Процессы, протекающие при электронно-лучевой сварке, очень сложны. В силу этого полученные различными исследователями моде ли расчета параметров сварных швов могут быть использованы лишь для ориентировочных расчетов. Выбор параметров процесса осуществ ляется на основе экспериментальных исследований.
В работах [166; 165] приведен обзор формул для расчета глуби ны проплавления, характеризующихся различными допущениями. В простейшем случае принимается, что электронный пучок цилиндриче ский, форма канала задана, отсутствует рассеяние электронного пучка, ширина шва полагается равной диаметру пучка. Формулы расчета в этом случае очень приближенны и дают погрешность около 100 %.
Разработаны также модели, основанные на использовании мето дов подобия и размерностей. Для использования на практике таких соотношений необходимо предварительное проведение и обработка огромного числа экспериментов, чтобы учесть все возможные ситуа ции при сварке и определить неизвестные постоянные. Такой подход также не оправдывает себя на практике.
Существенно лучшие результаты дает модель глубины проплав ления, основанная на законе сохранения энергии для элемента поверх ности канала проплавления. Из этого уравнения получают дифферен циальное уравнение, описывающее форму канала проплавления [166], которое может быть решено только численными методами. В результа те расчетов по указанной модели установлено, что максимальная глу бина проплавления достигается при положении фокуса ниже поверхно сти свариваемого изделия на 65...75 % от глубины проплавления. Та кая модель позволяет рассчитать геометрию проплавления при задан ных параметрах электронного пучка в статическом установившемся состоянии. Погрешность расчета при этом составляет 25...35 %. Для более точного расчета необходимо учитывать потери на теплоотвод, рассеяние электронов и влияние жидкого металла в ванне.
Аналитические выражения геометрии канала проплавления при годны лишь для ориентировочных расчетов. Их основное достоинство заключается в оценке влияния параметров процесса на глубину про плавления, позволяющее определить допуски на изменение этих пара метров. Влияние на глубину проплавления ускоряющего напряжения и тока пучка может быть описано приближенным выражением [53]
з
й * Я / 2.
Если другие параметры процесса, в том числе и мощность, по стоянны, то сечение плавящегося материала остается постоянным.
Отсюда следует, что увеличение ускоряющего напряжения приводит к уменьшению ширины шва пропорционально Vt7. Тогда для отноше ния глубина-ширина шва получаем отношение
hL/bL = UL
h1lb2 ~U2 ’
т. е. отношение глубины шва к его ширине пропорционально ускоряю щему напряжению. Результаты расчетов по рассматриваемой модели согласуются с данными экспериментов в широком диапазоне скоростей сварки для случаев, когда отношение глубина-ширина значительно. Если же это отношение невелико и рассеянием пучка в парогазовом канале можно пренебречь, то и влияние ускоряющего напряжения на глубину проплавления становиться незначительным и глубина про плавления в этом случае зависит только от мощности пучка т. е. уско ряющее напряжение и ток пучка влияют на глубину проплавления со вершенно равнозначно.
Из рассмотренных моделей следует, что при заданной общей мощности пучка проплавление шва тем глубже, чем меньше диаметр пучка и, следовательно, чем выше удельная поверхностная мощность в его пятне. Максимально достижимая удельная поверхностная мощ ность пропорциональна С/ [165]. Если фокусировка не сопровождается заметными искажениями, то при возрастании ускоряющего напряже ния, но сохранении мощности пучка неизменной, следует ожидать увеличения глубины проплавления. При достаточной концентрации в паре капилляра отрицательных ионов, порожденных пучком, наряду с рассеянием пучка начинает проявляться фокусирующее действие ионов на пучок. Фокусирующий эффект может быть также следствием отра жения электронов от стенок канала. Этот эффект может привести к существенному увеличению глубины проплавления. Экспериментально установлено, что при сварке с минимально возможными диаметрами пятен увеличение ускоряющего напряжения на 50 % при сохранении постоянными всех прочих условий приводило к увеличению отноше ния глубина-ширина в 2-3 раза. На практике всегда встает задача оп ределения параметров пучка при заданных свойствах свариваемого материала и глубине проплавления шва. Эти параметры, как правило, находят в результате экспериментальных исследований.
При данной глубине проплавления находят оптимальные пара метры процесса, дающие хорошее качество сварного соединения. Зада чей технологического процесса является поддержание с требуемой точностью технологических параметров для получения требуемой вос
производимое™ сварного соединения. Другим альтернативным реше нием задачи сварки является прямой контроль глубины проплавления средствами измерительной техники и стабилизация глубины проплав ления за счет регулирования одного из параметров процесса, например тока пучка.
1.3. Автоматическое управление процессом электронно-лучевой сварки
Установки для ЭЛС как объект автоматизации представляют со бой сложный комплекс, в который входят прецизионное электромеха ническое высокопроизводительное вакуумное и мощное энергетиче ское оборудование. Высокая скорость сварки, ограниченные возмож ности для визуального наблюдения создают трудность оператору даже высокой квалификации в управлении процессом сварки. При ЭЛС от ветственных изделий высокие требования предъявляются к качеству сварных соединений, надежности и воспроизводимости технологиче ского процесса. Поэтому стремление к максимальной автоматизации процесса вполне закономерно. Задачам автоматизации ЭЛС посвящены многочисленные работы исследователей в России и за рубежом.
Работы по автоматизации ЭЛС начались в 60-х гг. С тех пор пройден значительный путь, и можно говорить об определенных дос тижениях. Первоначально работы посвящались созданию средств кон троля и регулирования отдельных параметров процесса. В настоящее время разрабатывается комплексный подход к автоматизации ЭЛС с использованием микропроцессоров и микроЭВМ. Комплексная авто матизация и создание АСУ ТП ЭЛС предусматривает решение сле дующих основных задач: автоматизация основных и вспомогательных операций технологии ЭЛС; повышение качества ЭЛС за счет оптими зации его режимов; повышение надежности функционирования систем управления в результате применения современных методов диагности ки и прогнозирования работоспособности; распознавание аварийных ситуаций и разработка алгоритмов функционирования систем в нестан дартных ситуациях; выдача результирующей информации о ходе про цесса сварки с фиксацией отклонений от заданных параметров режима с привязкой их к сварному шву.
Одной из главных технических проблем при создании систем управления ЭЛС является повышение помехозащищенности датчиков измерительных устройств и всей системы в целом. Проблемы, связан ные с низкой помехозащищенностью, явились причиной неудовлетво рительной работы ряда подсистем, таких как система слежения по сты
ку сварного соединения и система стабилизации глубины проплавле ния. В настоящее время в связи с разработкой новых датчиков и при менением микропроцессоров для обработки информации появились возможности существенного повышения помехозащищенности и рабо тоспособности таких систем.
Задачи управления процессом ЭЛС можно свести к следующим: - совмещение электронного пучка со стыком свариваемого из
делия;
-стабилизация параметров сварного шва (глубины проплавле ния, ширины шва, радиуса корневой части);
-управление скоростью сварки и перемещением изделия;
-управление началом и окончанием процесса сварки;
-регистрация параметров процесса.
Каждая из указанных задач требует определенного набора средств и технологических приемов в зависимости от специфики кон кретного технологического процесса ЭЛС. В научно-технической лите ратуре указанные задачи рассматриваются как самостоятельные на правления исследований, однако в технологическом процессе они взаимосвязаны.
1.3.1. Системы для совмещения электронного пучка со стыком свариваемого изделия
Малая ширина сварного шва и большое отношение глубины и ширины шва требуют точного совмещения пучка электронов с плоско стью свариваемого шва. Погрешность позиционирования зависит от ширины зазора, толщины деталей, ширины шва в его корне и обычно не должна превышать 0,1 ...0,2 мм. В тех случаях когда идет обработка деталей малых размеров или когда координата стыка строго фиксиро вана, можно наводить электронный пучок на стык вручную с наблюде нием с помощью оптической системы. Такой способ применяется при сварке больших партий одинаковых деталей или когда изготовление деталей ведется с высокой точностью по другим соображениям. Во всех остальных случаях требуется автоматическое позиционирование по стыку.
Автоматическое слежение за стыком при ЭЛС было введено в
промышленную эксплуатацию после двадцатилетних исследований, что объясняется трудностью достижения надежности функционирова ния подобных систем. Значительные исследования в этом направлении проведены в Институте электросварки (ИЭС) имени Е. О. Патона (Ук раина), Сумском производственном объединении «Электрон», НПО
«Техномаш», Воронежском политехническом институте, фирмах «Сиаки» (Франция), «Гамильтон стандарт» (США), «Геркулес», «Штайгервальд» (ФРГ), «Мицубиси дэнки», «Итами сейсакусе» (Япония). Для наведения и позиционирования электронного пучка относительно сты ка были использованы различные методы. Классификацию подобных систем принято проводить по типу датчика положения стыка. Рассмот рим основные типы систем наведения электронного пучка на стык.
Автоматическое наведение на стык с помощью механических, электромагнитных и оптических датчиков стыка
Положение стыка непосредственно перед зоной сварки можно определять с помощью механического датчика стыка (щупа) [165]. Однако применение механических датчиков стыка требует разделки кромок или специального технологического выступа. Кроме того, низ кая чувствительность, дребезг контактов, вибрации затрудняют приме нение подобных датчиков. Поэтому механические датчики промыш ленного применения не нашли.
Удовлетворительную точность обеспечивает бесконтактный спо соб определения положения стыка с помощью электромагнитного датчи ка положения стыка на базе дифференциального феррозонда [38-46; 113; 114]. Принцип действия системы слежения с феррозондовым датчиком стыка заключается в наведении магнитного поля высокой частоты в свариваемое изделие и выделение с помощью датчика информации о положении стыка, преобразования ее и передачи на электропривод исполнительного механизма, осуществляющего коррекцию положения электронно-лучевой пушки. Система обеспечивает автоматическое наведение электронного пучка на стык свариваемого изделия с точно стью ± 0,2 мм при скорости ухода стыка 0,72 мм/с. С целью ограниче ния теплового воздействия со стороны сварочной ванны датчик уста навливается на расстоянии 50 мм от места сварки. Испытания, прове денные при электронно-лучевой сварке [104], выявили пригодность использования феррозондовых электромагнитных датчиков для наве дения электронного пучка на стык. Были выявлены недостатки, огра ничивающие применение указанных датчиков. Один из недостатков заключается в воздействии электромагнитного поля датчика на элек тронный пучок. При этом электронный пучок получает колебания с амплитудой до 5 мм вдоль стыка на частоте возбуждения электромаг нита датчика. Это влияние удалось компенсировать за счет введения аналогичных колебаний противоположной полярности с помощью электромагнитной отклоняющей системы электронно-лучевой пушки.