CC BY
22
УДК 621.791.72
КОНТРОЛЬ ПОЛОЖЕНИЯ ЛУЧА ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ
*
Н. В. Васильев , В. И. Трофимов Научный руководитель - В. Я. Браверман
Красноярский индустриально-металлургический техникум Российская Федерация, 660111, г. Красноярск, ул. Тельмана, 32 E-mail: vasilyev.n.v@gmail.com
Рассмотрен способ контроля положения луча при электронно-лучевой сварке.
Ключевые слова: электронно-лучевая сварка, положение луча, вторичная электронная эмиссия, тормозное рентгеновское излучение, нагрев, глубина проплавления.
BEAM POSITION CONTROL DURING ELECTRON BEAM WELDING
N. V. Vasilyev*, V. I. Trofimov Scientific Supervisor - V. Y. Braverman
Krasnoyarsk Industrial Metallurgical College 32, Telman Str., Krasnoyarsk, 660111, Russian Federation E-mail: vasilyev.n.v@gmail.com
The method of controlling the position of the beam in electron beam welding is considered.
Keywords: electron beam welding, beam position, secondary electron emission, bremsstrahlung X-rays, heating, penetration depth.
Физико-технологические и энергетические особенности электронно-лучевой сварки (ЭЛС) определяют рациональность ее применения в условиях повышенных требований к свойствам и качеству сварных соединений и обеспечивают возможность получения улучшенных весовых и эксплуатационных характеристик отдельных узлов и изделий в целом.
Уникальность многих сварных конструкций, изготавливаются с помощью ЭЛС, большая протяженность сварных швов, жёсткие требования к их функциональной надежности, а также характерные особенности процесса (высокая концентрация энергии, и, связанные с этим гидро- и газодинамические процессы, рассеяние и переотражение электронов, большое отношение глубины к ширине шва, высокая скорость сварки, удаленность места сварки от оператора) определяют повышенные требования к технологическим параметрам процесса и их оптимизации.
На качество сварного соединения влияет точность совмещения луча с плоскостью стыка.
Возникновение смещений луча относительно стыка обусловлено неточностью изготовления, сборки и установки деталей в сварочное приспособление, и отклонением луча под действием магнитных полей, вызванных намагниченностью свариваемых деталей, оснастки, а также токами термоЭДС при сварке биметаллов.
В связи с этим необходимо определение положения луча относительно стыка свариваемых деталей и устранение возникающих рассогласований координат луча и стыка. При этом целесообразно, в качестве информационных сигналов, использовать явления, сопутствующие электроннолучевой сварке (вторичная электронная эмиссия, приповерхностная плазма, электромагнитное излучение в световом, радио-, СВЧ-, рентгеновском диапазонах).
Анализ существующих разработок свидетельствует о том, что наиболее приемлемыми с точки зрения применения в промышленности являются устройства определения положения луча относительно стыка, использующие явления вторичной электронной эмиссии и тормозного рентгеновского излучения (РИ).
В случае отсутствия оплавления свариваемых кромок характер изменения вторично-эмиссионного тока и интенсивности тормозного РИ от положения луча относительно стыка одинаков - экстремальный, при этом экстремум - минимум характеристики соответствует совпадению координат луча и стыка. На рис. 1 показаны схемы приема сигналов. В случае приема вторичных электронов о положении луча относительно стыка судят по падению напряжения на сопротивлении Я, создаваемого током 1ВЭ вторичных электронов, стекающих с датчика на «землю» (рис. 1, а). Во втором случае (рис. 1, б) используется воздействие РИ на параметры или физическое состояние элемента - датчика (например, возникновение сцинтилляций под действием рентгеновского излучения).
На рис. 2 представлены в относительных единицах зависимости 3 интенсивности РИ от положения луча е относительно стыка, полученные экспериментальным путем при различных зазорах Д в стыке и отсутствии оплавления свариваемых кромок.
Анализ этих характеристик при отсутствии оплавления не случаен. Требуемую информацию в процессе ЭЛС можно получить как из канала проплавления, так и в непосредственной близости от него. Последнее может быть реализовано, например, кратковременным выводом луча из канала, осуществлением измерительных операций и возвращением луча в зону сварки. Очевидно, время вывода должно быть таким, чтобы не произошло заметных изменений в сварочной ванне.
Экстремальные зависимости вторично-эмиссионного тока и интенсивности РИ от положения луча относительно стыка, очевидно, определяют способы управления по данному параметру, а именно, применение устройств экстремального регулирования. При этом идентичность характеристик рентгеновского излучения при ЭЛС с соответствующими характеристиками вторично-эмиссионного тока предполагает возможность использования одних и тех же устройств управления.
Известные в настоящее время методы приема сигналов (метод накопления, автокорреляционный прием, когерентный прием, метод фильтрации) дают результаты, близкие к предельному соотношению сигнал/ помеха. Это значит, что вопрос о выборе метода приема перемещается в область технических и технико-экономических соображений.
Экспериментальные исследования показали, что рентгеновское излучение из сварочной ванны, возникающее в процессе ЭЛС несет информацию о глубине проплавления.
На рис. 3, а представлена, полученная экспериментально с помощью коллимированного рентгеновского датчика, зависимость, характеризующая распределение рентгеновского излучения по глубине канала проплавления. Максимум излучения оказывается в точке торможения луча, соответствующей глубине проплавления (рис. 3, б).
Рис. 1. Схемы приема сопутствующих излучений при ЭЛС: а - прием вторично-эмиссионного излучения; б - прием рентгеновского излучения; ЭЛП - электронно-лучевая пушка; ДВЭ - датчик вторичных электронов; ДРИ - датчик рентгеновского излучения
Рис. 2. Зависимости 1(е): материал - AMg-6; иуск. = 30 кУ; 1л = 5 тА; 1 - Д = 0,01 шш; 2 - Д = 0,05 шш; 3 - Д = 0,1 шш; 4 - Д = 0,2 шш
Рис. 3. Распределение рентгеновского излучения по глубине канала проплавления
Представленный характер распределения РИ обусловливает очевидный способ стабилизации глубины проплавления.
Перед сваркой электронный луч фокусируется на поверхности свариваемых деталей. Ось датчика совмещают с пятном нагрева, находящегося на поверхности деталей. Затем датчик перемещают на заданную глубину проплавления и вводят сварочный ток.
При увеличении тока луча образуется канал проплавления и пятно нагрева перемещается одновременно с перемещением дна капала, достигая заданной глубины проплавления, совпадающей с осью коллимированного рентгеновского датчика. Таким образом, до этого момента происходит увеличение интенсивности рентгеновского излучения. Дальнейшее увеличение тока луча приводит к заглублению канала проплавления, смещению пятна нагрева с оси датчика и, следовательно, к уменьшению интенсивности рентгеновского излучения, регистрируемого датчиком.
Выводы:
1. Для управления процессом ЭЛС целесообразно использовать такие сопутствующие явления как вторичная эмиссия электронов и рентгеновское излучение.
2. Наличие экстремальных зависимостей регулируемых параметров от возмущающих воздействий определяет возможность реализации управления простыми в техническом отношении средствами поиска и поддержания экстремума.
3. Возможность стабилизации заданной глубины проплавления позволяет улучшить коэффициент использования материала и обеспечить технологию ЭЛС на завершающих этапах сборки изделий, когда не допустимо сквозное проплавление.
Библиографические ссылки
1. Башенко В. В. Оперативный контроль параметров электронного пучка при ЭЛС/ В. В. Ба-шенко, Е. А. Миткевич, Н. Н. Децик // Свароч. пр-во. 1985. № 5. С. 18-19.
2. Браверман В. Я. Экспериментальные исследования рентгеновского излучения при ЭЛС / В.Я. Браверман, В.С. Белозерцев, А.Н. Успенский // Вестник СибГАУ имени академика М. Ф. Решетне- ва, Вып. 6. Красноярск, 2005. С. 196-200.
3. Браверман В. Я. Тормозное рентгеновское излучение при ЭЛС и его взаимосвязь с параметрами процесса / В. Я. Браверман // Вестник СибГАУ имени академика М. Ф. Решетнева, Вып. 3. Красноярск, 2008. С. 117-121.
© Васильев Н. В., Трофимов В. И., 2019
