CC BY
39
УДК 621.791.722
Вестник СибГАУ Том 17, № 2. С. 475-483
АВТОМАТИЧЕСКОЕ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ ПО СТЫКУ СОЕДИНЕНИЯ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ В УСЛОВИЯХ ДЕЙСТВИЯ МАГНИТНЫХ ПОМЕХ
А. А. Дружинина1*, В. Д. Лаптенок2, П. В. Лаптенок2, А. В. Мурыгин2
1 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: druzhininasasha@rambler.ru
Позиционирование по стыку соединения при электронно-лучевой сварке является сложной научно-технической задачей по достижению высокого качества сварных соединений в аэрокосмической отрасли, судостроении и энергетике, окончательное решение которой до сих пор не найдено. Это связано с низкой помехозащищенностью датчиков контроля положения стыка непосредственно в процессе сварки. Часто электронно-лучевая сварка сопровождается возмущениями в виде магнитных полей, приводящих к отклонению электронного пучка от оптической оси пушки. Для контроля отклонения пучка от оптической оси пушки используется коллимированный рентгеновский датчик, размещенный на электронно-лучевой пушке, коллимационная щель которого наведена на оптическую ось пушки. Информация рентгеновского датчика обрабатывается по методу синхронного детектирования. Для этого используется технологическое сканирование электронного пучка поперек стыка свариваемого изделия, позволяющее осуществить выделение сигналов первой и второй гармоник частоты сканирования электронного пучка поперек стыка соединения. Произведен анализ влияния ширины зазора в стыке и отклонения стыка от оптической оси пушки на выходной сигнал коллимиро-ванного рентгеновского датчика. Предложена двухконтурная система автоматического позиционирования электронного пучка по стыку соединения при электронно-лучевой сварке в условиях действия магнитных помех, включающая контур слежения по стыку и контур компенсации магнитных полей. Для контроля положения стыка в системе используется вторично-эмиссионный датчик, информационный сигнал которого получают при сканировании стыка электронным пучком. Система исследована на устойчивость.
Ключевые слова: электронно-лучевая сварка, магнитное поле, позиционирование пучка, слежение по стыку.
Sibirskii Gosudarstvennyi Aerokosmicheskii Universitet imeni Akademika M. F. Reshetneva. Vestnik Vol. 17, No. 2, P. 475-483
AUTOMATIC POSITIONING ON THE JOINT LINE DURING ELECTRON BEAM WELDING IN CONDITIONS OF ACTION OF MAGNETIC INTERFERENCE
A. A. Druzhinina1*, V. D. Laptenok2, P. V. Laptenok2, A. V. Murygin2
1Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: druzhininasasha@rambler.ru
Positioning on the joint line during the electron beam welding is a difficult scientific and technical problem to achieve the high quality of welded joints in the aerospace industry, shipbuilding and power engineering. The final solution of this problem is not found. This is caused by weak interference protection of sensors of the joint position directly in the welding process. Eelectron- beam welding is often followed by indignations in the form of the magnetic fields leading to a deviation of an electron beam from an optical axis of a gun. The collimated X-ray sensor is used to monitor the beam deflection from the optical axis of the electron beam gun. The X-ray sensor is placed on the electron beam gun. The collimation slit of X-ray sensor is aimed at the optical axis of the gun. The method of synchronous detection is used to process information from the X-ray sensor. The method of synchronous detection uses the technological scanning of electron beam across the joint line. The technological scanning allows to select the signals of the first and second harmonics of the scanning frequency of the electron beam across the joint line. The authors analyzed the impact of the gap width in the joint and the joint deflection from the optical axis of the gun on the output signal of the collimated X-ray sensor. The authors propose a two-circuit system for automatic positioning of the
electron beam on the joint connection during the electron beam welding in conditions of action of magnetic interference. This system includes a circuit ofjoint tracking and circuit of compensation of magnetic fields. Two-circuit system uses a secondary-emission sensor to monitor the position of the joint. The proposed system is stable.
Keywords: electron-beam welding, magnetic field, beam positioning, joint tracking.
Введение. Электронно-лучевая сварка (ЭЛС), нашедшая наибольшее промышленное применение в аэрокосмическом машиностроении, авиационной промышленности, ядерной энергетике, судостроении, позволяет получать высококачественные неразъемные соединения, не требующие последующей термической и механической обработки деталей из любых, в том числе тугоплавких и химически активных, металлов и сплавов. ЭЛС позволяет соединять за один проход детали толщиной до 400 мм, обеспечивая при этом максимальную пластичность и вязкость сварных соединений [1].
Позиционирование по стыку соединения при электронно-лучевой сварке является сложной научно-технической задачей. Этой проблематике посвящены исследования многих авторов [2-12], но успешного решения проблемы до сих пор не получено. Сложность заключается в том, что устройства контроля положения стыка непосредственно в процессе сварки обладают низкой помехозащищенностью. Это связано с тем, что чувствительность устройства снижается из-за увеличения диаметра технологического электронного пучка, а уровень помех различного рода при сварке резко возрастает. Поэтому промышленное использование получили системы позиционирования по стыку, в которых запись программы траектории стыка производится в процессе его предварительного прохода в режиме малого тока, а при сварке записанная траектория стыка воспроизводится. При этом условия протекания процесса сварки не должны приводить к отклонению электронного пучка от стыка соединения.
Электронно-лучевая сварка часто сопровождается возмущениями в виде магнитных полей, вызванных остаточной намагниченностью оснастки и свариваемых деталей, работой различных электромагнитных устройств, а также термоэлектрическими токами, протекающими в изделии при сварке разнородных материалов. Полностью устранить влияние магнитных полей на электронный пучок, как правило, не удается. Эти поля отклоняют пучок электронов от стыка и приводят к образованию непроваров в стыке соединения. Кроме того, магнитные поля являются нестационарными и могут изменяться в процессе сварки. Это ограничивает возможности использования систем позиционирования по стыку с предварительной записью траектории.
Наиболее приемлемым способом устранения влияния магнитных полей на отклонение электронного пучка от оптической оси электронно-лучевой пушки является компенсация этих полей в зоне их действия путем введения магнитных полей встречной направленности [13].
Анализ спектральных характеристик датчика влияния магнитных помех на отклонение элек-
тронного пучка. Для контроля влияния магнитных помех на отклонение электронного пучка от оптической оси пушки используется коллимированный рентгеновский датчик, который содержит рентгеновский детектор и коллиматор в виде щелевой бленды, ограничивающей зону обзора датчика и выполненной из материала, поглощающего рентгеновское излучение. Коллимационная щель датчика должна совпадать с оптической осью пушки и направлением сварки. Измерение осуществляется по методу синхронного детектирования, для чего используется технологическое сканирование электронного пучка поперек стыка свариваемого изделия (рис. 1). При сканировании электронного пучка в выходном сигнале рентгеновского датчика появляются гармонические составляющие с частотами, кратными частоте сканирования [14].
Математическая модель рентгеновского датчика как элемента, обладающего частотным спектром выходного сигнала при наличии периодического сигнала сканирования электронного пучка, выражается соотношением [15]
a ■»
h(t) = + ZK cosnt + bn sinnt), (1)
2 n=1
где коэффициенты ряда определяются выражениями: 1 п
a0 =-f Id(t)dt, (2)
TT j
1 n
- í Id (t)
TT j
cos ntdt,
bn =-
J Id (t) sin ntdt.
(3)
(4)
Здесь интенсивность рентгеновского излучения от поверхности свариваемого изделия определяется из выражения
1
Id = ОД ZIb-
J fd ( x)exP
(x -е0 -еи sin rot) 2^2"
2
(5)
dx,
где /¡¿х) - функция зоны обзора коллиматора рентгеновского датчика; к = 1,5 -10-9 В-1 - коэффициент пропорциональности; к1 - коэффициент, учитывающий пространственную ориентацию датчика; Д - ток электронного пучка; 2 - атомный номер материала свариваемого изделия; и0 - ускоряющее напряжение; ах - среднеквадратические отклонения электронов от оси пучка по оси х; е0 - рассогласование положений пучка и оптической оси электронно-лучевой пушки; е„ - амплитуда сканирования пучка поперек стыка.
Рис. 1. Схема контроля влияния магнитных помех на отклонение электронного пучка: 1 - электронно-лучевая пушка; 2 - фокусирующая система; 3, 4 - отклоняющая система; 5 - коллимированный рентгеновский датчик; 6 - электропривод перемещения электроннолучевой пушки; 7 - свариваемое изделие
Функция зоны обзора коллиматора рентгеновского датчика с учетом наличия стыка, расположенного в одной плоскости с осью коллимационной щели датчика,
¡4 (X) =
0,
¡2 И
1+-
21.
2 У
¡2 И
1 + -
21
0,
¡2, И
х < —2 И--,
¡1 2
И I, , I ----1И < X <-2 ¡1 :
И А
--< х <--,
2 2
--< х <—,
2 2
А И
— < х<—, 2 2
И И ¡2 -<х<-+—И 2 2 ¡1
И ¡2
х > —+—И, 2 ¡1
(6)
где ¡1 - длина коллимационного канала; ¡2 - расстояние от коллиматора до поверхности детали; И - ширина щели коллиматора рентгеновского датчика; А -ширина зазора в стыке.
В соответствии с математической моделью рентгеновского датчика первая гармоника частоты сканирования позволяет определять отклонение электронного пучка от оптической оси электронно-лучевой пушки, вызванное действием магнитных помех.
На рис. 2 представлены нормированные зависимости амплитуды первой гармоники от смещения электронного пучка относительно оптической оси пушки при различной ширине зазора в стыке. Расчеты проводились по формулам (3), (4) с учетом (5) и (6) при ¡1 = 10 мм, ¡2 = 15 мм, И = 0,3 мм.
Из характеристик видно, что при увеличении ширины зазора в стыке амплитуда первой гармоники уменьшается. Учитывая тот факт, что ЭЛС применяют для изготовления ответственных деталей, прошедших тщательную предварительную обработку пред сваркой, можно сделать вывод, что ширина зазора в процессе сварки остается постоянной и при симметричном расположении стыка относительно оси коллимационного отверстия рентгеновского датчика на показания датчика влияния не оказывает.
Рассмотрим случай, когда стык свариваемых деталей смещен относительно оптической оси электронно-лучевой пушки. Как видно из рис. 3, отклонение электронного пучка от стыка соединения в этом случае складывается из смещения стыка от оптической оси пушки хст и отклонения электронного пучка от оптической оси пушки хл, т. е.
£ст хст + хл.
На рис. 4-6 представлены зависимости амплитуды первой гармоники от смещения электронного пучка относительно оптической оси пушки при различных значениях отклонения стыка.
Рис. 2. Зависимости ^(ео) при е„ = 1
Рис. 3. К анализу спектральных характеристик рентгеновского датчика: ЭЛП - электронно-лучевая пушка; ЭП - электропривод перемещения пушки; РД - рентгеновский датчик; КВЭ - коллектор вторичных электронов; А - ширина зазора в стыке
Рис. 4. Зависимости Ь1(е0) при е„ = 1, А = 0,1 мм
Рис. 5. Зависимости 61(80) при ет = 1, А = 0,2 мм
Рис. 6. Зависимости 61(е0) при ет = 1, А = 0,3 мм
Анализ представленных зависимостей показывает, что смещение стыка относительно оси коллимационного отверстия датчика приводит к смещению спектральных характеристик датчика относительно нуля. Это смещение должно быть учтено в автоматической системе слежения по стыку в условиях действия магнитных помех.
Автоматическая система слежения по стыку соединения при ЭЛС в условиях действия магнитных помех. Структурная схема двухконтурной системы слежения по стыку при ЭЛС в условиях действия магнитных помех представлена на рис. 7. Влияние смещения стыка на сигнал коллимированного рентгеновского датчика положения электронного пучка относительно оптической оси пушки делает двухкон-турную систему взаимосвязанной.
На схеме приняты следующие обозначения: хд - координата свариваемой детали; хп - координата пушки; В(т) - магнитная индукция поля помехи;
х^ - смещение электронного пучка от действия поля помехи; хк - смещение электронного пучка от компенсирующего поля; хл - смещение электронного пучка от оптической оси пушки; хст - смещение стыка от оптической оси пушки; ест = хст + хл - отклонение пучка электронов от стыка соединения; ЖИ(я) - передаточная функция измерительного устройства положения стыка; 1¥ИУ(я) - передаточная функция измерительного устройства отклонения электронного пучка; ^св(л) = КСБ- Жиу(^) - передаточная функция связи, где КСБ < 1 - коэффициент передачи; Жэм(?) - передаточная функция электромагнита; Жу(л) - передаточная функция усилителя; К - коэффициент передачи интегратора; Кдв - коэффициент передачи двигателя; Гдв -постоянная времени двигателя; я - оператор Лапласа; ЗУ - запоминающее устройство; ДПИ - датчик перемещения изделия.
В качестве измерительного устройства положения стыка используется датчик вторичной эмиссии
(коллектор), улавливающий отраженные от поверхности изделия электроны при сканировании стыка электронным пучком [13].
Для анализа устойчивости и качества системы слежения по стыку использовался пакет БтиЬшк системы Ма1ЬАВ.
Функциональная схема системы, представленная для расчетов в пакете БтиЬшк, приведена на рис. 8.
На рис. 9-11 изображены переходные процессы в системе при подаче на нее ступенчатых воздействий. В результате анализа переходных процессов установлено, что система устойчива и могут быть достигнуты требуемые показатели качества регулирования.
Погрешность совмещения электронного пучка со стыком в корне шва будет
ек = £ст+ д^.
Рис. 7. Структурная схема двухконтурной системы слежения по стыку
Рис. 8. Модель двухконтурной системы слежения по стыку в пакете БтиЬшк
Рис. 9. Переходный процесс в системе при отклонении стыка и наличии магнитных помех
Рис. 10. Переходный процесс в системе при наличии магнитных помех и отсутствии смещения стыка
Рис. 11. Переходный процесс в системе при отклонении стыка и отсутствии магнитных помех
Контур компенсации магнитного поля позволяет уменьшить на два порядка как отклонение электронного пучка от оптической оси пушки, так и угол наклона траектории, что особенно важно при сварке больших толщин. В системах с предварительной записью траектории стыка контур компенсации магнитного поля должен работать как в режиме записи, так и в режиме воспроизведения траектории стыка в процессе сварки. Это позволяет повысить точность позиционирования по стыку и в случае изменения магнитных полей. Высокая надежность системы при этом сохраняется. В режиме сварки стык оплавляется, и поэтому его отклонение не приводит к изменению сигнала измерительного устройства отклонения пучка электронов от оси пушки. В этом случае коэффициент связи равен нулю.
Заключение.
1. Автоматическая компенсация магнитного поля помехи позволяет существенно повысить точность позиционирования по стыку соединения при электронно-лучевой сварке.
2. Контур компенсации магнитного поля делает систему позиционирования по стыку двухконтурной взаимосвязанной, но при этом условия устойчивости сохраняются.
Библиографические ссылки
1. Состояние и перспективы развития электроннолучевой сварки / В. В. Башенко [и др.] // Технологии и оборудование электронно-лучевой сварки - 2008 : материалы первой Санкт-Петербург. Междунар. науч.-техн. кон. (19-22 мая 2008, г. Санкт-Петербург). СПб., 2008. С. 5-21.
2. А. с. 1493422 СССР, МПК7 В 23 К 15/00. Устройство для слежения за стыком при электроннолучевой сварке / В. Д. Лаптенок, А. В. Мурыгин, В. Я. Браверман, А. Н. Генцелов. Опубл. 15.07.1989, Бюл. № 26. 3 с.
3. Современные вторично-эмиссионные системы автоматического направления пучка электронов по стыку при сварке / Г. А. Спыну, Ю. Н. Пастушенко,
B. Е. Локшин, Ю. М. Коротун // Автоматическая сварка. 1978. № 10. С. 18-22.
4. Тихоненко Д. В., Мурыгин А. В. Автоматическое устройство наведения на стык при электроннолучевой сварке // Вестник СибГАУ. 2010. № 3(29).
C. 143-149.
5. Устройство для получения изображения с помощью вторичных электронов из зоны электроннолучевой сварки / Е. Н. Балакирев, Л. Н. Майоров, М. Л. Лившиц // Сварочное производство. 1979. № 6. С. 73-78.
6. Компьютерное управление процессом электронно-лучевой сварки с многокоординатными перемещениями пушки и изделия / Б. Е. Патон [и др.] // Автоматическая сварка. 2004. № 5. С. 3-7.
7. Наблюдение процесса электронно-лучевой сварки и автоматическое слежение за стыком / О. К. Наза-ренко [и др.] // Автоматическая сварка. 1993. № 5. С. 35-38.
8. Carrol M. J., Powers D. E. Automatic joint for CNC-programmed electron beam welding // Weld. J. 1985. Vol. 64, No 8. P. 34-38.
9. Cooper J. C., Previs A., Schumacher B. W. Closed-loop beam Position controller for electron beam welding // DVS-Ber. 1980. Vol. 63. P. 20-25.
10. Mauer K. O. Systems for beam positioning in electron beam welding // Schweisstechnik, 1982. Vol. 32, No 8. P. 368-373.
11. Murakami H., Iwami T, Yasunaga S. Automatic positioning system for electron beam welding // IECON 84. Proc. Int. Conf. Ind. Electron. Contr. and Instrum. (22-26 Oct. 1984, Tokyo). Ind. Appl. Microclectron. New York, 1984. Vol. 1. P. 545-556.
12. Sun Naiwen, Ding Peifan. A new seam tracking system with differential feed back of the reflected electrons during the EB welding // Weld. Melt. Electrons and Laser Beam: 4-th Int. Colloq. (26-30 sept. 1988, Cannes). Cannes, 1988. P. 775-781.
13. Управление электронно-лучевой сваркой / В. Д. Лаптенок [и flp.] ; под ред. В. Д. Лаптенка ; САА. Красноярск, 2000. 234 с.
14. Пат. 2547367 Российская Федерация, МПК7 B 23 K 15/00. Устройство для электронно-лучевой сварки / Бочаров А. Н., Дружинина А. А., Лаптенок В. Д., Лаптенок П. В., Мурыгин А. В., Серегин Ю. Н. № 2013133698/02 ; заявл. 18.07.2013 ; опубл. 10.04. 2015, Бюл. № 10. 8 с.
15. Метод контроля влияния магнитных полей при электронно-лучевой сварке по рентгеновскому излучению из зоны обработки / А. А. Дружинина [и flp.] // Вестник СибГАУ. 2012. № 5 (45). С. 158-163.
References
1. Bashenko V. V., Vikhman V. B., Kozlov A. N., Gaydukova I. S. [The state and prospects of development of electron beam welding]. Materialy pervoy Sankt-Peterburgskoy mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii "Tekhnologii i oborudovanie elektronno-luchevoy svarki - 2008". [Materials of the first St. Petersburg International Scientific and Technical Conference "Technologies and equipment for electron beam welding - 2008"]. St. Petersburg, 2008, P. 5-21 (In Russ.).
2. Laptenok V. D., Murygin A. V., Braverman V. Ya., Gentselov A. N. Ustroystvo dlya slezheniya za stykom pri elektronno-luchevoy svarke. [The device for joint tracking during electron beam welding]. Patent USSR, No. 1493422, 1989.
3. Spynu G. A., Pastushenko Yu. N., Lokshin V. E., Korotun Yu. M. [Modern secondary emission system of automatic direction of electron beam on the joint during welding]. Avtomaticheskaya svarka, 1978, No. 10, P. 18-22 (In Russ.).
4. Tikhonenko D. V., Murygin A. V. [Automatic system of induction on joint for electron beam welding]. Vestnik SibGAU, 2010, No. 3(29), P. 143-149 (In Russ.).
5. Balakirev E. N., Mayorov L. N., Livshits M. L. [A device for obtaining an image using secondary electrons from the electron-beam welding zone]. Svarochnoe proizvodstvo, 1979, No. 6, P. 73-78 (In Russ.).
6. Paton B. E., Nazarenko O. K., Nesterenkov V. M., Morozov A. A., Litvinov V. V., Kazimir V. V. [Computer control of electron beam welding with multi-coordinate displacements of the gun and workpiece]. Avtomaticheskaya svarka, 2004, No. 5, P. 3-7 (In Russ.).
7. Nazarenko O. K., Shapoval V. I., Loskutov G. A. [Monitoring of the process of electron beam welding and automatic joint tracking]. Avtomaticheskaya svarka, 1993, No. 5, P. 35-38 (In Russ.).
8. Carrol M. J., Powers D. E. Automatic joint for CNC-programmed electron beam welding. Weld. J., 1985, Vol. 64, No 8, P. 34-38.
9. Cooper J. C., Previs A., Schumacher B. W. Closed-loop beam Position controller for electron beam welding. DVS-Ber, 1980, Vol. 63, P. 20-25.
10. Mauer K. O. Systems for beam positioning in electron beam welding. Schweisstechnik, 1982, Vol. 32, No 8, P. 368-373.
11. Murakami H., Iwami T, Yasunaga S., Automatic positioning system for electron beam welding. IECON 84.
Proc. Int. Conf. Ind. Electron. Contr. andInstrum. Tokyo, Ind. Appl. Microclectron, New York, 1984, Vol. 1, P. 545-556.
12. Sun Naiwen, Ding Peifan. A new seam tracking system with differential feed back of the reflected electrons during the EB welding. Weld. Melt. Electrons and Laser Beam: 4-th Int. Colloq. Cannes, 1988, P. 775-781.
13. Laptenok V. D., Murygin A. V., Seregin Yu. N., Braverman V. Ya. Upravlenie elektronno-luchevoy svarkoy. [Control of electron beam welding]. Krasnoyarsk, SAA Publ., 2000, 234 p.
14. Bocharov A. N., Druzhinina A. A., Laptenok V. D., Laptenok P. V., Murygin A. V., Seregin Yu. N. Ustroystvo dlya elektronno-luchevoy svarki. [Device for electron beam welding]. Patent RF, No. 2547367, 2015.
15. Druzhinina A. A., Laptenok V. D., Murygin A. V., Seregin Yu. N. [Method for monitoring of impact of magnetic fields in the process of electron-beam welding by X-ray radiation from treatment area]. Vestnik SibGAU, 2012, No. 5 (45), P. 158-163 (In Russ.).
© Дружинина А. А., Лаптенок В. Д., Лаптенок П. В., Мурыгин А. В., 2016
