Классификация способов сварки — Сварка металлов

Классификация способов сварки

Категория:

Сварка металлов

Классификация способов сварки

Способы сварки можно классифицировать, например, по виду энергии, используемой при сварке, степени механизации процесса сварки, виду свариваемого металла и т. п. Вполне совершенной системы классификации, охватывающей все способы сварки, не существует. Достаточно совершенную систему классификации можно создать, взяв за основу давление, производящее так называемую осадку при сварке. По этому признаку все существующие способы сварки можно разделить на две большие группы: 1) сварка давлением; 2) сварка без давления или сварка плавлением.

Рис. 1. Классификация способов сварки

Первая группа характеризуется применением давления для осадки металла, остальные признаки, в том числе состояние металла не принимаются во внимание.

Во второй группе самопроизвольное (спонтанное) объединение металла соединяемых частей в монолитное целое без приложения давления возможно лишь при жидком состоянии металла, т. е. металл в зоне сварки должен быть обязательно расплавлен.

Приложение давления хотя бы и при наличии расплавления в зоне сварки заставляет отнести способ к группе сварки давлением, как например, при электрической контактной сварке.

К сварке плавлением примыкает пайка, отличающаяся тем, что расплавляется лишь присадочный металл (припой), а основной свариваемый металл остается нерасплавленным, в то время как при сварке частично расплавляется и основной металл.

В предлагаемой классификации, показанной на рис. 1, каждый из методов сварки разделен на несколько способов. Простейшие виды сварки плавлением известны с глубокой древности, например литейная сварка. Современная схема сварки плавлением показана на рис. 2.

К соединяемым деталям в месте сварки подводят сварочное пламя; производят местное расплавление деталей до образования общей сварочной ванны жидкого металла. После удаления сварочного пламени металл ванны быстро охлаждается и затвердевает, в результате детали оказываются соединенными в одно целое. Перемещая пламя по линии сварки, можно получить сварной шов любой длины. Сварочное пламя должно иметь достаточную тепловую мощность и температуру; сварочную ванну нужно образовывать на сравнительно холодном металле: теплопроводность металлов высока и быстро образовать ванну может только очень горячее пламя. Опыт показывает, что для сварки стали толщиной несколько миллиметров температура сварочного пламени должна быть не ниже 2700— 3000 °С. Пламя с меньшей температурой или совсем не образует ванны или образует ее слишком медленно, что дает низкую производительность сварки и делает ее экономически невыгодной. Источники тепла, развивающие столь высокие температуры, появились относительно недавно.

Сварочное пламя расплавляет как металл, так и загрязнения на его поверхности, образующиеся шлаки всплывают на поверхность ванны. Горячее пламя сильно нагревает металл на поверхности значительно выше точки плавления; в результате меняется химический состав металла и его структура после затвердевания; изменяются и механические свойства. Затвердевший металл ванны, так называемый металл сварного шва обычно по своим свойствам отличается от основного металла, незатронутого сваркой. Сварка плавлением отличается значительной универсальностью; современными сварочными источниками нагрева легко могут быть расплавлены почти все металлы, возможно соединение разнородных металлов.

Характерный признак сварки плавлением; выполнение ее за один этап — нагрев сварочным пламенем, в отличие от сварки давлением, где необходимы нагрев и давление.

Автогенная сварка примерно эквивалентна понятию «газовая» или «газоплавильная сварка», отсюда постепенно развился своеобразный технический жаргон с безграмотными выражениями вроде «он варит автогеном», «автогенная резка», и т, п., засоряющими язык. Термин «автогенная сварка» не рекомендуется употреблять в технической литературе.

Рис. 2. Схема сварки плавлением

В процессе сварки давлением собранные детали сдавливают усилием Р (рис. 4). Операция сдавливания называется осадкой, а прилагаемое давление — осадочным давлением. Осадочное давление должно создавать значительную пластическую деформацию в зоне сварки с перемещением выдавливаемого металла вдоль поверхности раздела. Для облегчения осадки и снижения осадочного давления весьма часто применяется подогрев металла, преимущественно в зоне сварки. Подогрев может и отсутствовать, в некоторых случаях возможна сварка давлением холодного металла. Обычно подогрев ведется до температуры так называемого «сварочного жара», под которым подразумевается температура, благоприятная для сварки давлением; для углеродистой стали это 1100—1200 °С. Во всяком случае температура стали должна быть выше точки Ас3 превращения а — у, так как гране-центрированная решетка Y-железа — аустенита благоприятна для сварки давлением, а объемно-центрированная а-железа — феррита неблагоприятна.

При осадке выдавливаемый металл образует утолщение у сварного стыка, в которое уходит металл с поверхностей сварки со всеми загрязнениями, адсорбированными газами, на поверхность выходят свежие, так называемые ювенильные слои металла, которые участвуют в образовании сварного соединения. Нагрев в зоне сварки можно вести не только до сварочного жара, когда металл остается в твердом состоянии, но и до полного расплавления металла поверхностных слоев. При последующей осадке расплавленный металл в разных случаях может выдавливаться наружу или же оставаться в сварном соединении. Сварка давлением не требует особенно высоких температур нагрева и он может проводиться в обычных печах и горнах. При сварке давлением затруднительно удаление загрязнений с поверхности металла, поэтому здесь обычно повышены требования к очистке поверхности металла.

Сравнительно невысокий нагрев металла и затрудненный доступ воздуха в зону сварки позволяют сохранить почти неизменными химический состав и структуру, а следовательно, и механические свойства металла в сварном соединении.

При сварке давлением иногда возможно получить тождественность и металлографическую неотличимость зоны сварки с остальным металлом. Способы сварки давлением также достаточно универсальны, охватывают большинство технически важных металлов, возможно соединение разнородных металлов.

Рис. 3. Схема сварки давлением

Достаточно интересна и в некоторых случаях удобна система классификации, основанная на виде энергии, преимущественно используемой при сварке.

По этому признаку все способы сварки можно разделить на четыре большие группы по преобладающему виду энергии:
1) электрические способы;
2) химические;
3) механические;
4) лучевые (радиационные).

По объему применений и промышленному значению первое место занимает электросварка, использующая электрическую энергию для нагрева металла. В химических способах для нагрева металла используется энергия экзотермических химических реакций, из них наибольшее значение имеют газовая сварка и термитная сварка. В механических способах преобладающее значение имеет механическая энергия; сюда относятся, например, такие способы сварки, как прессовая, кузнечная (горновая), холодная, сварка трением. Сварка лучевая или радиационная обеспечивает высокую чистоту и стерильность процесса, источник энергии может быть расположен весьма далеко от объекта сварки. К лучевым способам относятся такие способы сварки как электроннолучевая, фотонная (световая), гелиосварка (солнечная).

Рис. 4. Энергетическая классификация способов сварки

Для способов, в которых существенное значение имеют два вида энергии, можно образовать промежуточные группы, например электромеханическую для контактной сварки, электрохимическую для дуговой сварки в активном защитном газе, химико-механическую для газопрессовой сварки и т. д. Особого распространения подобная классификация не получила.

Реклама:

Читать далее:

Виды дуговой сварки

Статьи по теме:

Классификация способов сварки

В первой группе весьма важную, доминирующую роль играет давление, прилагаемое к месту сварки, создающее пластическую деформацию и возбуждающее силы сцепления. Нагрев металла при этом играет хотя и важную, но всё же подчинённую роль; в ряде случаев сварка может быть осуществлена и без применения нагрева.

Во второй группе процесс сварки основан на расплавлении металла местным нагревом. Давление к месту сварки не прилагается,   а если иногда и применяется,   то играет второстепенную роль.

Группу способов сварки давлением можно,   в свою очередь,   разделить на три подгруппы,   в зависимости от степени нагрева места сварки. Первая — холодная сварка давлением,   при которой металл в зоне сварки остаётся всё время холодным,   например сварка при нормальной комнатной температуре. Вторая — сварка давлением без оплавления,   при которой металл не доводится до расплавления,   а лишь подогревается до температуры так называемого сварочного жара,   при этом несколько снижаются механическая прочность,   упругие свойства и повышается пластичность. Процесс сварки давлением при этой температуре протекает успешно и даёт хорошие результаты. Понятие сварочный жар выработано практикой и является довольно неопределённым. Вообще говоря,   любой металл или любая пара разнородных металлов при подходящих условиях (достаточном удельном давлении и пр.) могут быть сварены и при комнатной температуре без всякого подогрева.

Переходя от принципиальной возможности сварки к достаточно удобным процессам сварки давлением,   пригодным для промышленного использования,   следует отметить,   что подогрев металла значительно облегчает процесс сварки давлением и в большинстве случаев является практически необходимым. При этом,   чем выше температура подогрева,   тем лучше протекает процесс сварки,   однако повышение температуры ограничивается различными дополнительными соображениями.

Обычно металл нагревают до так называемых сварочных температур,   т. е. температур,   лежащих лишь немного ниже температуры плавления металла. Дальнейшее повышение температуры не допускается,   так как начавшееся плавление металла может нарушить нормальный процесс сварки,   ухудшить структуру металла и т. п. Иногда температура нагрева ограничивается невозможностью дальнейшего её повышения при нагреве в разных горнах,   печах и т. п.

Во многих случаях оказывается целесообразным усилить подогрев металла в зоне сварки до оплавления. При этом расплавленный металл в процессе осадки может полностью выдавливаться наружу из зоны сварки,   и в соприкосновение войдут и будут свариваться слои металла,   нагретые лишь до перехода в пластическое состояние. В этом случае при последующем металлографическом исследовании в сварном соединении литого металла не обнаруживается. Иногда расплавленный металл удаляется из зоны сварки осадкой не полностью или совсем не удаляется,   например при точечной контактной электросварке. В этом случае при металлографическом исследовании сварного соединения обнаруживается литой металл.

Если при подогреве металл доводится до оплавления,   то сварочный процесс называется сваркой давлением с оплавлением.Группа способов сварки плавлением,   в свою очередь,   может быть разделена на две подгруппы: 1) сварка плавлением,   характеризующаяся расплавлением основного металла и 2) пайка,   основная особенность которой заключается в отсутствии плавления основного металла. Соединение осуществляется за счёт расплавления легкоплавкого присадочного металла,   имеющего температуру плавления ниже температуры плавления основного металла. Этот легкоплавкий металл называется припоем,   а сам процесс — пайкой,   которую можно считать разновидностью сварки плавлением. Однако провести резкую границу между собственно сваркой плавлением и пайкой,   в особенности для цветных металлов,   не всегда возможно.

На основании приведённых определений можно дать краткую характеристику процессам сварки давлением и сварки плавлением и отметить их некоторые особенности.

Процесс сварки давлением с нагревом слагается из двух операций:

— нагрева соединяемых частей в зоне сварки соответствующим источником тепла до необходимой температуры,   чтобы на поверхностях соединения была достигнута температура сварочного жара;

— осадки,   состоящей в том,   что к соединяемым частям прилагается давление,   вызывающее значительную   пластическую деформацию нагретого металла,   течение которого вдоль поверхности раздела возбуждает силы сцепления и производит сращивание соединяемых частей в одно целое. Выдавливаемый нагретый металл при этом образует утолщение в зоне сварки.

Выполнение сварки давлением без оплавления не требует особенно высоких температур,   поэтому свариваемые изделия могут нагреваться разнообразными источниками тепла. Металл в зоне сварки не расплавляется,   поэтому его химический состав и структура остаются практически неизменными или меняются сравнительно мало,   вследствие чего в сварном соединении более или менее сохраняются первоначальные механические свойства основного металла. В благоприятных случаях сварка давлением может дать совершенно однородный металл в зоне сварного соединения и место сварки не может быть обнаружено металлографическим исследованием; металл зоны сварки не отличается от основного металла по химическому составу,   структуре и механическим свойствам.

Соединяемые поверхности должны быть тщательно очищены перед сваркой,   так как отсутствие плавления металла затрудняет удаление загрязнений из зоны сварки,   в результате чего в процессе осадки часть загрязнений остаётся в сварном соединении и снижает его механические свойства. Иногда целесообразно применять флюсы,   переводящие тугоплавкие окислы на поверхности свариваемых металлов в легкоплавкие шлаки,   легче удаляемые в жидком виде из зоны сварки в процессе осадки.

Процесс сварки плавлением осуществляется следующим образом. Соединяемые части собираются в нужном положении,   к месту соединения подводится достаточной мощности источник тепла с высокой температурой,   расплавляющий металл обеих соединяемых частей. Расплавленный металл свариваемых деталей самопроизвольно,   без внешних механических воздействий,   сливается в общую сварочную ванну. По удалении источника тепла сварочная ванна,   охлаждаясь,   быстро затвердевает,   а наплавленный металл прочно соединяет обе детали в одно целое. Расплавленный металл сварочной ванны весьма интенсивно отдаёт тепло в массу изделия вследствие высокой теплопроводности металлов,   поэтому для образования сварочной ванны необходимых размеров требуется источник тепла не только достаточной мощности,   но и весьма высокой температуры. Опыт показывает,   что для сварки плавлением таких металлов,   как сталь,   медь,   чугун средних толщин,   источник тепла должен иметь температуру не менее 3000°; при меньших температурах сварка если и возможна,   то даёт посредственные результаты и экономически невыгодна вследствие низкой производительности.

Такие высокие температуры в промышленном масштабе научились получать относительно недавно (около 70 лет назад),   поэтому все виды и разновидности сварки плавлением являются сравнительно новыми.

В расплавленной ванне различные загрязнения,   бывшие на поверхности металла (окислы,   грязь и т. п.),   имеют возможность всплыть на поверхность ванны и перейти в шлак,   поэтому при сварке плавлением требования,   предъявляемые к чистоте поверхности металла,   могут быть меньше,   чем при сварке давлением.

Процесс плавления металла и воздействие на ванну очень высокой температуры источника нагрева вызывают резкое изменение химического состава,   структуры и механических свойств металла сварного шва,   по сравнению с основным металлом. Первоначальные свойства металла сварного соединения,   сохраняющиеся при сварке давлением,   в этом случае не сохраняются. Испаряются и выгорают составные части металла,   поглощаются ванной газы из окружающей атмосферы,   в результате чего затвердевший металл ванны получает совершенно иные состав и структуру. Изменение механических свойств часто проявляется в резком снижении пластичности металла.

Для устранения неблагоприятных последствий плавления металла и воздействия на него высоких температур часто прибегают к улучшению металла шва,     вводя   в   ванну различные присадки.

После открытия способов сварки плавлением в конце прошлого столетия особое внимание техников того времени привлекало то,   что сварка плавлением выполнялась за одну операцию — нагрев; приложения же давления,   т. е. операции осадки,   не требовалось. Привычные старые способы сварки давлением требовали двух отдельных операций — нагрева,   а затем приложения давления в процессе осадки. Основное значение при этом справедливо приписывалось осадке.

Чтобы подчеркнуть главную отличительную особенность сварки плавлением,   её назвали автогенной сваркой. Слово автогенная образовано из греческих корней авто и ген и может быть переведено как самовозникающая. В дальнейшем это слово в разговорной речи стало преимущественно применяться для обозначения лишь одного вида сварки плавлением,   именно газовой сварки,   и отсюда постепенно образовался своеобразный технически безграмотный разговорный жаргон с выражениями вроде «он варит автогеном»,   «автогенная резка» и т. п. Поэтому в настоящее время термин «автогенная сварка» не рекомендуется применять в технической литературе.

Приведённая классификация способов сварки недостаточно удобна для дальнейшего развития и деталировки. Для практических целей гораздо удобнее другая система классификации,   в основу которой положен способ нагрева металла при сварке.   Классификацию по способу нагрева можно сильно детализировать,   охватив все виды и разновидности сварки,   имеющие промышленное значение,   если вместе со способами нагрева при классификации принять во внимание и некоторые другие признаки.

В основу классификации видов сварки по способу нагрева металла положен вид энергии,   используемой для нагрева металла в процессе сварки.

Соответственно этому все виды сварки разбиваются на четыре группы:

химическая — нагрев   производится   за   счёт   химических   реакций:

электрическая — нагрев производится электрической энергией;

механическая — нагрев   производится за   счёт   механической работы,   например работы сил трения;

холодная — нагрева   не производится совсем.

Если в дальнейшем найдут применение другие виды энергии,   например лучистая или световая,   то могут быть соответственно выделены новые группы способов сварки.

В группе химических способов важнейшей будет реакция сжигания твёрдого,   жидкого или газообразного горючего в воздухе или технически чистом кислороде. К группе химических способов может быть отнесена горновая сварка,   когда нагрев места сварки осуществляется в разного рода печах и горнах. Сюда же относится подгруппа многочисленных способов и разновидностей газовой сварки,   где нагрев производится сжиганием горючего газа в особых сварочных горелках. К группе химических способов принадлежит со всеми разновидностями термитная сварка,   при которой источником тепла служит порошкообразная горячая смесь — термит,   состоящая из частиц металла,   например алюминия или магния,   с большой теплотой сгорания и окислов металла с меньшей теплотой сгорания,   например железной окалины.

Использование электрической энергии для нагрева создало весьма обширную и разнообразную группу электрических способов сварки или электросварки,   являющихся наиболее важным видом сварки металлов в современной промышленности.

Электрическая сварка разделяется на две большие подгруппы: 1) дуговая электросварка,   при которой нагрев производится электрическим дуговым разрядом,   и 2) контактная электросварка,   когда нагрев производится джоулевым теплом тока,   протекающего по металлу.

Объём применения и промышленное значение отдельных способов сварки различны. Из химических способов наибольшее практическое значение имеет газовая сварка,   а из видов газовой сварки — ацетилено-кислородная,   применяющаяся почти во всех отраслях промышленности. Горновая или кузнечная сварка,   являющаяся древнейшим способом,   известным с незапамятных времён,   заменяется в настоящее время во многих отраслях промышленности более производительными и совершенными способами сварки. Термитная сварка имеет сравнительно ограниченный круг применения. В нашей практике до недавнего времени этот метод применялся почти исключительно для сварки рельсовых стыков,   преимущественно трамвайных. С появлением нового,   магниевого термита появилась новая,  довольно значительная область применения термитной сварки — соединение стальных проводов линий телеграфной и телефонной связи.

Наиболее важным видом сварки для большинства отраслей промышленности является электрическая дуговая сварка. Этот метод,   основанный на расплавлении металла электрическим дуговым разрядом,   занимает в настоящее время первое место в нашей промышленности по числу действующих установок,   занятых рабочих,   объёму и стоимости выпускаемой продукции. Этот способ в последнее время в значительной степени механизирован и автоматизирован,   всё большее значение начинает получать автоматическая дуговая электросварка. Способ дуговой электросварки весьма универсален и применим к изделиям самых разнообразных форм и размеров,   но особенно выгоден он для изделий крупных размеров. Чем крупнее размеры изделия и больше толщина металла,   тем выше преимущества дуговой электросварки перед другими возможными методами сварки.

Электрическая контактная сварка,   после дуговой и газовой,   по своему промышленному значению является в настоящее время третьим способом сварки,   быстро прогрессирующим и развивающимся. Развитие контактной сварки,   требующей значительных электрических мощностей,   тесно связано с усилением электрификации промышленности и переходом на массовое производство,   так паи этот метод сварки,   по существу,   является наиболее приспособленным к массовому производству однотипных изделий. Процесс контактной сварки значительно механизирован и легко поддаётся полной автоматизации. Характерная особенность контактной сварки заключается в применении сравнительно Сложных специализированных машин,   предназначенных для выполнения определённой операции.

Источник: Группа компаний «САР»

6.1. Классификация способов сварки

 

Электрическую сварку плавлением в зависи­мости от характера источников нагрева и расплавления свариваемых кромок можно разделить на следующие основные виды сварки [13,14]:

1) электрическую дуговую, где источником тепла яв­ляется электрическая дуга;

2) электрошлаковую, где основным источником теплоты является расплавленный шлак, через который протекает электрический ток;

3) электронно-лучевую, при которой нагрев и расплав­ление кромок соединяемых деталей производятся направ­ленным потоком электронов, излучаемых раскаленным катодом;

4) лазерную, при которой нагрев и расплавление кромок соединяемых  деталей происходят направленным сфоку­сированным мощным световым лучом микрочастиц – фотонов.

При электрической дуговой сварке основная часть теп­лоты, необходимой для нагрева и плавления металла, получается за счет дугового разряда, возникающего между свариваемым металлом и электродом. Под действием теплоты дуги кромки свариваемых деталей и торец пла­вящегося электрода расплавляются, образуя сварочную ванну, которая некоторое время находится в расплавлен­ном состоянии. При затвердевании металла образуется сварное соединение. Энергия, необходимая для образова­ния и поддержания дугового разряда, получается от ис­точников питания дуги постоянного или переменного тока.

Классификация дуговой сварки производится в за­висимости от степени механизации процесса сварки, рода тока и полярности, типа дуги, свойств электрода, вида защиты зоны сварки от атмосферного воздуха и др.

По степени механизации различают сварку ручную, полуавтоматическую, автоматическую. Отнесение процес­сов к тому или иному способу зависит от того, как выпол­няются зажигание и поддер­жание определенной длины дуги, манипуляция электро­дом для придания шву нужной формы, перемещение электрода по линии наложения шва и прекращение процесса сварки. При ручной сварке (рис. 36) указанные опера­ции, необходимые для об­разования шва, выполня­ются рабочим-сварщиком вручную без применения механизмов.

 

Рис. 36. Ручная сварка покрытым электродом: 1 – основной металл; 2 – сварочная ванна; 3 – проплавленный металл; 4 – сварочная дуга; 5 – проплавленный металл; 6 – наплавленный металл; 7 – шлаковая корка; 8 – жидкий шлак; 9 – покрытие электрода; 10 – стержень электрода; 11 – электрододержатель; 12 – сварочная цепь; 13 – источник питания.

 

При полуавтоматиче­ской сварке плавящимся электродом меха­низи­руются операции по подаче электродной прово­локи в сварочную зону, а остальные операции про­цесса сварки осуществля­ются сварщиком вручную. При автоматической сварке под флюсом механизируются операции по возбуждению дуги, поддер­жанию определенной длины дуги, перемещению дуги по линии наложения шва.

Автоматическая сварка плавящимся электродом ве­дется сварочной проволокой диаметром 1–6 мм; при этом режим сварки (ток, напряжение, скорость перемещения дуги и др.) более стабилен, что обеспечивает однородность качества шва по его длине, в то же время требуется боль­шая точность в подготовке и сборке деталей под сварку.

По роду тока различают дуги, питаемые постоянным током прямой (минус на электроде) или обратной (плюс на электроде) полярности или переменным током. В зависимости от способов сварки применяют ту или иную по­лярность. Сварка под флюсом и в среде защитных газов обычно производится на обратной полярности.

По типу дуги различают дугу прямого действия (за­висимую дугу) и дугу косвенного действия (независимую дугу). В первом случае дуга горит между электродом и основным металлом, который также является частью сва­рочной цепи, и для сварки используется теплота, выде­ляемая в столбе дуги и на электродах; во втором – дуга горит между двумя электродами. Основной металл не является частью сварочной цепи и расплавляется преиму­щественно за счет теплоотдачи от газов столба дуги.

В этом случае питание дуги осуществляется обычно переменным током, но она имеет незначительное приме­нение из-за малого коэффициента полезного действия дуги (отношение полезно используемой тепловой мощности дуги к полной тепловой мощности).

По свойствам электрода  различают способы сварки плавящимся электродом и неплавящимся (угольный, гра­фитовый или вольфрамовый).

Сварка плавящимся электродом является самым рас­пространенным способом сварки; при этом дуга горит между основным металлом и металлическим стержнем, подаваемым в зону сварки по мере плавления. Этот вид сварки можно производить одним или несколькими элек­тродами. Если два электрода подсоединены к одному полюсу источника питания дуги, то такой метод назы­вают двухэлектродной сваркой, а если больше – много­электродной сваркой пучком электродов.

Если каждый из электродов получает независимое питание – сварку называют двухдуговой (многодуговой сваркой). При дуговой сварке плавлением коэффициент полезного действия дуги достигает 0,7– 0,9.

По условиям наблюдения за процессом горения дуги различают открытую, закрытую и полуоткрытую дугу.

При открытой дуге визуальное наблюдение за про­цессом горения дуги производится через специальные защитные стекла — светофильтры. Открытая дуга при­меняется при многих способах сварки; при ручной сварке металлическим и угольным электродом и сварке в защит­ных газах.

Закрытая дуга располагается полностью в расплав­ленном флюсе–шлаке, основном металле и под гранули­рованным флюсом, и она невидима.

По роду защиты зоны сварки от окружающего воздуха различают следующие способы сварки: баз защиты (го­лым электродом, электродом со стабилизирующим покры­тием), со шлаковой защитой (толстопокрытыми электро­дами, под флюсом), шлакогазовой (толстопокрытыми элек­тродами), газовой защитой (в среде газов) с комбиниро­ванной защитой (газовая среда и покрытие или флюс).

Стабилизирующие покрытия представляют собой ма­териалы, содержащие элементы, легко ионизирующие сва­рочную дугу. Наносятся они тонким слоем на стержни электродов (тонкопокрытые электроды), предназначенных для  ручной  дуговой   сварки.

Защитные покрытия представляют собой механи­ческую смесь различных материалов, предназначенных ограждать расплавленный металл от воздействия воз­духа, стабилизировать горение дуги, легировать и рафинировать металл шва.

Наибольшее примене­ние имеют средне- и тол­стопокрытые электроды, предназначенные для руч­ной дуговой сварки и на­плавки и изготовляемые в специальных цехах или заводах.

Применяются также магнитные покрытия, ко­торые наносятся на прово­локу в процессе сварки за счет электромагнитных сил, возникающих между находящейся под током электродной проволокой и ферромагнитным порош­ком, находящимся в бун­кере, через который про­ходит электродная проволока при полуавтоматической или автоматической сварке.

 

Классификация способов сварки: характеристики

Любой металл можно соединять самыми разнообразными методами. Конечно, самым популярным способом считается сварка. Она позволяет практически из голых заготовок создавать неповторимые конструкции, которые затем служат долгие годы. Классификация способов сварки металлов может быть рассмотрена с самых разнообразных точек зрения.

У любого умельца дома должен быть сварочный аппарат, который служит для соединения деталей различного происхождения.

Немного общей информации

В настоящее время для создания отличного сварного соединения необходимо использовать 1 из 2-х методов – это работа под давлением и связанная с плавлением. Оба эти вида достаточно широко распространены в современном мире.

Сварка плавлением включает в себя электродуговую сварку, лазерную, ванную, электрошлаковую, плазменную и импульсно-дуговую. 2-ая группа является более специфической. Сюда относится сварка контактная, газопрессовая, ультразвуковая, дисперсионная и другие подобные виды. Разумеется, здесь речь пойдет о кратком описании всех типов, которые были упомянуты выше. Начать стоит с самого популярного способа сварки, а именно со сварки плавлением.

Основные виды сварки плавлением

Схема электродуговой сварки.

Классификация способов сварки данной группы выделяет множество различных ее видов и типов. Одним из самых популярных считается электродуговая сварка. Она характеризуется тем, что создается электрическая дуга, которая и плавит металл. Данный метод сварки уже достаточно давно используется для создания конструкций из металла. Здесь можно выделить 3 подвида данного метода, а именно автоматическую, полуавтоматическую и ручную сварку.

Часто можно на стройке наблюдать человека, который стоит со сварочным аппаратом. Чаще всего в его руках именно тот инструмент, который осуществляет электродуговую сварку. Это сегодня самый распространенный метод. Для работы требуется спецодежда. Здесь не обойтись без специальных рукавиц, защищающих кожу от попадания раскаленного металла.

Разумеется, глаза тоже нужно защищать. Для этого используются специальные маски. Сварочные аппараты для электродуговой сварки могут выпускаться самых разных видов и комплектаций. Они в обязательном порядке имеют возможность регулирования этой самой дуги. Чаще всего сварка осуществляется под большим током. Здесь чаще всего применяется ручной регулятор тока, который всегда позволит подобрать дугу оптимальных параметров для того или иного металла.

Импульсно-дуговая сварка характеризуется тем, что ток подается не сплошным потоком, а определенными импульсами в течение какого-то промежутка времени. Сварочные аппараты данного типа чаще всего стоят дороже, чем те, которые используются для электродуговой сварки. Они имеют импульсный источник питания в своем составе, который намного сложнее, чем обычный преобразователь, имеющий внутри трансформатор.

Схема лазерной пайки и сварки.

Лазерная сварка чаще всего используется только в специализированных лабораториях или на крупных промышленных предприятиях. Здесь соединение металлов осуществляется за счет использования фотоэлектронной энергии. Этот пучок подается с помощью специальных устройств, которые носят название лазеры. Они стоят достаточно дорого, поэтому в частных условиях не применяются. На самом деле этот метод считается сегодня одним из самых эффективных и прогрессивных.

Электрошлаковая сварка чаще всего присутствует на крупных предприятиях. Здесь подразумевается, что соединение происходит за счет расплавления основного и вспомогательного материала.

Плазменная сварка используется крайне редко. Оборудование стоит достаточно дорого, поэтому она может применяться только в условиях крупных предприятий. Здесь речь идет о пучке плазмы, которая воздействует струей на основной металл и вспомогательный. Эта струя может разогреваться до 30000°С.

Электроннолучевая сварка в вакууме осуществляется только при создании разреженного воздушного пространства. Нагрев металла осуществляется специальным потоком электронов, который подаются в вакуум с помощью специальной установки.

Термитная сварка достаточно уникальна в своем роде.

Схема термитной сварки.

Она тоже относится к классу плавления. Здесь о процессе стоит поговорить более подробно. Для начала место соединения формуется огнеупорным материалом. Здесь над ним необходимо установить емкость со смесью алюминия и окиси железа. В результате горения этой смеси образуется окись железа, что приводит к появлению жидкого металла. Когда процесс завершается, то стоит подождать некоторое время, пока металл не застынет. В результате получается весьма качественное соединение.

Газовая сварка осуществляется в специальных печах. Здесь производится нагрев основного и присадочного металла. В результате образуется весьма качественное сварное соединение. В этих печах температура может достигать 3200°С. Этого зачастую вполне достаточно, чтобы заставить оба материала плавиться.

Подводя итог всему вышесказанному, можно отметить тот факт, что сварка плавлением позволяет соединять металлы, расплавляя их тем или иным методом.

Вам может быть интересно: Сайт о потолках.

Сварка давлением: характеристики

Схема газопрессовой сварки: 1 — неподвижный захват, 2 — многопламенная горелка, 3 — подвижный захват, 4 — изделие, 5 — пневматический цилиндр.

Контактная сварка используется людьми достаточно часто. Здесь можно говорить о ее точечном, роликовом или стыковом варианте. Сам процесс достаточно прост. У подобного сварочного аппарата чаще всего имеется 2 контакта. При соединении их через металл, тот начинает нагреваться за счет протекающего электрического тока. В результате образуется достаточно прочное соединение. Разумеется, оба контакта через металл в обязательном порядке необходимо прижимать друг к другу, чтобы добиться максимального эффекта.

Газопрессовая сварка очень похожа на ту, которая была описана выше. Здесь тоже соединяются между собой 2 конца. Однако никакой ток через них при этом не протекает. Здесь следует говорить исключительно об использовании горелок. Кстати, метод более экономичный, но используется немного реже, чем первый.

Многие и не слышали о том, что такое ультразвуковая сварка. На самом деле она достаточно широко распространена среди профессионалов. Здесь за счет звуковой волны происходит образование механических колебаний высокой частоты. При этом взаимодействии возникает расплавление металла, то есть нагрев его до пластичного состояния. Он не расплавляется целиком, поэтому может не соединиться со своим собратом, однако, если приложить к этим взаимодействующим веществам дополнительное усилие сжатия, то можно их соединить.

Схема ультразвуковой сварки.

Диффузионная сварка является весьма оригинальным видом, который получил широкое распространение. Она позволяет соединяться 2-м материалам за счет эффекта диффузии, который возникает при их сильном сжатии, то есть прижиме друг к другу.

Сварка трением отличается от других методов тем, что нагрев здесь происходит естественным образом. Температура материалов увеличивается за счет трения их друг о друга. В результате контакта и сжатия формируется достаточно мощное усилие, которое помогает производить сварку.

Так называемая холодная сварка тоже имеет право на существование. Некоторые металлы создают достаточно прочные соединения при высоком давлении. Оно в них вызывает пластическую деформацию.

Индукционная сварка характеризуется тем, что металлы нагреваются до определенной температуры за счет тока высокой частоты, который через них пропускается. Разумеется, так как речь идет о давлении, то материалы затем обязательно нужно сжать.

Настоящее и будущее сварки

Технология ручной дуговой сварки.

Все те из способов сварки, которые были перечислены выше, чаще всего применяются в промышленности или строительстве. Если говорить об этих отраслях более подробно, то в них используются металлы разные металлы. К примеру, в строительстве в основном применяется металлопрокат и различные сплавы металлов. Сегодня здесь в основном используются низкоуглеродистые стали, но они доживают свой век. Возможно, уже совсем скоро им на смену придут низколегированные и высокопрочные стали. Об этом свидетельствует статистика и то, что происходит на рынке в последние годы.

Конечно, самым передовым и прогрессивным способом получения неразъемных соединений в промышленности и строительстве остается сварка. Этот процесс считается наиболее практичным и экономически выгодным. Объемы этого вида соединения металлов растут с каждым днем все выше и выше. Многие ведущие специалисты утверждают, что с ростом механизации и автоматизации сварки будет увеличиваться и ее эффективность. Об этом скажут последние разработки, связанные с изучением ее использования.

Схема точечной сварки.

При проведении строительных и монтажных работ основными остаются электродуговые способы сварки. Непрерывным в этом случае остается только повышение степени механизации сварочных процессов. Ежегодно на рынке появляется все больше самых различных видов электродов. Они становятся более производительными, могут иметь самую разнообразную форму и толщину. Это позволяет эффективно внедрять электродуговую сварку во все отрасли народного хозяйства и промышленности. Не стоит забывать и о том, что современные электроды становятся все менее вредными. Это достигается за счет использования только передовых экологических требований при их выпуске и распространении. Сегодня некоторые модели абсолютно безопасны для человека, производящего с их помощью работы.

В настоящее время становится все более понятно, что именно обыкновенная электродуговая сварка является наиболее эффективным способом получения неразъемных соединений за счет использования электродов в среде углекислого газа. Уровень механизации сварочных работ в данном случае заметно возрастает. Не только электрод может использоваться при электродуговой сварке. Здесь можно говорить и о порошковых проволоках. В настоящее время и их стало выпускаться все больше. Современные технологии приводят к тому, что подобные приспособления стали использоваться непосредственно на строительных площадках.

Не только электродуговая сварка сегодня развивается огромными шагами. Это можно и сказать о других способах. К примеру, контактная сварка в последнее время достаточно часто используется при сборке различных деталей и узлов тех или иных агрегатов.

Классификация видов сварки.

Сегодня применяются огромные значения тока, который пропускается между контактами в момент их соединения через металл. Это приводит к повышению эффективности всего соединения в целом. Оборудование для проведения работ такого рода становится все более совершенным и прогрессивным. Если еще совсем недавно плазменно-дуговая сварка производилась исключительно в специализированных лабораториях, то уже сегодня она выходит на новые просторы. Ее активно внедряют на некоторых крупных металлургических предприятиях.

Дополнительные параметры

Однако не только сами процедуры сварки постепенно прогрессируют. Если сравнивать соединения прошлых лет и современные их виды, то можно обнаружить, что они стали намного более качественными. Это связано не только с механизацией и автоматизацией данного процесса. Стоит также говорить и о постепенном развитии методов контроля соединений данного типа. Сегодня внедряются все более совершенные технологии, которые позволяют вовремя производить контроль швов и препятствовать попаданию брака и его образованию на различных этапах проведения работ.

Термическая обработка сварных соединений продолжает идти в ногу со временем. Она позволяет доводить до ума даже самые застойные проекты и методы сварки. Это отличный вариант увеличения продолжительности срока службы металлических конструкций, которые были получены данным методом соединения.

Таким образом, можно считать, что с развитием сварочной техники, возникает все больше самых разнообразных видов сварки. Сегодня именно этот вид соединения считается наиболее успешным и передовым. Это отличное решение, которое является альтернативой практически любому другому методу соединения конструктивных металлических элементов.

10.1 Классификация способов сварки в защитных газах. Сущность способа сварки неплавящимся электродом

По типу защитных газов различают сварку в инертных газах: Ar, He и их смесях. В смеси активных и инертных газов — Ar+N₂, Ar + CO₂, Ar +H₂, Ar +O₂, Ar +O₂ +CO₂. В активных газах — CO₂, N₂, H₂, H₂O (пары), CO₂ + O₂.

По характеру газовой защиты различают (см. Рис. 10.1):

Иногда отдельно защищают корень шва. При сварке особо ответственных конструкций из специальных сталей и сплавов процесс ведут в камерах с контролируемой атмосферой.

По типу дуги и типу электрода различают сварку постоянным током и импульсной дугой, неплавящимся и плавящимся электродами.

По степени механизации различают ручную (неплавящимся электродом), механизированную, полуавтоматическую, автоматическую и роботизированную сварку.

Сварка в инертных газах легко автоматизируется, удобна для выполнения сварных соединений во всех пространственных положениях и имеет довольно высокую производительность, достигающую, например, при автоматической сварке 200 м/ч.

В основном в качестве инертных газов применяют аргон, гелий и их смеси. Аргон — бесцветный, неядовитый, без запаха газ, который почти в 1,5 раза тяжелее воздуха. В природе присутствует только в свободном виде. В металлах, как в жидком, так и в твердом состояниях аргон нерастворим и не образует химических соединений.

а)		б)
с)		Рис. 10.1. Разновидности газовой защиты дуги и сварочной ванны: а – защита соплом; б – дополнительная защита ванны и шва; с – комбинированное сопло. 1 — неплавящийся вольфрамовый электрод; 2 — сопло сварочной горелки; 3 — дуга в инертном газе; 4 — дополнительная насадка

На рис. 10.2, а показана схема сварки неплавящимся вольфрамовым электродом-катодом 1 в среде инертного газа. Защита дуги 3, сварочной ванны 5 и разогретых участков основного металла 4 осуществляется потоком инертного газа формируемым соплом 2.

а)	б)

Рис. 10.2. Схема сварки неплавящимся электродом в среде инертных газов (а) и фотография дугового разряда с вольфрамовым катодом в аргоне (б). Ток постоянный, полярность прямая

Слева показан вольфрамовый катод с диаметром d_эл, рабочая часть которого имеет конусную заточку (угол ) с притуплением d_пр.

Справа (рис. 10.2, б) показана фотография неподвижной дуги в аргоне на постоянном токе прямой полярности, горящей на медном водоохлаждаемом аноде. Дуга имеет ярко выраженную колокообразную форму.

Лекция № 28

10.2 Неплавящиеся электроды

Неплавящиеся вольфрамовые электроды.Вольфрамовые стержни изготавливаются из вольфрамового порошка (из руды — WO₃, а затем восстановление Н₂ при 500…850^оС или электролиз расплава оксида с бурой при 1050….1300 ^оС).

Порошковый W прессуют, спекают и затем проковывают. Он имеет низкий коэффициент теплопроводности и низкую скорость испарения. Поскольку электрод на основе вольфрама при высоких температурах обладает высокой химической активностью к кислороду, то он применим только в инертной среде.

При сварке на постоянном токе вольфрамовый электрод чаще всего используют как катод (прямая полярность и на аноде-изделии выделяется до 70 % теплоты дуги).

При сварке на обратной полярности электрод-анод обладает низкой термической стойкостью (торец электрода оплавляется с образованием капли). Поэтому сварочные токи снижают до 100…120 А.

Существенный недостаток электродов из технически чистого вольфрама — невысокая стойкость при сварке в длительном режиме работы, поэтому для повышения термической стойкости электрода-катода в W-порошок перед прессованием добавляют оксиды лантана La₂O₃ или иттрия Y₂O₃. Тогда электроды соответственно называют лантанированными или иттрированными.

Наилучшими характеристиками обладают иттрированные электроды ЭВИ-2 и ЭВИ-3 (см. табл. 10.1). Следует иметь в виду, что торированные электроды — радиоактивны.

Существует зависимость между предельной нагрузкой по току /, А, и диаметром электрода с d_эл, мм при сварке на постоянном токе прямой полярности .

Удельный расход вольфрама зависит от способа сварки, рода тока, диаметра электрода, тока и свойств свариваемых материалов. При токах до 500 А удельный расход вольфрама колеблется в зависимости от технологических условий в пределах 10^-8…8 10^-6г/(А с).

Диаметры вольфрамовых прутков стандартизованы (1…12 мм).

Заточка вольфрамового электрода, характеризуемая диаметром притупления d_при углом заточки(рис. 10.2, а), влияет на технологические свойства дуги. При уменьшении диаметра притупления повышается концентрация теплового потока, растут давление дуги и плотность тока.

Таблица 10.1 Допустимая нагрузка по току различных марок электродов

Марка электрода	Допустимая нагрузка, А, при диаметре, мм					Маркировка торцев прутка (цвет)	Содержание активирующей присадки, %
	2	3	4	5	6
ЭВЧ	20	190	380	590	760	—	—
ЭВЛ	90	250	490	720	870	Черный	1,1-1,4 La2O3
ЭВИ-1	—	—	—	900	1200	Синий	1,5-2,3 Y2O3
ЭВИ-2	180	320	610	900	—	Фиолетовый	2,0-3,0 Y2O3
ЭВИ-3	180	320	610	—	—	зеленый	2,5-3,5 Y2O3

Изменение угла заточки приводит к изменению формы и размеров столба дуги и размеров проплавления. На практике используют электроды с заточкой под углом 30…60°.

При меньших углах снижается ресурс работы электрода, а при углах больше 60° возможно неустойчивое горение дуги из-за блуждания катодного пятна на торцевой поверхности. Оптимальную геометрию рабочего конца электрода определяют опытным путем.

Лекция № 29

Методы и технология сварки. Классификация способов сварки

Сварка — это изготовление неразъемных соединений путем нагрева и оплавления кромок соединяемых деталей. Если раньше ему подвергались только металлы, то сегодня этим методом соединяются другие материалы, например, пластмассы.

Можно сказать, что сварное соединение — это то, что получено плавлением или сваркой давлением. Конечно, существует огромное количество методов получения необходимого результата.Например, есть такой элемент, как электрическая дуга, именно с его помощью проводится сварка. Способы сварки очень разные, мы постараемся рассмотреть их все.

Немного истории. Классификация

Ковка металла — это первый процесс сварки. Необходимость ремонта металлических изделий, а также создания более сложных деталей была предпосылкой для развития сварочных процессов. Таким образом, в 1800–1802 годах была открыта электрическая дуга. С ней проводились различные эксперименты.В конце концов, люди научились делать сварные швы с помощью электрической дуги. На территории России активно ведется подготовка квалифицированных сварщиков, постоянно развиваются новые технологии, принципиально разные подходы и т. Д. Ярким примером прекрасной теоретической и практической базы является Институт Баумана.

В настоящее время существует около 150 методов, по которым выполняется сварка. Способы сварки подразделяются на физические, технические и технологические.Итак, по физическим показателям можно выделить три большие группы:

• Тепловая Вид сварки, выполняемой с использованием тепловой энергии. Это включает газовую, дуговую, лазерную и другую сварку.
• Термомеханическая — разновидность сварки, предполагающая использование не только тепловой энергии, но и давления. Это может быть контактное, диффузионное, ковочное соединение и тому подобное.
• Механический вид сварки . В таких случаях используется механическая энергия.Наиболее распространены холодная сварка, взрыв, трение и т. Д.

Для каждого отдельного вида характерны энергозатраты, экологичность и оборудование, которое используется при эксплуатации.

Сварка пламенем

В этом случае основным источником тепла появляется пламя, возникающее в результате сгорания топлива в смеси с кислородом. На сегодняшний день известно более десятка газов, которые можно использовать. Самыми популярными являются ацетилен, LFA, пропан и бутан.Вырабатываемое тепло плавит поверхности вместе с наполнителем.

Оператор регулирует характер пламени. Он может быть окислительным, нейтральным или восстанавливающим, в зависимости от количества кислорода и газа в смеси. В последнее время активно применяется LFA, обеспечивающий не только высокую скорость сварки, но и отличное качество шва. Но при этом необходимо использовать более дорогую проволоку с повышенным содержанием марганца и кремния. На сегодняшний день это наиболее актуальная смесь для газовой сварки, что обусловлено безопасностью и высокой температурой горения в кислороде (2430 градусов Цельсия).

Многое зависит от состава металла, который планируется сваривать. Таким образом, в зависимости от этого параметра выбирается количество присадочных стержней, а с учетом толщины металла выбирается их диаметр. При тщательной предварительной подготовке получается идеальная сварка.

Все способы сварки (газовой) имеют общую черту — плавный нагрев поверхности. Поэтому они подходят для обработки стальных листов толщиной 0,5-5 мм, цветных металлов, а также инструментальной стали и чугуна.

Рассмотрим подробнее некоторые способы газовой сварки. Их довольно много.

Левая, правая и сквозная сварка

При толщине листа не более 5 мм чаще используют левый вид газовой сварки. Соответственно, горелка двигается справа налево, а присадочный стержень оказывается впереди. Пламя исходит от сварного шва и хорошо нагревает заготовку и присадочную проволоку. Техника различается в зависимости от толщины металла. Если лист меньше 8 мм, горелка двигается только по шву.Если более 8 мм, то необходимо параллельно выполнять колебательные движения в поперечном направлении для улучшения качества шва. Преимущество левого метода в том, что оператор хорошо видит рабочую зону и может обеспечить равномерность.

Принципиальное отличие правильной сварки в том, что она более экономична. Причина в том, что пламя конфорки направлено не от шва, а в его сторону. Такой подход позволяет сваривать металлы максимальной толщины с небольшим углом раскрытия кромок.Горелка перемещается слева направо, за ней следует присадочный стержень.

Конечно, если рассматривать способы газовой сварки, то стоит упомянуть сварку через валик. Применяется, когда нужно получить вертикальный стык. Суть в том, что в нижней части стыка делается небольшое сквозное отверстие. При перемещении горелки верхняя часть отверстия плавится, а при введении добавки нижняя часть приваривается. Когда толщина листа слишком велика, работа выполняется с обеих сторон и выполняется двумя операторами.

Способ сварки сантехники

Многие из нас знакомы с арматурой, которая активно применяется в монолитном каркасном строительстве. Применяется в блоках перекрытия, сваях и т. Д. Рассмотрим подробнее особенности такой сварки. Чаще всего его используют для горизонтальных штанг. Суть метода в том, что на стыке сваривается стальная форма. Затем создается ванна из расплавленного металла за счет тепла дуги. Получается, что концы свариваемой арматуры оплавляются и образуют общую ванну.Соответственно при охлаждении образуется полноценное соединение.

Но перед началом сварки в ванне необходимо подготовить стержни. Делается это следующим образом: очищают поверхность, а также торцы, удаляя при этом любые загрязнения, например, ржавчину, окалину и грязь. Для этого подойдет металлическая щетка. Кстати, важно снять арматуру на длину 30 мм в месте сварки. Стержни установлены соосно. При этом зазор не должен превышать полтора диаметра электрода (на торце).

Процесс протекает при больших токах. Например, с электродом 6 мм сварочный аппарат работает при токе 450 ампер. Если речь идет о низких температурах, то ток увеличивают на 10-12%. Кроме того, работа может выполняться одновременно с несколькими электродами. Стоит обратить внимание на то, что этот метод позволяет снизить сложность процесса, стоимость продукта, а также потребление электроэнергии. На сегодняшний день банный способ сварки арматуры является наиболее популярным и надежным.Это связано с низким энергопотреблением и высоким качеством связи.

Сварка давлением (пластик)

Этот вид сварки также называется холодной сваркой. В связи с тем, что во время выполнения соединения не происходит дополнительного нагрева обрабатываемой поверхности. Этот метод основан на пластической деформации металлов при сжатии или скольжении. Работа выполняется при нормальных или отрицательных температурах без диффузии. Этот метод считается одним из старейших.

Для получения качественного шва необходимы специальные устройства, вызывающие деформацию обрабатываемых поверхностей, которые необходимо предварительно очистить.В результате образуется монолитное и достаточно прочное соединение. Есть разные виды и способы сварки (пластик). В настоящее время их три: точечные, шовные и стыковые.

Холодная сварка позволяет комбинировать такие материалы, как медь, свинец, алюминий, кадмий, железо и др. Наиболее предпочтительная сварка пластмасс — это когда необходимо выполнять работы с разнородными материалами, довольно чувствительными к нагреванию.

Конечно, следует отметить, что главное и главное преимущество сварки давлением в том, что для предварительного нагрева поверхности не нужно подключать мощный источник электроэнергии.Кроме того, полученный таким образом шов не только прочный, но и однородный, а также устойчивый к коррозии. Тем не менее, есть недостатки. Делается вывод, что работать можно только с металлами высокой пластичности. Если одни методы сварки труб применимы, другие — нет, и придется использовать плавление. Это касается водопровода и газопровода.

Классификация способов сварки. Продолжение

The

.

Что следует знать о нормах и стандартах сварки

Что следует знать о правилах и стандартах сварки

Что такое сварочные нормы и стандарты, когда они используются и как разрабатываются

Многие аспекты проектирования и изготовления сварных компонентов регулируются документами, известными как нормы и стандарты. Другие названия, используемые для таких документов, включают руководства, рекомендуемые методы, положения, правила и спецификации. Эти документы часто указываются конечным пользователем / покупателем в качестве договорного соглашения, чтобы контролировать характеристики сварного изделия, которые могут повлиять на его требования к обслуживанию.Они также используются производителем для помощи в разработке и внедрении своей системы качества сварки. Многие конечные пользователи сварных компонентов разработали и выпустили спецификации, которые были составлены ими для удовлетворения их конкретных требований. Такие спецификации могут быть ограничены в применении и связаны только с ситуацией и требованиями этого клиента. Национальный интерес в таких областях, как общественная безопасность и надежность, способствовал разработке правил и стандартов в области сварки, которые получили более широкое признание как на национальном, так и на отраслевом уровне.За прошедшие годы в рамках национальных инженерно-технических обществ были созданы многочисленные комитеты, которые продолжают оценивать потребности промышленности и разрабатывать новые правила и стандарты в области сварки. Такие комитеты состоят из членов, которые являются техническими экспертами и представляют все заинтересованные стороны, такие как производители, конечные пользователи, контролирующие органы и государственные учреждения. Состав этих комитетов сбалансирован, чтобы не допустить, чтобы какая-либо группа интересов контролировала комитет.После завершения работы над новым или пересмотренным документом конкретным комитетом он обычно затем рассматривается и утверждается комитетом по обзору и, если он принят, публикуется от имени соответствующего инженерного общества.

Документы, которые оказывают значительное влияние на здоровье и безопасность населения, иногда принимаются законодательными органами или федеральными регулирующими органами. В этих юрисдикциях такие документы становятся законом и часто называются Кодексами или Правилами.

Инспектор по сварке должен знать, какие нормы или стандарты применимы в пределах их юрисдикции, понимать требования соответствующих документов и соответственно проводить их проверки.

Источники кодов и стандартов, представляющих интерес для сварочной промышленности

Ниже приведены некоторые из наиболее популярных источников правил и стандартов сварки в США.

Американское сварочное общество (AWS) — Возможно, крупнейший производитель правил и стандартов сварки в США. AWS публикует множество документов, касающихся использования и контроля качества сварки. Эти документы включают такие общие темы, как определения и символы сварки, классификация присадочных металлов, квалификация и испытания, сварочные процессы, сварочные приложения и безопасность.

Американское общество инженеров-механиков (ASME) — Это общество отвечает за разработку Кодекса по котлам и сосудам под давлением, который состоит из одиннадцати разделов и охватывает проектирование, строительство и проверку котлов и сосудов под давлением. ASME также выпускает Кодекс для трубопроводов высокого давления, который состоит из семи разделов. Каждый раздел устанавливает минимальные требования к конструкции, материалам, изготовлению, монтажу, испытаниям и проверке конкретного типа системы трубопроводов.Оба эти документа являются американскими национальными стандартами.

Американский институт нефти (API) — Этот институт публикует множество документов, относящихся к добыче нефти, некоторые из которых включают требования к сварке. Наиболее известным, вероятно, является API Std 1104 — Стандарт для сварочных трубопроводов и сопутствующих устройств.

Что обычно предусматривают Сварочные нормы и стандарты

Конкретное содержание и требования свода правил сварки или стандарта могут детально различаться, однако в этих типах документов есть ряд элементов, которые являются общими и которые мы рассмотрим.

Объем и общие требования : Он находится в начале документа и важен, поскольку обычно содержит описание типа и объема сварочного производства, для которого этот документ был разработан и предназначен для использования. Он также может предоставлять информацию, касающуюся ограничений на использование документа. Следует проявлять осторожность при использовании кодов и стандартов, применимых для вашего конкретного приложения.

Конструкция : Если в документе есть раздел для проектирования, он может отсылать пользователя к вторичному источнику информации или может содержать минимальные требования к проектированию конкретных сварных соединений.

Квалификация : В этом разделе документа обычно излагаются требования к квалификационным испытаниям спецификаций процедуры сварки (WPS), а также требования к квалификации сварочного персонала. В нем могут быть указаны важные переменные, в том числе ограничения на изменения, которые определяют степень квалификации. Такими переменными обычно являются процесс сварки, тип и толщина основного металла, тип присадочного металла, электрические параметры, конструкция соединения, положение сварки и другие.

В этом разделе документа могут также содержаться требования к квалификационным испытаниям. Обычно это делится на процедуру сварки и требования к испытаниям сварщика. Как правило, в нем будут указаны типы и размеры испытательных образцов, которые будут свариваться и подготовлены к испытаниям, методы испытаний, которые будут использоваться, и минимальные критерии приемки, которые будут использоваться для оценки испытательных образцов.

Производство : Этот раздел, если он включен в документ, обычно предоставляет информацию, связанную с методами производства и / или стандартами качества.Он может содержать информацию и требования к таким элементам, как основные материалы, требования к классификации сварочных материалов, качество защитного газа, требования к термообработке, подготовке основного материала и уходу за ним, а также другие требования к сварке.

Проверка : В этом разделе документа обычно рассматриваются квалификационные требования и обязанности инспектора по сварке, критерии приемки дефектов непрерывности и требования, касающиеся процедур неразрушающего контроля.

Возможности производителя сварки для повышения качества и надежности сварки

С переходом большего числа производственных организаций к внедрению систем менеджмента качества, таких как ISO 9000, и требованием таких систем для управления процессами, мы должны рассматривать сварку как особый процесс и, следовательно, его формальный контроль. Сварочные нормы и стандарты часто используются производителями сварочного оборудования для помощи в разработке своей системы управления технологическим процессом.Если мы рассмотрим основные элементы управления технологическим процессом, определенные такими стандартами для систем качества, мы увидим, что эти же элементы рассматриваются в кодексах или стандартах сварки. Первое требование к контролю процесса — это документированные процедуры, определяющие способ производства. Для сварки это спецификация процедуры сварки (WPS). Второе требование — это критерии качества изготовления, которые должны быть четко сформулированы на практике. Для сварки это могут быть нормы или стандартные критерии приемки.Третье требование — квалификация персонала. Это может быть решено квалификацией сварщика. Независимо от общей системы качества производителя, могут быть возможности, доступные за счет выбора и использования соответствующих правил или стандартов сварки для повышения качества сварки и надежности.

.Технология глубокого обучения

для классификации дефектов сварных швов на основе передаточного обучения и функций активации

Обнаружение дефектов сварных швов с помощью рентгеновских снимков является эффективным методом неразрушающего контроля. Традиционно эта работа основана на квалифицированных людях-экспертах, хотя требует их личного вмешательства для извлечения и классификации неоднородности. Многие подходы были реализованы с использованием машинного обучения (ML) и инструментов обработки изображений для решения этих задач. Хотя обнаружение и классификация были улучшены с учетом проблем низкой контрастности и низкого качества, их результат все еще неудовлетворителен.В отличие от предыдущего исследования, основанного на машинном обучении, в этой статье предлагается новый метод классификации, основанный на сети глубокого обучения. В этой работе оригинальный подход, основанный на использовании предварительно обученной сетевой архитектуры AlexNet, направлен на классификацию недостатков сварных швов и повышение правильности распознавания в нашем наборе данных. Трансферное обучение используется в качестве методологии с предварительно обученной моделью AlexNet. Для приложений глубокого обучения требуется большое количество рентгеновских снимков, но существует несколько наборов данных о дефектах сварки трубопроводов.Для этого мы улучшили наш набор данных, сосредоточив внимание на двух типах дефектов, и расширили его с помощью увеличения данных (случайные преобразования изображений поверх данных, такие как перевод и отражение). Наконец, метод тонкой настройки применяется для классификации сварочных изображений и сравнивается с функциями глубокой сверточной активации (DCFA) и несколькими предварительно обученными моделями DCNN, а именно VGG-16, VGG-19, ResNet50, ResNet101 и GoogLeNet. Основная цель этой работы — изучить возможности AlexNet и другой предварительно обученной архитектуры с трансферным обучением для классификации рентгеновских изображений.Подробно представлена ​​точность, достигаемая с помощью нашей модели. Экспериментальные результаты, полученные на наборе данных о сварных швах с помощью предлагаемой нами модели, подтверждены с помощью базы данных GDXray. Результаты, полученные также в наборе проверочных тестов, сравниваются с другими, предлагаемыми моделями DCNN, которые показывают лучшую производительность за меньшее время. Это можно рассматривать как свидетельство силы предлагаемой нами классификационной модели.

1. Введение

При строительстве водопроводных труб будут проводиться внутренние и внешние сварочные работы для крепления металлических частей.Из-за несовершенства стыков специалист-человек может наблюдать различные типы сварочных дефектов, такие как трещины или пористость, что может привести к ограниченному сроку службы трубопроводов. Следовательно, для обеспечения хорошего качества сварки требуется контроль качества. Поверка трубопроводов должна выполняться без разрушения компонента. Традиционно этот вид контроля осуществляется с помощью ультразвуковых методов. В настоящее время онлайн-неразрушающий контроль (NDT) тестируется с использованием методов промышленного зрения.Это метод тестирования и анализа, используемый в отраслях для оценки того, что требуемые характеристики материала, конструкции или системы выполняются без повреждения исходной детали. В рамках этого предмета сварные швы могут быть проверены с помощью методов неразрушающего контроля, таких как радиография, с использованием излучения, которое проходит через пробирку для обнаружения дефектов. Рентгеновские лучи используются для тонких материалов, а гамма-лучи — для более толстых. Результаты можно сканировать с помощью пленочной рентгенографии, компьютерной радиографии, компьютерной томографии.

В настоящее время эти фильмы оцифрованы для обработки на цифровом компьютере. Поскольку оцифрованные изображения имеют низкое качество и низкую контрастность, проверка дефектов сварных швов может стать сложной задачей. К сожалению, эти качества влияют на интерпретацию и классификацию. Поэтому цифровое компьютерное зрение и машинное обучение были изобретены, чтобы помочь эксперту оценить результаты. Эта классификация представляет собой процесс категоризации, при котором объекты распознаются и понимаются.Безусловно, классификация изображений будет в ближайшие годы, потому что это хорошо известная область компьютерного зрения.

В той же системе координат метод компьютерной диагностики является очень важным исследовательским подходом, который заменяет человека-эксперта в классификации дефектов сварных швов нейтральным, несубъективным и менее дорогостоящим способом. Как правило, предложения такого рода основаны на трех этапах: первый этап предварительной обработки, за которым следует второй этап, основанный на сегментации и извлечении признаков, и последний этап, на котором получается классификация.Как правило, этап извлечения признаков выполняется специалистами-людьми, поэтому это трудоемкий и неточный процесс. Фактически, эта проблема точности связана, во-первых, с разнообразием классов сварочных дефектов [1], как показано на рисунке 1, и, во-вторых, с созданными характеристиками, которые неадекватны для достижения хорошего качества распознавания, чтобы эффективно обнаружить дефект. Следование традиционной схеме приложения машинного обучения (ML) и участие в извлечении признаков и алгоритмы ML хорошо изучены для многих исследований.Однако простота реализации некоторых алгоритмов искусственных нейронных сетей (ИНС) окупается временем классификации и плохой точностью. Но теперь глубокое обучение, в частности, используется для использования огромного набора данных и для выполнения этапа автоматического извлечения признаков, который будет эффективным для разведки недостатков.

В литературе есть исследования моделей глубокого обучения для классификации сварки, особенно моделей сверточной нейронной сети (CNN) [2].Нас побуждают работать с этой новой тенденцией — индустриальным видением. Тем не менее, использование определенной архитектуры глубокого обучения для управления сваркой, чтобы сопоставить команду классификации с конкретными данными, остается проблемой и может быть исследовано с разных сторон. Чтобы преодолеть такое ограничение предыдущих работ и инвестировать в наш набор данных, состоящий из двух основных типов дефектов — отсутствия проникновения и пористости, — применяется предварительно обученная сеть, основанная на известном обучении передаче технологий [3].Наша цель — предварительно обработать подходящую модель сети, чтобы она соответствовала нашему случаю и позволила классифицировать новый набор данных с приличной точностью. Итак, мы применили одну из первых популярных предварительно обученных сетей AlexNet. С одной стороны, в этой работе мы улучшили качество наших нескольких исходных изображений и увеличили их с помощью обрезки и изменения масштаба, сохранив такое же соотношение сторон, чтобы не испортить изображения. Это необходимо для создания новых изображений также с различным количеством дефектов в одном и том же изображении и, наконец, для применения увеличения данных (раздел 4.3) к нашим данным. С другой стороны, нет доступных предварительно обученных сетей, ранее обученных на таких данных, поэтому мы обучили наши радиографические изображения сварки трубопровода с помощью модели и модифицировали гиперпараметры, чтобы они соответствовали нашему случаю. Эта задача улучшается также с технологией трансферного обучения, учитывая доступные ресурсы и короткое время. В этой статье предлагается классификационная сеть AlexNet для сварочных изображений с использованием пяти сверточных слоев (раздел 3.2).

В следующем разделе подробно описаны некоторые исследования по обнаружению и классификации сварки, начиная с традиционных методов и заканчивая новыми моделями, основанными на глубоком обучении; Затем, в первом разделе предлагаемого метода в разделе 3, подробно рассматриваются проблемы обнаружения сварки, в частности в наборе данных, а также подробно исследуются и изучаются факторы, влияющие на производительность сверточной нейронной сети.В разделе 3.2 описывается структура сети; после этого в разделе 4 подробно описаны параметры и подробно описан метод DCFA. В Разделе 5 цитируется результат применения и выводится термин для сравнения с Сетью функций глубокой активации и различными моделями CNN. В конце, Раздел 9 показывает выводы и будущую работу. Таким образом, приложение глубокой сети, которое ранее было обучено с извлеченными активированными функциями на огромном фиксированном количестве задач классификации набора данных, оценивается и сравнивается с трансферным обучением.Эффективность зависимости от разных уровней сети определяется фиксированной функцией и дает новые результаты, которые были превышены в различных представлениях с серьезными проблемами. Экспериментальные результаты на изображениях показывают, что представленные методы обладают эффективной точностью классификации, а переносное обучение улучшает существующие методы компьютерной диагностики, обеспечивая при этом более высокую точность.

2. Сопутствующие работы

Обнаружение дефектов на промышленных рентгеновских изображениях сварных швов является важной областью исследований в области неразрушающего контроля (NDT) [4].Как правило, такое предложение основано на трех этапах: первый этап предварительной обработки, за которым следует второй этап, основанный на сегментации и извлечении признаков, и последний этап, на котором получается классификация. Поэтому с этой целью было проделано множество работ. Тонг и др. [5] применил метод сегментации дефектов сварного шва, основанный на морфологическом и пороговом аспектах. Система обнаружения дефектов [6] была предусмотрена для классификации оцифрованных сварочных изображений на основе традиционных процессов: сегментации, выделения признаков и классификации.Эти предыдущие подходы являются стандартными процедурами извлечения признаков. В [7] искусственная нейронная сеть (ИНС) реализована для классификации на основе географических особенностей набора данных неоднородности сварки. В другой работе [8] ИНС сравнивали для линейной и нелинейной классификации. Кроме того, Кумар и др. [9] описал метод классификации дефектов, основанный на извлечении текстурных признаков, для обучения нейронной сети, где достигается точность более 86%.

Проверка дефектов сварных швов, основанная на таких подходах, по-прежнему является полуавтоматической и может зависеть от нескольких факторов из-за потребности в экспертных знаниях, особенно для этапов сегментации и выделения признаков.Но теперь глубокое обучение используется с этапом автоматического извлечения признаков для разведки недостатков. Кроме того, глубинные модели были проверены, чтобы быть более точными для многих типов обнаружения и классификации объектов [10]. Сверточная нейронная сеть (CNN) (как показано в разделе 3.2) — это известный алгоритм глубокого обучения. Во-первых, он позволяет осуществлять процесс обнаружения объектов за счет сокращения проектных усилий, связанных с извлечением признаков. Во-вторых, он обеспечивает замечательную производительность в сложных задачах визуального распознавания и эквивалентную или лучшую производительность и точность по сравнению с человеком [11], таких как классификация, обнаружение и отслеживание объектов.В [10] три архитектуры CNN применяются и сравниваются для двух разных наборов данных: CIFAR-10 и MNIST. Наиболее приемлемым результатом сравнения трех архитектур является тот, который был сформирован с помощью CNN в наборе данных CIFAR-10. Достигнутая оценка точности составила более 38%, но у этих сетей были ограничения, связанные с качеством изображения, сложностью сцены и вычислительными затратами. Кроме того, авторы [12] применили модель адаптации признаков для распознавания дефектов литья. Оценка точности обнаружения была низкой.В [13] предлагается новая модель глубокой сети для улучшения структуры фрагментов путем выделения входных данных сверточных слоев в CNN. Результаты ошибок теста комбинации увеличения данных и техники исключения дают наивысший балл. Применение мультислоев и их комбинаций привело к некоторым ограничениям, особенно в сравнении слоев и снижении их производительности.

CNN-модель используется для обнаружения и классификации сварных швов. В [14] разработан процесс автоматической классификации дефектов для классификации изображений инертного газа вольфрама (TIG), полученных с помощью спектральной камеры.Точность работы составила 93,4%. Дальнейшие исследования продолжаются на выявление дефектов сварки трубопроводов. Например, в [15] для классификации предлагается глубокая сетевая модель, хотя эта работа не позволяет классифицировать различные типы дефектов сварных швов. Лео и др. [16] обучил предварительно обученную сеть VGG16 для областей дефекта сварного шва, вырезанных вручную, а не для всего изображения. Аналогичная тема предлагается в [17]. Wang et al. предложила предварительно обученную сеть на основе процедуры глубокого обучения RetinaNet для обнаружения различных типов дефектов сварки в радиографическом наборе данных.Другой фундаментальный раздел компьютерного зрения называется обнаружением объектов. Средняя разница между этой частью и классификацией заключается в дизайне ограничивающей рамки вокруг интересующего объекта, чтобы разместить его на изображении. В зависимости от каждого случая обнаружения на каждом изображении присутствует определенное количество объектов. Таким образом, эти объекты могут быть расположены в различных пространственных точках изображения. Таким образом, выбор различных областей интереса применяется для классификации присутствия объекта в этих регионах на основе сети CNN.Такой подход может привести к взрыву, особенно если регионов много. Поэтому для исправления этих недостатков исследуются такие методы обнаружения объектов, как R-CNN, Fast R-CNN, Faster R-CNN и YOLO [47–51]. Были применены различные разработанные методы обнаружения объектов на основе архитектуры региональной сверточной нейронной сети (R-CNN) [47], в том числе Fast R-CNN, который взаимно оптимизирует работу регрессии ограничивающего прямоугольника [48], Faster R-CNN, который добавляет сеть предложений регионов. для поиска и выбора регионов [49], и YOLO, который выполняет обнаружение объектов с помощью регрессии с фиксированной сеткой [50].Все они демонстрируют разную степень улучшения характеристик обнаружения по сравнению с основной R-CNN и делают более возможным точное обнаружение объектов в реальном времени. Автор в [48] представил потерю многозадачности в регрессии и классификации ограничивающего прямоугольника и предложил новую архитектуру CNN, названную Fast R-CNN. Итак, обычно изображение обрабатывается сверточными слоями для создания карт характеристик. Таким образом, вектор признаков фиксированной длины извлекается из каждого предложения региона с групповым слоем области интереса (RoI).Затем каждый характеристический вектор вводится в последовательность уровней FC, прежде чем окончательно разветвляться на два родственных выхода. Выходной слой отвечает за создание вероятностей softmax для категорий, а другой выходной слой кодирует уточненные позиции ограничивающего прямоугольника с четырьмя действительными числами. Чтобы решить проблему нехватки предыдущей модели R-CNNN, Ren et al. представила дополнительную сеть региональных предложений (RPN) [49], которая действует практически бесплатно, разделяя сверточные функции полного изображения с сетью обнаружения.RPN выполняется с помощью полностью сверточной сети, которая может прогнозировать пределы и количество объектов в каждой одновременной позиции. Redmon et al. [50] предложили новую структуру под названием YOLO, которая использует всю карту высших сущностей для прогнозирования как достоверности для нескольких категорий, так и ограничивающих рамок. Еще одна тема исследования, основанная на Single Shot MultiBox Detector (SSD) [51], которая была вдохновлена ​​якорями, адаптировала RPN [49] и многомасштабное представление. Вместо фиксированных сеток, принятых в YOLO, SSD использует набор якорных блоков по умолчанию с различными пропорциями и масштабами для дискретизации выходного пространства ограничивающих прямоугольников.Для управления объектами разного размера сеть объединяет прогнозы различных карточек функций с разным разрешением. Эти подходы имеют много общего, но последний разработан для того, чтобы отдавать приоритет скорости оценки и точности. Сравнение различных сетей обнаружения объектов приведено в [52]. Действительно, несколько многообещающих инструкций рассматриваются в качестве руководства для будущей работы по обнаружению объектов при сварке дефектов на основе систем обучения на основе нейронных сетей.

Исследование основных принципов CNN, связанных с сериями тестов, позволило сделать вывод о полезности этого метода (трансферное обучение), распознать шаги, предпринятые для адаптации к сети, и продвинуть ее интеграцию в области сварки.Наша цель — классификация дефектов на рентгеновских изображениях; в предыдущей работе [18] мы следовали этапам предварительной обработки, извлечения рентабельности инвестиций и сегментации. Теперь мы можем уйти от этих последних шагов и перейти непосредственно к классификации с предварительно обученной CNN для классификации дефектов.

3. Предлагаемый метод классификации дефектов сварных швов

3.1. Постановка проблемы

Система сбора данных, которая генерирует рентгеновские изображения, является нашим исходным набором данных, который показан на Рисунке 1.Для него характерно низкое качество, неравномерное освещение и низкая контрастность. Кроме того, наш набор данных невелик, но с изображениями с большими размерами между и пикселями, и каждое изображение имеет один или несколько дефектов сварного шва с разными размерами и количеством. Ввиду этого обнаружение дефектов сварных швов — сложная и трудоемкая задача. В задаче классификации часто используются методы извлечения признаков, которые доказали свою эффективность для различных задач распознавания объектов. Действительно, глубокое обучение сокращает этот этап за счет автоматизации обучения и извлечения функций с помощью конкретной архитектуры сети.Основные проблемы, ограничивающие использование методов глубокого обучения, — это доступность вычислительных мощностей и обучающих данных (см. Раздел 4). Обучение сквозной сверточной сети на таком оборудовании обычного потребительского портативного компьютера и с учетом размера набора данных потребует чрезвычайно много времени. В этой работе у нас был доступ к высокопроизводительному графическому процессору, применяемому для поиска. Более того, сверточным сетям требуется большое количество обучающих данных среднего размера. Поскольку сбор и запись достаточно большого набора данных требует напряженной работы, все работы в этой теме были сосредоточены на готовом наборе данных.Это проблема, потому что у нас есть несколько доступных наборов данных радиографических изображений сварки трубопроводов, которые были предварительно обучены, и наши данные характеризовались очень плохим качеством и другим типом, в отличие от общедоступного набора данных из набора данных GDXray [19]. По тем же причинам мы попытались сгенерировать больше данных из имеющихся у нас исходных данных сварочных изображений, представленных на рисунке 1. Чтобы не повредить изображение, мы кадрировали и масштабировали его, сохраняя при этом то же соотношение сторон (раздел 5.1).Кроме того, серьезной проблемой является переоснащение, вызванное небольшим размером набора данных; Поэтому мы будем применять другие эффективные методы для предотвращения этой проблемы, добавляя примеры обучающей разметки с алгоритмом увеличения и исключения данных, описанным в разделе 4.3. Общие шаги предлагаемого нами метода подробно описаны, иллюстрируя процесс настройки на следующем рисунке (Рисунок 2).

3.2. Обзор структуры CNN и подробной сетевой архитектуры

Линейные и нелинейные процессы были задействованы в сверточной нейронной модели, которая представляет собой набор перекрывающихся слоев.Они приобретаются совместно [2]. Блоки структуры заголовка CNN состоят из сверточного слоя, кластерного слоя и уровня выпрямленных линейных единиц (ReLU), связанных с полностью связанным слоем и нижним слоем с потерями. Есть выдающиеся результаты для многих приложений, таких как визуальные задачи [20]; Также хорошо изучены все области обнаружения дефектов сварных швов [15–18, 30]. AlexNet [21] — это разработанная CNN [20] для ImageNet 2012 и задачи крупномасштабного визуального распознавания (ILSVRC-2012). Его архитектура следующая: максимальный уровень объединения выполняется в пятом и двух сверточных слоях.Для каждой свертки складывается нелинейный слой ReLU, и нормализация складывается как для первого, так и для второго слоя. Кроме того, слой softmax и функция потерь «кросс-энтропии» складываются после двух полностью соединенных слоев. С помощью этой сети обучается более 1,2 миллиона изображений в 1000 классах. В этой части представлена ​​архитектура AlexNet. Согласно рисунку 3, сверточные слои показаны синим цветом; Максимальные слои объединения имеют структуру зеленого цвета, а белые слои представляют нормализацию.Полностью связанный слой представлен как последний прямоугольник в верхнем правом углу сводной структуры. Выходом этой упомянутой сети является одномерный вектор как функция вероятности с количеством элементов, которые должны быть классифицированы, что в данном случае соответствует двум классам. Он указывает степень обучения и классификации входных изображений для каждого типа класса.

AlexNet — одна из предварительно обученных систем глубокого обучения на основе CNN с определенной архитектурой.Пять сверточных слоев составляют сеть с размерами ядра,,, и пикселей: Conv1, Conv2, Conv3, Conv4 и Conv5 соответственно. Принимая во внимание специфику дефектов сварных швов, такую ​​как размеры изображений в наборе данных, разрешение, относящееся к первому сверточному слою, составляет. Заявлено 96 ядер с шагом 4 пикселя и размером. Ряд из 256 ядер с шагом 1 пиксель и размером размера укладываются во второй сверточный слой и фильтруются из выходных данных объединения первого сверточного слоя.Выходные данные предыдущего слоя соединяются с остальными сверточными слоями с шагом 1 пиксель для каждого сверточного слоя с размером ядер 384, 384 и 256 и без группирования в пул. Следующий слой складывается из 4096 нейронов для каждого из полностью связанных слоев и максимального уровня объединения [22] (раздел 4.2). В конце концов, вывод последнего полностью подключенного слоя получает питание от softmax, который генерирует две метки классов, как показано на рисунке 3. В этой архитектуре максимальный слой объединения складывается с размером 32 пикселя и шагом 2 пикселя только после начальный и пятый сверточные слои.Применение функции активации «Нелинейность ReLU» для каждого полностью связанного слоя улучшает скорость сходимости по сравнению с функциями активации сигмоида и Tanh. Полные требования к сети и основные параметры проекта CNN представлены в таблице 1 и подробно описаны в третьем разделе.

1 Данные Ввод изображения изображений с нормализацией нулевого центра 2 Conv1 Свертка 96 сверток с шагом [4, 4] и padding [0, 0, 0, 0] 3 Relu1 ReLU ReLU 4 Norm1 Нормализация перекрестных каналов Нормализация перекрестных каналов с 5 каналами на элемент 5 Pool1 Максимальное объединение максимальное объединение с шагом [2, 2] и отступом [0, 0, 0, 0] 6 Conv2 Свертка 256 4 свертки с шагом [ 1, 1] и заполнение [2, 2, 2, 2] 7 Relu2 ReLU ReLU 8 Norm2 Поперечная нормализация Поперечная нормализация с 5 каналами на элемент 9 Pool2 Максимальное объединение максимальное объединение с шагом [2, 2] и заполнением [0, 0, 0, 0] 10 Conv3 Свертка 348 сверток с шагом [1, 1] и отступом [1, 1, 1, 1] 11 Relu3 ReLU ReLU 12 Con4 Convolution 348 сверток с шагом [1, 1] и отступом [1, 1, 1, 1] 13 Relu4 ReLU ReLU 14 Con5 Свертка 256 сверток с шагом [1, 1] и отступом [1, 1, 1, 1] 15 Relu5 ReLU ReLU 16 Pool5 9005 1 Максимальное объединение максимальное объединение с шагом [2, 2] и отступом [0, 0, 0, 0] 17 FC6 Полностью подключено 4096 полностью связанных слоев 18 Relu6 ReLU ReLU 19 Drop6 Dropout Выпадение 50% 20 FC7 Полностью подключено 4096 полностью связанных слоев 21 Relu7 ReLU ReLU 22 Drop7 Выпадение 50% выпадение 23 FC8 Полностью подключено 2 полносвязных слоя 24 Prob Softmax Softmax 25 Выходные данные Выходные данные классификации Перекрестная энтропия

3.3. Предварительное обучение и тонкая настройка обучения

Трансферное обучение Технология компьютерного зрения [3] — это распространенный способ, поскольку он позволяет нам быстро настраивать точные модели. Для новой модели обучения рекомендуется значительный объем помеченных данных с большой мощностью обработки. Итак, мы избегаем начинать с нуля, пользуясь преимуществами предыдущего обучения. При трансферном обучении, когда процесс связан с различными проблемами, мы переходим к выполненным формам для решения другой проблемы. Обычно это выражается с использованием большого набора справочных данных предварительно обученной модели для решения задачи, подобной изученному случаю.Многие исследования показали возможность и эффективность решения новых задач с использованием предварительно сформированной модели с различными типами наборов данных [23]. Они сообщили, как функциональность этого уровня может быть перенесена из одного приложения в другое. Таким образом, улучшение обобщения достигается за счет инициализации переданных функций любого уровня сети после тонкой настройки для нового приложения. В нашем случае точная настройка [24] соответствующего набора сварочных данных выполняется с весами AlexNet.Все слои инициализируются, только последний слой соответствует количеству категорий меток данных дефектов сварного шва. Функция потерь вычисляется классом метки, вычисленным для нашей новой учебной задачи. Небольшая скорость обучения 10–3 применяется для улучшения веса сверточных слоев. Как и в случае полностью связанных слоев, веса инициализируются случайным образом, и скорость обучения для этих уровней одинакова. Кроме того, для обновления сетевых весов нашего набора данных мы использовали алгоритм стохастического градиентного спуска (SGD) с размером мини-пакета из 16 примеров и импульсом 0.9. Сеть обучается примерно за 80 итераций и 10 эпох, что заняло 1 минуту на GPU GeForce RTX 2080.

4. Настройка параметров и описание DCFA

4.1. Нормализация

Применение нормализации в нашей CNN помогает получить некую схему запрета. Уровень нормализации локального отклика между каналами выполняет нормализацию канала и, как правило, следует за уровнем активации ReLU. Этот процесс заменяет каждый элемент управляемым значением, и это достигается путем выбора элементов определенных соседних каналов.Итак, обучающая сеть оценивает с помощью следующего уравнения нормализованное значение x ^′ для каждого компонента:

.