1;
j := i + 1;
end;
vreerms := vreerms + sqr(At[i]);
ireerms := ireerms + sqr(It[i]);
treencp[u] := (tt[i] * 0.2) - tiaprt;
vrermsp[u] := sqrt(vreerms / k);
irermsp[u] := sqrt(ireerms / k);
Bindp[u] := (irermsp[u] / (vrermsp[u] * treencp[u])) * 1000; // conductividad durante
u := u + 1; //el reencendido del arco
k := 1; //en 1/s*Ohm
vreerms := 0;
ireerms := 0;
end;
end;
end;
end;
