Другой существенный недостаток электромагнитного датчика связан с его опережающим положением относительно пучка электро нов, в результате чего возникает методическая погрешность. Одним из возможных способов устранения указанной погрешности является введение коррекции по скорости ухода стыка в закон регулирования [106].
Недостатком электромагнитных датчиков является необходи мость стабилизации расстояния между датчиком и свариваемым изде лием. Для этой цели разработан способ контроля расстояния датчика, позволяющий контролировать и стабилизировать это расстояние с погрешностью ± 0,3 мм.
Самый существенный недостаток всех датчиков, жестко связан ных с электронно-лучевой пушкой, заключается в том, что такие дат чики контролируют положение электронно-оптической оси пушки относительно стыка сварного соединения. Но при этом положение электронного пучка не обязательно должно совпадать с электронно оптической осью пушки в силу влияния различных электромагнитных полей и неточности юстировки пушки. Поэтому при использовании таких датчиков приходится решать еще и задачу стабилизации элек тронного пучка по электронно-оптической оси пушки.
Для автоматического ведения пучка по стыку можно использо вать оптическое изображение пучка и стыка [10; 12; 26; 121; 188]. В устройстве [188] для определения положения стыка предлагается ис пользовать оптические преобразователи, состоящие из матрицы фото резисторов, соединенных в мостовую схему. В качестве источника света используется сварочная ванна, интенсивность свечения которой зависит от отклонения стыка. Выдаваемый оптическим преобразовате лем сигнал используется для коррекции положения пучка.
Интенсивные работы проводились рядом исследователей по ис пользованию промышленных телевизионных установок для наблюде ния за процессом сварки и слежения за стыком сварного соединения [10; 121; 12]. В этих системах видикон с объективом размещался в вакуумной камере и жестко устанавливался на электронно-лучевой пушке. Для получения более контрастного изображения стыка свари ваемое изделие освещается дополнительным источником света. В ряде случаев удавалось получить довольно четкое изображение сварочной ванны и стыка свариваемого изделия, но реализовать надежное слеже ние за стыком в процессе ЭЛС не удалось. В числе недостатков, при сущих данному методу, следует отметить необходимость защиты опти ческой системы от напыления парами металла. Это проблема решается введением в состав установки механизма перемотки прозрачной плен
ки. Другим существенным недостатком является засветка видикона излучением сварочной ванны, при этом снижается его разрешающая способность. Для определения относительного отклонения электромаг нитного пучка и стыка в этом случае приходится находить координаты стыка и сварочной ванны. Точность метода оказывается не достаточ ной, так как размеры сварочной ванны оказываются большими и точно определить ее середину не удается из-за различных помех, бликов и т. п. Поэтому телевизионные системы слежения за стыком не получили широкого применения. Возможно, телевизионная техника может быть использована для целей наведения на стык, если применять методы цифровой обработки информации.
Системы контроля и позиционирования с вторично-эмиссионными датчиками стыка
Большое распространение в практике ЭЛС получили вторично эмиссионные системы слежения за стыком, в которых используются отраженные (вторичные) электроны, улавливаемые специальным кол лектором. Датчик вторичной эмиссии (коллектор) отличается просто той и высокой надежностью при интенсивной металлизации, возни кающей в процессе сварки. Информационный сигнал получают при сканировании стыка электронным пучком. В большинстве вторично эмиссионных устройств слежения за стыком применяют разделение во времени процесса сварки и зондирования. Для этого электронный пучок периодически с высокой скоростью выводят из сварочной ванны в на правлении стыка и переводят в режим сканирования в непосредственной близости от пятна нагрева. Скорость сканирования должна быть доста точно высокой, чтобы исключить оплавление кромок [165]: VCK> ЮР, где VCK- скорость сканирования, м/с; Р - мощность пучка, кВт.
Для получения управляющего сигнала находят временное поло жение импульсов тока отраженных электронов. Устройства, исполь зующие данный способ получения сигнала, в настоящее время пред ставлены достаточно широко [17; 35; 37; 62; 124; 125; 143; 146; 149; 152; 163; 167; 172; 174; 175; 178; 182]. Такие системы содержат генера тор сканирования пучка, блок формирования импульса стыка и блок коррекции положения пучка, которые присутствуют во всех системах и отличаются способами реализации. Генератор сканирования пучка обеспечивает его выброс из зоны сварки и линейное перемещение по перек стыка свариваемых деталей. Время зондирования стыка пучком обычно не превышает 500 мс и выбирается из соображений минималь ного влияния на сварочный процесс. Блок формирования импульса
стыка преобразует сигнал датчика вторичных электронов (ДВЭ) в на пряжение, соответствующее изменению вторичной эмиссии в момент пересечения стыка электронным пучком. В зависимости от конкретно го исполнения блока такой импульс может быть получен путем линей ного преобразования с сохранением формы тока вторичной эмиссии либо преобразования его в прямоугольный импульс или импульс двой ной полярности ключевыми схемами.
Блок коррекции положения пучка контролирует положение им пульса стыка относительно развертки электронного пучка и формирует управляющий сигнал, корректирующий положение пучка относительно стыка свариваемого изделия. Обычно формирование управляющего сигнала производят по интегрирующему закону, так как при этом по вышается точность системы за счет введения астатизма первого поряд ка, а также повышается помехозащищенность при пропадании сигнала от стыка над прихватками.
В процессе электронно-лучевой сварки на датчик вторичных электронов действуют различного рода помехи, вызывающие флуктуа ции сигнала. Источником помех может быть нестабильность тока пуч ка, ускоряющего напряжения, наличие поверхностных неровностей, неоднородность свариваемого материала, изменение зазора в стыке. Исследованию влияния помех на вторично-эмиссионный сигнал от стыка посвящены работы [60; 85; 87]. Существенная помеха возникает в результате влияния парогазового облака, возникающего при ЭЛС мощным пучком. Такое облако приводит к рассеянию пучка и увеличе нию его эффективного диаметра. Кроме того, как указывается в рабо тах [86; 88], выброс пучка вперед стыка сопровождается спадом сигна ла вторичной эмиссии. Появление флуктуаций сигнала датчика также вызывается испарением металла при перемещении пучка по контуру сканирования. В этих работах указывается, что решение задачи поме хозащищенности является одной из главных проблем при создании систем слежения по стыку. Одним из способов снижения влияния пуль саций тока пучка на помехозащищенность вторично-эмиссионного датчика является синхронизация начала поискового движения с фазой промышленной сети при максимальном значении напряжения на вы прямителе [40].
Повысить помехозащищенность системы слежения можно, если в период обнаружения стыка снижать мощность пучка [45; 74; 142]. В ИЭС имени Е. О. Патона разработана система слежения за стыком при ЭЛС «Прицел-4», работающая с модулированным источником питания мощностью 15, 60 и 120 кВт [74]. В этих источниках питания на корот кое время (2 мс) номинальная мощность пучка снижается до 100 Вт.
В момент сканирования стыка пучком пониженной мощности произво дится его динамическая фокусировка. Широкое применение систем с модуляцией тока пучка затруднено из-за необходимости переработки существующих источников питания, высоких требований к стабильно сти и быстродействию устройств модуляции.
В ряде работ [1; 2; 134; 141; 195] предлагается использовать дифференциальный вторично-эмиссионный датчик положения стыка, содержащий два симметрично расположенных коллектора вторичных электронов, включенных дифференциально в измерительное устройст во. В этом случае сканирующее устройство обеспечивает только вынос электронного пучка из сварочной ванны в зону стыка, сканирование поперек стыка при этом не требуется. Дифференциальный датчик реа гирует на асимметрию распределения плотности вторичной эмиссии при смещении пучка от оси стыка. Как правило, для работы дифферен циального датчика требуется V-образная разделка кромок, которая имеется только в специальных случаях.
Особое место среди вторично-эмиссионных систем занимают телевизионные системы наблюдения и слежения за стыком. Особен ность таких систем заключается в том, что вместо видикона использу ется вторично-эмиссионный датчик [7; 59; 71; 135; 182; 194]. Сканиро вание пучка электронно-лучевой пушки осуществляется от генераторов кадровой и строчной развертки телевизионного приемника. Сигнал датчика вторичной эмиссии используют для модуляции яркости. При этом на телевизионном приемнике получают изображение сварочной ванны и поверхности изделия в окрестностях зоны сварки. Достоинст вом таких систем является совмещение функций наблюдения за ЭЛС и слежения за стыком. Недостатком является высокая длительность кад ровой развертки (20 мс). Такое время вывода пучка из сварочной ванны приводит к дефектам типа непровара. Сложность совмещения процесса наблюдения с процессом ЭЛС заключается еще и в том, что для хране ния изображения кадра требуется ОЗУ емкостью несколько сот кило байт и система записи и считывания информации, т. е. в состав телеви зионной системы наблюдения должна входить микроЭВМ с необходи мым объемом ОЗУ. Одним из недостатков способа являются помехи, связанные с модуляцией яркости изображения за счет пульсаций тока электронного пучка.
Системы контроля и позиционирования с рентгеновским датчиком стыка
При взаимодействии электронного пучка с материалом электро ны в результате торможения теряют свою энергию. Этот процесс со
провождается возбуждением рентгеновского излучения, локализован ного в месте взаимодействия электронного пучка с обрабатываемым материалом. Рентгеновские лучи распространяются точно по прямым линиям, их нельзя отклонить электрическими и магнитными полями. Они проходят сквозь пары металлов с минимальным ослаблением. Испытания рентгеновских датчиков различного типа показали, что они обладают более высокой помехозащищенностью по сравнению с вто рично-эмиссионными датчиками, что свидетельствует о перспективно сти их применения [61; 154]. Высокая помехозащищенность рентгенов ских датчиков связана еще и с тем, что они гальванически развязаны от сварочного оборудования и легко экранируются.
Рентгеновские датчики стыка используются в системах слежения с предварительной записью траектории стыка [159; 182; 185] и в сис темах слежения на рабочем токе. В настоящее время рентгеновские датчики положения стыка применяются достаточно широко. С начала 80-х гг. такими датчиками комплектуются системы слежения за стыком в новых разработках машин для ЭЛС японских фирм «Мицубиси дэнки» и «Итами сейсакусе» [158; 159; 192] и фирмы «Штайгервальд» (ФРГ).
При сварке металлов больших толщин существует возможность контролировать положение стыка по рентгеновскому излучению из канала проплавления. Для получения такой информации используют коллимированные датчики рентгеновского излучения, ориентирован ные на канал проплавления [21; 24; 30; 31; 173; 182; 189]. В устройстве [182] для получения сигнала от стыка электронный пучок периодиче ски сканируют поперек стыка. Возникающее при этом рентгеновское излучение регистрируют коллимированным рентгеновским датчиком, ориентированным на канал проплавления через стык соединения. В устройстве [21] в качестве датчика рентгеновского излучения исполь зуют рентгено-телевизионный видикон или рентгеновский детектор на основе микроканальных пластин.
Следует отметить, что высокий уровень помех, связанных с ко лебаниями канала проплавления, затрудняет получение информации о положении стыка. Это приводит к сбоям слежения по стыку. Повыше ние помехозащищенности таких датчиков достигается за счет исполь зованием метода частотной селекции [31] и применения дифференци ального рентгеновского датчика.
Методы выделения сигнала от стыка
В большинстве устройств слежения за стыком для выделения информации сигнал датчика подвергается обработке различными мето