Материал: Управление электронно-лучевой сваркой

УДК 621.791.72 ББК 30.61

У 66

Рецензент доктор технических наук, профессор В. И. Пантелеев

Печатается при содействии Красноярского краевого фонда науки

Управление электронно-лучевой сваркой / В. Д. Лаптенок,

У66 А. В. Мурыгин, Ю. Н. Серегин, В. Я. Браверман; Под ред.

В.Д. Лаптенка. - Красноярск: САА, 2000.234 с.

ISBN 5-86433-121-Х

В монографии систематизированы сведения о принципах контроля информации и системах управления процессом электронно-лучевой сварки (ЭЛС). Изложены физические основы ЭЛС, принципы позиционирования электронного пучка по стыку свариваемого соединения, контроля плотно­ сти распределения электронного пучка, управления глубиной проплавле­ ния. Проведен анализ помехозащищенности устройств управления ЭЛС, из­ ложены вопросы их технической реализации с использованием микропро­ цессорной техники и микроЭВМ.

Работа предназначена для инженеров, студентов и научных работ­ ников, специализирующихся в области технологии и оборудования свароч­ ного производства.

Предисловие

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) получила широкое распро­ странение в различных отраслях машиностроения. ЭЛС относится к методам сварки высококонцентрированными источниками энергии, позволяет соединять за один проход металлы и сплавы толщиной от 0,1 до 400 мм и более и обладает широкими технологическими возможно­ стями. Малый объем литого металла и кратковременность теплового воздействия при ЭЛС обеспечивает незначительные термические де­ формации соединяемых деталей. Большие технологические возможно­ сти ЭЛС достигаются за счет гибкого управления процессом. К таким возможностям относятся реализуемость импульсного режима сварки, возможность перемещать пучок по поверхности свариваемого изделия с помощью быстродействующей отклоняющей системы по любому сложному контуру. При этом многие сварочные задачи могут решаться без перемещения пушки или обрабатываемого изделия и сравнительно легко программироваться. Технологические возможности ЭЛС значи­ тельно расширяются по мере совершенствования средств управления процессом. Установки для ЭЛС как объект автоматизации представля­ ют собой сложный комплекс, в который входят электромеханические манипуляторы, вакуумное оборудование и мощное энергетическое оборудование. Высокая скорость сварки (до 25 мм/с), ограниченные возможности визуального наблюдения создают большие трудности оператору в управлении процессом сварки. Поэтому стремление к мак­ симальной автоматизации процесса ЭЛС вполне закономерно. В на­ стоящее время развитие средств автоматического управления процес­ сом ЭЛС осуществляется как по пути совершенствования локальных регуляторов, используемых для стабилизации и управления отдельных параметров процесса, так и по пути создания комплексных систем управления, осуществляющих взаимосвязанное регулирование пара­ метров процесса с целью формирования качественного сварного со­ единения. Комплексный подход реализуется с использованием микро­ процессорной техники и микроЭВМ и накладывает определенные тре­ бования на локальные системы. Эти системы развиваются по пути рас­ ширения функциональных возможностей, повышения точности и на­ дежности функционирования, воспроизводимости характеристик, осу­ ществления контроля достоверности информации и работоспособности в условиях действия помех, самодиагностики. Они должны предусмат­ ривать возможность подключения к комплексным системам управле­ ния, АСУ, ГПС. Последние достижения по использованию явлений вторично-электронной эмиссии и рентгеновского излучения, сопутст­

вующих электронно-лучевому процессу, позволили создать качествен­ но новые устройства контроля и управления. Исследованию и созда­ нию таких систем управления посвящена настоящая работа.

В книге приведены результаты исследований, проведенные в ос­ новном авторами. Для обобщений и сравнения использовались опубли­ кованные ранее материалы.

В. Д. Лаптенком написаны: глава 1; совместно с В. Я. Браверманом - главы 2 и 7; совместно с А. В. Мурыгиным - главы 3-5, 7; со­ вместно с Ю. Н. Серегиным - главы 6 и 7.

Глава 1

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ

1.1. Физические основы электронно-лучевой сварки

При ЭЛС для нагрева и расплавления металла используется энергия, получаемая в результате бомбардировки свариваемого изделия ускоренными электронами, сформированными в узкий пучок. При попадании на поверхность свариваемых деталей электроны тормозятся и их кинетическая энергия, равная Е = U /, где U - ускоряющее на­ пряжение; / - ток пучка, преобразуется в тепловую, вследствие чего образуется сварочная ванна.

При воздействии пучка электронов сравнительно невысокой плотности мощности (до 1 108 Вт/м2) процесс ЭЛС подобен процессу обычной электродуговой сварки. Поверхность сварочной ванны при этом мало деформируется и гидравлические процессы в объеме жидко­ го металла проявляются относительно слабо. Проплавление в этом случае существенно ограничено по глубине.

При повышении плотности мощности до 109...Ю 10 Вт/м2 разви­ вается интенсивное испарение металла, поверхность ванны прогибает­ ся, и в жидком металле формируется парогазовый канал на всю глуби­ ну проплавления. Образование канала обусловлено давлением отдачи частично испаряемого металла и чем выше плотность мощности пучка, сильнее нагрев поверхности сварочной ванны, тем эффективнее пере­ дается энергия пучка электронов по всей толщине свариваемого метал­ ла. Достижение высокой плотности мощности пучка - необходимое условие для осуществления процесса ЭЛС толстолистовых металлов.

Формирование мощного электронного пучка осуществляется сварочной электронной пушкой с соответствующим источником высо­ ковольтного питания и системами управления (рис. 1.1) [166]. Свароч­ ная электронная пушка - достаточно сложный и совершенный электри­ ческий прибор. Поток электронов, эмитируемых катодом, ускоряется и предварительно формируется аксиально-симметричным электрическим полем и фокусируется рисунок на поверхности свариваемого изделия. Наиболее широко в сварочных пушках применяется комбинированная (электростатическая и электромагнитная) фокусировка. В пушках с такой фокусировкой пучка прожектор, состоящий из катода, управ­ ляющего (прикатодного) электрода и ускоряющего электрода (анода), формирует сходящийся поток электронов.