Материал: Управление электронно-лучевой сваркой

плавления по глубине шва. Это указывает еще и на то, что интенсив­ ность рентгеновского излучения может служить оценкой энергетиче­ ских процессов в канале проплавления при электронно-лучевой сварке.

Проведенные исследования показывают, что выражения (6.10), (6.11 ) и (6.12) пригодны для качественной и количественной оценки распределения интенсивности рентгеновского излучения по каналу проплавления, а также в качестве математической модели распределе­ ния энергии электронного пучка по глубине канала проплавления.

6.2. Способ контроля и стабилизации глубины проплавления по рентгеновскому излучению сварочной ванны, измеряемому со стороны электронно-лучевой пушки

Связь между секундным объемом проплавления и энергетиче­ скими параметрами процесса описывается уравнением [148]

0,24Я/пипт

(6.13)

где 9 - скорость сварки; F„р - площадь зоны проплавления; / - ток луча; U - ускоряющее напряжение; TI„ - эффективный КПД; г|т - тер­ мический КПД; Lm - удельная энергия плавления; р - плотность метал­ ла; с - удельная теплоемкость; Тт - температура плавления.

В случае когда канал проплавления имеет гауссову форму, пло­

щадь проплавления равна У^р = H0ok-J2п.

Из выражения (6.13) глубина проплавления определяется в виде

V2npf-7’(ul +1™)

Из (6.14) видно, что для расчета глубины проплавления необхо­ димо знать ускоряющее напряжение, ток пучка, скорость сварки и ра­ диус канала проплавления, которые целесообразно контролировать непосредственно в процессе ЭЛС. Наиболее трудно определяемым параметром является радиус канала проплавления. Эту величину мож­ но получить, контролируя геометрические параметры области рентге­ новского излучения сварочной ванны. Для этой цели воспользуемся рентгеновским датчиком со сканирующей коллимационной щелью. В этом случае электронный пучок остается неподвижным, а зона обзора

рентгеновского датчика периодически сканирует канал проплавления. Схема такого датчика изображена на рис. 6.3. Неподвижная и подвиж­ ная диафрагмы изготовлены из материала с высокой удельной плотно­ стью, поглощающего рентгеновское излучение. Ширина щели в диа­ фрагмах 5 « 6П. При вращении подвижной диафрагмы зона обзора рентгеновского датчика на поверхности обрабатываемого изделия, имеющая форму узкой полосы, периодически перемещается по коор­ динате X, пересекая канал проплавления. Длина щели достаточна для того, чтобы в зону обзора датчика по координате Y входил весь канал проплавления. Таким образом, рентгеновский датчик интегрирует все излучение по координате Y с учетом его поглощения в слое металла обрабатываемого изделия, расположенного между зоной обработки и датчиком.

4

Рис. 6.3. Схема рентгеновского датчика: 1 - электронно-лучевая пушка;

2 - неподвижная диафрагма; 3 - вращающаяся диафрагма;

4 - электродвигатель; 5 - сцинтиляционный кристалл

Для данной частоты v рентгеновского излучения ослабление в слое металла описывается выражением [160]

(6.15)

где £{Н) - толщина слоя материала; p(v) - коэффициент ослабления.

В работе [160] приводится таблица значений массового коэффи­ циента ослабления для различных материалов и ускоряющих напряже­ ний. Использование этой таблицы и программы интерполяции позво­ лило получить следующее аналитическое выражение для коэффициента ослабления [93]:

соединяющей датчик с зоной обработки, и поверхностью обрабатывае­ мого изделия.

Доля рентгеновского излучения, попадающего на рентгеновский

где а и Р - телесные углы на рабочую поверхность рентгеновского датчика из точки взаимодействия пучка электронов с обрабатываемой поверхностью.

С учетом (6.10), (6.15) и (6.16) выражение (6.17) запишется в

виде

о

Уравнение (6.18) устанавливает зависимость сигнала рентгенов­ ского датчика от величины смещения зоны обзора е от оси электрон-

ного пучка. На рис. 6.4 изображены характеристики выходного сигнала рентгеновского датчика, рассчитанные по модели (6.18) при различных значениях глубины Я0 канала проплавления. Из графиков видно, что они идут узким пучком у основания, и можно выбрать некоторый порог П, превышение которого указывает на ширину зоны рентгеновского излучения. Выберем величину этого порога такой, чтобы ширина об­ ласти е, при которой Уд(е) > П, была равна 5стк. В общем случае величи­ ну порога можно рассчитывать по формуле

П = 1-1(Г37/ 0,001729 + 0,6934

Методическая погрешность расчета а к при этом не превышает

1,5 %.

Зависимость порога от радиуса канала вызвана тем, что ампли­ туда сигнала датчика связана с радиусом канала.

Рис. 6.4. Характеристики выходного сигнала

В выражении (6.19) для определения порога используется а к, a по порогу опять же вычисляется а к. Поэтому для вычислений исполь­ зуется итерационная процедура, в которой задаются начальным значе­ нием Око, вычисляется порог П по формуле (6.19), рассчитывается рас-