Материал: Управление электронно-лучевой сваркой

давать банк оптимальных решений при сварке различных материалов, сварных соединений при различной глубине проплавления. Для реали­ зации такого подхода в состав автоматизированного комплекса должны входить все необходимые средства для контроля и управления ЭЛС.

Основными параметрами технологического процесса ЭЛС явля­

ются:

-ускоряющее напряжение;

-ток электронного пучка;

-плотность распределения энергии по сечению пучка и его эффективный диаметр;

-форма, частота и амплитуда сканирования технологического электронного пучка;

-скорость сварки;

-свариваемый материал.

Врезультате сварки формируется сварной шов, который описы­ вается следующими основными параметрами:

-глубиной проплавления и ее нестабильностью;

-шириной сварного шва в его верхней и нижней части, непа­ раллельностью стенок;

-радиусом скругления в корне шва;

-занижением сварного шва, нестабильностью его формирова­ ния в верхней части;

-дефектами сварного шва (поры, несплошности, непровары, корневые дефекты).

Из численных характеристик сварного шва должен быть опреде­ лен критерий оптимизации, используемый при выборе оптимальных технологических параметров. В качестве критерия оптимизации невоз­ можно выбрать какой-либо один параметр процесса, поэтому прихо­ дится рассматривать комплексный критерий оптимизации, в котором параметры шва входят в формулу со своими весовыми коэффициента­ ми. Выбор критерия оптимизации является наиболее ответственным этапом, так как от вида критерия оптимизации зависят оптимальные параметры технологического процесса. Для определения критерия оптимизации должна быть установлена количественная или качествен­ ная связь между параметрами соединения и его качеством. Качество сварного соединения оценивается, исходя из условий его работы в составе изделия. Качество сварного соединения может быть определе­ но на основании требований прочности, герметичности и коррозийной стойкости. Кроме того, необходимо учитывать возникающие при свар­ ке деформации и напряжения. При выборе критерия оптимизации целе­ сообразно руководствоваться отраслевыми нормативными документа­

ми для контроля качества сварного соединения. Так, например, должны быть полностью исключены такие дефекты, как непровар, корневые дефекты, несплошности. На поры накладываются ограничения как по их размеру, так и по количеству на единицу длины шва. Следовательно, такие дефекты, как непровар, несплошности и корневые дефекты, не входят в критерий оптимизации, а область рассматриваемых техноло­ гических параметров должна исключать возможность их появления. Количество пор на единицу длины входит в критерий оптимизации.

Рассмотрим другие параметры сварного шва, которые целесооб­ разно включить в критерий оптимизации. Одним из таких параметров является нестабильность глубины проплавления, которая может быть определена в виде

АН

где АН - амплитуда пульсаций глубины проплавления и поверхности шва; Н0 - глубина проплавления. Нестабильность глубины проплавле­ ния и поверхности шва, характерная для ЭЛС, обусловлена периодиче­ скими процессами формирования канала проплавления и усадкой ме­ талла при его затвердевании, которая также имеет периодический ха­ рактер. Важным параметром, характеризующим качество шва, является непараллельность стенок сварного шва, определяемая в виде

Непараллельность стенок шва характеризует изгибные деформа­ ции и напряжения, которые возникают в изделии после сварки. Иде­ альный сварной шов должен иметь параллельные стенки. В этом случае изгибные деформации минимальны.

Еще одним параметром, характеризующим качество шва, явля­ ется величина радиуса скругления в корне шва. От радиуса скругления зависит вероятность появления корневого дефекта и непровара. При радиусе скругления меньше некоторого критического значения вероят­ ность корневых дефектов и непроваров, вызванных отклонением пучка от плоскости стыка, становится существенной. Определим функцию, характеризующую потери качества как величину обратную радиусу скругления:

Уз = — •

Потери качества от пор определим в виде

п

Ул=Т ’

где п - количество пор; / - длина сварного шва.

Эффективность электронно-лучевой сварки характеризуется по­ гонной мощностью электронного пучка, определяемой выражением

Чем меньше погонная энергия, тем эффективнее процесс элек­ тронно-лучевой сварки, меньше зона термического влияния и свароч­ ные деформации. Следует заметить, что потери, описываемые у 3 и у5> находятся в противоречии. Получение большого радиуса скругления в корне шва требует увеличения ширины шва. В то же время уменьшение погонной энергии приводит к уменьшению ширины шва. Это обстоя­ тельство объясняет присутствие минимума функционала потерь в ре­ альной области параметров процесса.

Определим функционал потерь в виде

У= У(У\>У2> — У5)-

Впростейшем случае этот функционал может иметь вид

где коэффициенты я, - весовые коэффициенты, учитывающие влияние соответствующих составляющих функционала потерь.

Аналитическое определение весовых коэффициентов затрудне­ но, поэтому целесообразно использовать метод экспертных оценок. Очевидно, что для нахождения оптимальных параметров технологиче­ ского процесса необходимо минимизировать функционал (7.1). Обычно оптимальные решения определяют для конкретного электронно­ лучевого оборудования при сварке конкретного материала с опреде­ ленной глубиной проплавления. В этом случае ускоряющее напряже­ ние стабилизируется на определенном (для данного оборудования) значении и в число варьируемых параметров процесса не входит.

Поскольку при любых значениях параметров процесса проплав­ ление должно производиться на определенную глубину, то важнейшей

составляющей автоматизированного комплекса должна являться сис­ тема стабилизации глубины проплавления. Она осуществляется за счет изменения тока электронного пучка. Поэтому ток электронного пучка также не входит в число варьируемых параметров, хотя он контролиру­ ется и регистрируется для каждого набора параметров.

В связи с изложенным варьируемыми параметрами процесса яв­ ляются:

-скорость сварки;

-диаметр электронного пучка (ток фокусировки);

-амплитуда сканирования по Х\

-амплитуда сканирования по Y;

-амплитуда сканирования по фокусу;

-частота сканирования.

Обычно оптимизацию проводят для нескольких форм траекто­ рий сканирования электронного пучка. Технологическое сканирование позволяет изменить закон распределения энергии электронного пучка, а вследствие этого изменить форму канала проплавления и сварного шва. Поэтому, выбирая соответствующую форму сканирования и его параметры, можно получить близкую к желаемой форму проплавления сварного шва. Существенное влияние на форму оказывают диаметр электронного пучка и скорость сварки. Подбор соответствующих пара­ метров и тока электронного пучка при достижении заданной глубины проплавления является целью оптимизации. Использование автомати­ зированного комплекса позволяет многократно повысить производи­ тельность исследовательских работ.

На рис. 7.20 изображена структурная схема автоматизированно­ го комплекса [89]. Автоматизированный комплекс разработан на базе персональной ЭВМ и предназначен для программного управления электронно-лучевой сваркой, а также для сбора текущей информации и ее обработки по введенным в программу алгоритмам.

Связь ЭВМ с внешними устройствами осуществляется через устройство связи с объектом (УСО). УСО состоит из устройства галь­ ванической развязки и набора буферных регистров и преобразователей, которые выполняют прием и передачу цифровой и аналоговой инфор­ мации для устройств, входящих в состав комплекса. Для перемещения свариваемого изделия и регулирования скорости сварки используется двухкоординатный манипулятор с управляющими электроприводами постоянного тока. Манипулятор позволяет за одну откачку производить сварку до 64 образцов. Управление приводами может производиться с пульта управления и программно от ЭВМ.