REAL-TIME MONITORING OF THE ARC WELDING PROCESS USING THERMAL IMAGING. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Thesis) Abdulrahman_Ashour_Thesis_610_232.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 3 June 2025. Download (21MB)

Arabic Abstract

أثناء عمليات اللحام التلقائية، تعتبر أنظمة المراقبة التلقائية جزءًا متكاملاً من العملية على الرغم من الجودة العالية المتوقعة لعملية اللحام. وعادةً ما يتم تحقيق هذا النوع من المراقبة من خلال استخدام أجهزة استشعار لحظي مرتبط مع نظام تقييم مغلق لضبط المعايير المطلوبة للحصول على لحام متسق. ومع ذلك، فإن عمليات اللحام اليدوي ليست مثل العمليات التلقائية من حيث التحكم، حتى مع وجود لحّامين ماهرين، مما يجعلها أكثر عرضة لحدوث عيوب، الشيء الذي يفرض ضرورة تطوير تقنية مراقبة لحظية تعمل بفاعلية على اكتشاف العيوب المحتملة في عملية اللحام اليدوي، وبالتالي تقليل عيوب اللحام. \\ بشكل عام، يهدف هذا النوع من المراقبة إلى تقييم عملية اللحام وإرسال ملاحظات حولها إلى اللحام ليقوم بتعديل معاييرها بما يتناسب. وعادةً ما يتم ذلك من خلال تحليل دقيق للأجزاء الملحومة سابقًا، والأجزاء الملحومة حاليًا، وسرعة اللحام، أو أي معايير أخرى يمكن استخدامها في العملية. في مراجعة الدراسات السابقة، تم مناقشة العديد من أنظمة المراقبة، حيث يتم اختيار استخدام الكاميرات الحرارية أو الأشعة تحت الحمراء، حيث يتم استخدام الصور الحرارية التي يتم التقاطها أثناء عملية اللحام لبناء نموذج معالجة الصور. يقوم النموذج بمعالجة تلك الصور والتي يتم استخدامها كمدخلات بالنظر إلى المعايير والضوابط المعرفة مسبقًا، مما يساهم في اكتشاف مشاكل الجودة المحتملة. تهدف المنهجية المقترحة في البحث إلى استخدام الصور الملتقطة بالأشعة تحت الحمراء لتوفير مراقبة لحظية أو شبه لحظية لعملية اللحام اليدوية باستخدام القوس مما يعزز جودة عملية اللحام اليدوي ويقلل التكلفة المصاحبة لعملية اكتشاف العيوب. يتم تحليل الصور الملتقطة أثناء عملية اللحام اليدوية بالقوس لتقييم محتوى الحرارة حول اللحام الذائب، وتوقع الجودة المتوقعة لوصلة اللحام. بصورة موجزة، باستخدام الضوابط في معيار أرامكو رقم ب8-1ب، تمت دراسة ثلاث حالات أثناء تثبيت التيار الكهربائي عند 85 أمبير. أولًا، تمت دراسة اللحام المثالي (الحالة 1) عند تحريك قوس اللحام بسرعة تتراوح بين 1.25-1.33 مم/ثانية، واللحام السريع (الحالة 2) عندما يتم تحريكه بسرعة تتراوح بين 1.5-1.72 مم/ثانية، واللحام البطيء (الحالة 3) عندما يتم تخفيض سرعته إلى سرعة تتراوح بين 0.79-0.83 مم/ثانية. بعد ذلك، تم تثبيت سرعة قوس اللحام على السرعة المُثلى وفقًا لمعيار أرامكو، وتمّت دراسة اللحام في حالتين: اللحام عالي التيار (الحالة 4) بتيار كهربائي يتراوح بين 95-100 أمبير، واللحام منخفض التيار (الحالة 5) بتيار كهربائي يتراوح بين 75-80 أمبير. لوحظ في الحالتين الثانية والثالثة أن الجهد يتغير مع تغير ارتفاع قوس اللحام، والذي يحصل بسبب تغير السرعة. بينما في الحالتين الرابعة والخامسة، تغير الاختراق بتغير التيار الكهربائي. كما كان متوقعًا، تأثرت قيم محتوى الحرارة المستخرجة من الصور الحرارية بتغير ضوابط العملية. بعد ذلك، تم تحليل وربط المعلومات المستخرجة من اللحام الذائب في كل حالة مع الخواص الميكانيكية المختلفة مثل قوة الشد، والصلابة، والقابلية للطرق. في نهاية البحث، تم التوصل إلى فهم أفضل لحالات اللحام، حيث ظهرت حالة اللحام المثلى عند المحتوى الحراري 78941.44 جول، في حين ظهرت الحالات المتطرفة (سرعة اللحام السريعة والبطيئة، التيار العالي والمنخفض) نتائج بعيدة عن اللحام المثالي بقيم محتوى حراري 79099.80 جول، 120086.52 جول، 102972.34 جول، و70072.46 جول، على التوالي. للتحقق من هذه النتائج، بعد ذلك، أُجريت تحاليل التركيب الجزيئي المجهري لفحص العلاقة بين محتوى الحرارة والمسافة بين أذرع النمو وقد وجد أنه كلما زاد محتوى الحرارة، زادت المسافة بين أذرع النمو. حيث وجد انه في الحالة المثلى كانت معدل المسافة بين اذرع النمو الأولية تساوي 54.30 ميكرو متر، وعند انخفاض المحتوى الحراري كما في الحالتين الثانية والخامسة؛ قلت المسافة بين الاذرع الولية لتصبح 39.56ميكرو متر و 39.9 ميكرو متر. بينما اظهرت الحالتين الرابعة والثالثة ازدياد في المسافة الأولية بين الاذرع لتصبح 60.7 ميكرو متر و 69.69 ميكرو متر على التوالي. و تم تقييم جودة عمليات اللحام باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح، ومطياف التشتت الإشعاعي بالأشعة السينية.

English Abstract

During automatic welding processes, automatic monitoring systems are usually an integrated part of the process despite the expected high-quality welding. Such monitoring is usually accomplished through the use of sensors to read real-time welding parameters integrated with a closed feedback loop system to adjust the parameters required to perform a consistent weld. However, manual welding processes are not as controlled as automatic processes even with skilled welders, and thus more prone to the occurrence of defects this raises the need for the need the development of an effective real-time monitoring technique to detect possible imperfections of the manual welding process and as a result reduce weldment defects. In general, such monitoring aims to provide timely feedback that will be received by the welder in order to modify their welding process parameters. Usually, this is aided through careful analysis of the earlier welded parts, currently welded parts, traveling speed, or any other welding parameter that can be fed into the system. Several monitoring systems are discussed in the literature, where using thermal or infrared cameras is selected. Thermal images that have been taken during the welding process are fed to an image processing model to process those input images and parameters to detect possible quality issues. The proposed work and approaches aim at using IR-thermal imaging to provide real-time or near real-time monitoring of the manual arc welding process towards enhancing the quality of the manual welding process and reducing the cost associated with the defects detecting process. Images captured during the manual arc welding process are analyzed to evaluate the heat content around the weld pool, to predict the expected quality of the weld joint. Arc Welding experiments were conducted using welding process parameters as in Aramco Code, \texttt{WPS no. P8-1B}, the experiments showed that while fixing the recommended electrical current to $85 Amp$ three cases were investigated, optimal welded with a speed between 1.25-1.33 mm/sec, fast welded with a speed between $1.5-1.72$ mm/sec, and slow welded with speed between $0.79-0.83$ $mm/sec$. Then, the welding speed was fixed to the optimal welding speed as per the WPS to study the welding behavior in two cases: high-current welding with a current between $95-100$ $Amp$, and low-current welding with a current in the range $75-80$ $Amp$. It was observed in the second and third cases that the voltage was varying with the change in the arch length due to the change in the welding speed. Whereas in cases four and five, the penetration was varying with the change of the current. As expected, the heat content values as estimated from the thermal images were affected by the changing process parameters. Information extracted around the welding pool from each case was correlated with different mechanical properties, e.g., tensile strength, toughness, and ductility. A better understanding of the optimal weld was obtained at a heat content of 78941.44 J, whereas the non-optimal cases (fast and slow welding speed, high and low current) showed heat contents of 79099.80 J, 120086.52 J, 102972.34 J, and 70072.46 J respectively. To refine these results, microstructural analyses were conducted to examine the relationship between the heat content and the dendrite arm spacing. It was found that as the heat content increased, the dendrite arm spacing also increased, and vice versa. The primary dendrite arm spacing in the optimal case was $54.30\mu m$. However, when the heat content was decreased in cases 02 and 05, the primary arm spacing decreased to 39.56 mu m and 39.90 mu m, respectively. Conversely, when the heat content was increased in cases 03 and 04, the primary arm spacing increased to 60.7 mu m and 69.69 mu m, respectively. The same trend was also observed for the secondary dendrite arm spacing. Furthermore, the quality of weldments was assessed using a Scanning Electron Microscope (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), and X-ray Fluorescence (XRF).

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Abu Dhier, Numan
Committee Members:	Sarhan, Ahmed and Al badour, Fadi
Depositing User:	ABDULRAHMA ASHOUR (g202102910)
Date Deposited:	04 Jun 2024 07:49
Last Modified:	04 Jun 2024 07:49
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142925