Материал: Управление электронно-лучевой сваркой

тор находится под воздействием мощного пучка электронов и в связи с этим изнашивается и выходит из строя.

Другой существенный недостаток, присущий всем рассмотрен­ ным способам, заключается в том, что, в силу определенных геометри­ ческих размеров датчиков, контроль диаметра пучка осуществляется на некотором расстоянии от обрабатываемой детали, что не позволяет совместить операцию контроля диаметра с операцией фокусировки, хотя такое совмещение требуется для оперативного контроля сварочно­ го процесса. В настоящее время эти устройства используются или в исследовательских целях, или для диагностирования состояния элек­ тронно-лучевой пушки, а фокусирование пучка выливается в самостоя­ тельную операцию, при этом диаметр технологического электронного пучка в зоне обработки не контролируется.

Этих недостатков лишен описанный в настоящей работе способ контроля геометрии электронного пучка по рентгеновскому излучению зоны обработки, позволяющий не только контролировать, но и регули­ ровать диаметр технологического электронного пучка непосредственно в процессе обработки.

Рассмотрим способы фокусирования электронного пучка. Обыч­ но под фокусированием понимается совмещение минимального диа­ метра пучка с поверхностью обрабатываемого изделия путем измене­ ния тока фокусирующей линзы. Такая фокусировка обычно осуществ­ ляется в режиме малого тока, а при выходе в режим технологического тока производится дофокусировка изменением тока фокусирующей линзы на определенную величину, определенную технологическим процессом сварки.

Для фокусировки пучка могут быть использованы различные технологические приемы и оборудование. Часто используются системы наблюдения. Оператор, визуально контролируя размеры светящегося пятна на поверхности изделия, изменением тока фокусирующей линзы добивается его минимальных размеров. Такой способ субъективен и не обладает необходимой точностью.

Более точную фокусировку пучка можно осуществить с исполь­ зованием аппаратуры, предназначенной для наведения электронного пучка на стык. Если наблюдать сигнал вторично-эмиссионного датчика стыка, то можно заметить, что его амплитуда зависит от диаметра элек­ тронного пучка. Фокусировку электронного пучка можно осуществ­ лять, добиваясь максимальной амплитуды вторично-эмиссионных им­ пульсов от стыка.

Известно, что острая фокусировка электронного пучка приводит к максимальной глубине проплавления, при этом имеют место колеба­

ния канала проплавления, максимальное испарение и колебания паро­ газового облака над сварочной ванной. В работах [51; 52] предлагается осуществлять контроль фокусировки электронного пучка по частоте пульсаций ионного тока, снимаемого с зонда, установленного вблизи зоны обработки.

Использовать пульсации тока вторичной эмиссии на частотах 3...25 кГц для фокусировки электронного пучка предлагается в работе [63]. При максимальной амплитуде переменной составляющей дости­ гается максимальная глубина проплавления.

В работе [36] контроль фокусировки предлагается осуществить по минимуму тока вторичной эмиссии, снимаемому с датчика вторич­ ных электронов, находящегося под отрицательным потенциалом.

Недостаток всех существующих методов фокусировки состоит в том, что добиваться максимальной глубины проплавления не целесооб­ разно, поскольку необходимо добиваться оптимального качества свар­ ного соединения. Максимальная глубина проплавления обычно связана с наличием корневых дефектов. Поэтому более правильно получить определенное значение диаметра пучка, при котором достигается хо­ рошее качество сварного соединения.

1.3.3. Системы контроля и стабилизации глубины проплавления

Задача контроля и стабилизации глубины проплавления актуаль­ на для получения необходимого качества сварных соединений. В на­ стоящее время она удовлетворительно решается лишь для случаев сквозного проплавления. В этом случае под сварочным швом устанав­ ливается изолированный от свариваемого изделия коллектор. При сквозном проплавлении часть электронов достигает коллектора, и за­ дача системы стабилизации глубины проплавления сводится к задаче поддержания некоторого тока коллектора, который имеет пульсирую­ щий характер.

При сварке без сквозного проплавления определенная глубина проплавления достигается за счет поддержания основных параметров сварочного процесса на определенном уровне. Обычно эти параметры получают в результате экспериментальных исследований. Естественно, что отклонение этих параметров в силу различных причин приводит к ошибке по глубине проплавления. Для оценки влияния технологиче­ ских параметров, таких как ускоряющее напряжение, ток пучка, ско­ рость сварки, расстояние до пушки, ток фокусировки, строится уравне­ ние регрессии, связывающее глубину проплавления с вариациями ука-

занных параметров [78]. Такое уравнение позволяет установить допус­ ки на изменение параметров процесса при требуемой точности под­ держания глубины проплавления.

Отдельные авторы предлагают осуществлять контроль глубины проплавления по пульсациям тока вторичной эмиссии.

Вработах [132; 136] измеряют и выделяют переменную состав­ ляющую тока вторичной эмиссии с частотой более 200 Гц и по ее ам­ плитуде судят о глубине проникновения пучка. В качестве датчика электронов используют цилиндр Фарадея, ориентированный на зону сварки.

Предлагается выполнять контроль глубины несквозного про­ плавления по температуре с обратной стороны шва [133]. Для этого осуществляют модуляцию тока, и по модуляции температуры, изме­ ряемой фотоэлементом, судят о глубине проплавления. Аналогичное решение, только без модуляции тока, предлагается в работе [18].

Для контроля глубины проплавления используют рентгеновское излучение сварочной ванны [47; 145]. В работе [145] с помощью каме­ ры-обскуры и рентгеновского видикона предлагается получать изобра­ жение канала проплавления при ЭЛС и измерять его геометрические характеристики, в том числе и глубину проплавления. Однако даль­ нейшего развития этот способ не получил.

Вработе [29] предлагается использовать коллимированный дат­ чик рентгеновского излучения для контроля и стабилизации глубины проплавления. Этот датчик ориентируют на дно канала проплавления под определенным углом к оси пучка. Недостаток способа заключается

втом, что контролировать большую глубину проплавления не удается из-за значительного ослабления рентгеновского излучения материалом свариваемого изделия. При малом уровне сигнала начинает сказывать­ ся фоновое рентгеновское излучение.

Выводы

1. Анализ существующих устройств и систем автоматическо управления процессом электронно-лучевой сварки показывает, что их развитие идет как по пути создания отдельных систем слежения по стыку, контроля геометрических параметров электронного пучка и фокусировки, систем управления глубиной проплавления, так и по пути объединения указанных систем в вычислительные комплексы с реше­ нием задач контроля и регистрации параметров процесса, оперативного управления им, решения вопросов оптимизации качества.

2.Наиболее перспективными являются системы слежения по стыку с вторично-эмиссионными и рентгеновскими датчиками. Суще­ ствующие системы не обладают требуемой помехоустойчивостью и надежностью. Поэтому основной задачей является повышение помехо­ устойчивости и надежности функционирования систем за счет исполь­ зования специальных технических решений и обработки информации.

3.Важной энергетической характеристикой электронного пучка является его эффективный диаметр, поэтому актуальна задача контроля

иуправления диаметром электронного пучка непосредственно в про­ цессе электронно-лучевой сварки, обработки.

4.Существующие системы стабилизации глубины проплавления при ЭЛС эффективны лишь в случае сквозного проплавления, поэтому необходимо разработать новые принципы построения систем стабили­ зации глубины при несквозном проплавлении.

5.Выбор параметров и режимов электронно-лучевой сварки осуществляется путем экспериментальных исследований. Для того чтобы получать параметры процесса, близкие к оптимальным, прихо­ дится проводить большое количество пробных сварок. Задача значи­ тельного повышения производительности экспериментальных работ и оптимизации процесса ЭЛС может быть решена путем создания авто­ матизированного комплекса по оптимизации ее технологии.

Решению поставленных задач посвящена настоящая моногра­

фия.

Глава 2

МЕТОД СИНХРОННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ О ПОЛОЖЕНИИ СТЫКА И ПЛОСКОСТИ ФОКУСИРОВКИ

Повышение помехозащищенности измерительных устройств по­ ложения стыка может быть достигнуто с использованием частотно­ селективного метода для выделения информации. Применение частот­ но-селективных методов предполагает наличие в сигнале датчика гар­ монических составляющих, несущих требуемую информацию о поло­ жении стыка и фокусировке электронного пучка.

2.1. Математическая модель вторично-эмиссионного датчика положения стыка

Рассмотрим математическую модель вторично-эмиссионного дат­ чика (ДВЭ) положения стыка. Датчик положения стыка - коллектор вторичных электронов (КВЭ) - в простейшем случае представляет собой металлическое кольцо с центральным отверстием, установленное на торце электронно-лучевой пушки на изоляторах (рис. 2.1).

При взаимодействии пучка электронов с поверхностью свариваемо­ го изделия часть из них отражается, и вторичные, отраженные электроны попадают на коллектор вторичных электронов, что приводит к току через нагрузочный резистор RK.Ток вторичной эмиссии определяется первичным током пучка электронов, коэффициентами вторичной эмиссии свариваемо­ го изделия и геометрическими характеристиками ДВЭ, определяемыми углами cti и а 2.

При попадании пучка электронов на различные неоднородности поверхности (зазор в стыке, бурт, разделка кромок, разнородные мате­ риалы и т. д.) происходит изменение вторично-эмиссионного тока. В случае пересечения пучком электронов зазора в стыке происходит уменьшение вторично-эмиссионного тока, причем положение миниму­ ма соответствует совмещению центра пучка с серединой зазора в сты­ ке. На этом принципе работают вторично-эмиссионные датчики поло­ жения стыка.

Ток коллектора вторичных электронов можно представить вы­ ражением [83; 99]