Погрешность позиционирования луча по стыку при электронно-лучевой сварке разнородных материалов Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.791.72

ПОГРЕШНОСТЬ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ЛУЧА ПО СТЫКУ ПРИ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ РАЗНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

И. C. Фролов Научный руководитель - В. Я. Браверман

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-шай: [email protected]

Рассмотрены причины возникновения ошибки позиционирования луча по стыку при электронно-лучевой сварке разнородных материалов. Даны рекомендации по минимизации погрешности. В системах слежения за стыком свариваемых деталей используется экстремальная зависимость тормозного рентгеновского излучения от положения электронного луча относительно стыка. При сварке разнородных материалов экстремум смещается относительно стыка. Это приводит к ошибке позиционирования луча по стыку и к возникновению дефектов сварного соединения.

Ключевые слова: электронно-лучевая сварка, разнородные материалы, рентгеновское излучение, положение луча относительно стыка.

Causes of beam joint tracking error when welding dissimilar materials were studied. Recommendations for minimizing the error were given. The tracking systems for electron beam welding use the dependence of X-ray radiation on beam position relative to the joint. When welding dissimilar materials the extremum is shifted relative to the joint. This results in beam joint tracking error and can be a cause of the weld joint defects.

Keywords: electron-beam welding, dissimilar materials, X-RAY, beam's position along the joint.

Вопросы точного позиционирования луча по стыку свариваемых деталей оказываются актуальными при электронно-лучевой сварке (ЭЛС) протяженных стыков крупногабаритных конструкций. Допустимая погрешность совмещения луча со стыком не превышает 0,2 мм. Такая точность обусловливает необходимость применения устройств автоматического наведения луча на стык. В качестве источника информации в этих устройствах используют, например, зависимость тормозного рентгеновского излучения от положения луча относительно стыка [1].

Известно соотношение, определяющее в относительных единицах зависимость интенсивности J рентгеновского излучения от смещения s луча относительно стыка при ЭЛС однородных материалов [2]:

POSITIONING ERROR BEAM JOINT WITH ELECTRON BEAM WELDING

OF DISSIMILAR MATERIALS

I. P. Frolov

Scientific supervisor - V. Ya. Braverman

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

dx >,

где А - зазор в стыке; о - среднеквадратическое отклонение электронов от оси луча.

Секция «Автоматика и электроника»

Анализ данного соотношения свидетельствует о том, что характеристики /(е) при различных А и о симметричны относительно оси ординат, и абсцисса экстремума (минимума) совпадает с абсциссой стыка.

При ЭЛС разнородных материалов необходимо учитывать их атомные номера 2, так как / пропорциональна 2 [3]. Например, при сварке меди (2Си=29) и стали (2Ре=26) выражение для / примет вид [4]:

-А/2

I =-

'Си

ехр

2а2

ёх-

^е

А/2 | ехр

(х -в)2 2а2

ёх

На рис. 1 приведены результаты расчета по этой формуле.

1 с"

->- Д

Рис. 1. Зависимость /(е) при различных Д:

о = 0,1 мм; 1 - Д = 0,2 мм; 2 - Д = 0,15 мм; 3 - Д = 0,1 мм;

4 - Д = 0,075 мм; 5 - Д = 0,05 мм

Из графиков видно, что при ЭЛС разнородных металлов ветви характеристик имеют разные наклоны. Металлу с большим атомным номером соответствует больший наклон (интенсивность рентгеновского излучения пропорциональна атомному номеру).

Другой особенностью этих характеристик является смещение экстремума в сторону материала с меньшим атомным номером. Это связано с тем, что координата экстремума определяется равенством излучения с соответствующих поверхностей, которое пропорционально току пучка электронов, а, следовательно, и площади части пятна, находящейся на данном металле. Так как 2Си > 2Ре, то для выполнения названного равенства необходимо, чтобы площадь пятна на стальной детали была больше площади пятна на медной детали. В связи с этим луч оказывается смещенным в сторону стальной детали.

Следовательно, положение стыка не совпадает с положением экстремума характеристики, что необходимо учитывать при формировании управляющих сигналов экстремальных регуляторов систем слежения за стыком.

Заметные рассогласования положений экстремума характеристик и стыка проявляются при отношении Д/о < 1. Такой случай является наиболее распространенным на практике и еще раз подтверждает необходимость учета этого рассогласования.

Дифференцируя последнее уравнение по е, и приравнивая производную нулю, можно найти е0 - абсциссу экстремума и зависимость ее от зазора в стыке Д при различных о:

/ = 0 ё в

Отсюда

С

е0 ,

где С - коэффициент, зависящий от о.

Таким образом, абсцисса экстремума при ЭЛС разнородных металлов связана с зазором в стыке гиперболическим законом (рис. 2). Видно, что при зазорах, меньших 0,1 мм рассогласование положений экстремума и стыка могут составлять заметные величины и вызывать значительные погрешности позиционирования луча по положению экстремума рассматриваемых зависимостей.

0,01 0,05 0,1 0,15 0,20

Рис. 2. Зависимость положения экстремума от зазора в стыке при ЭЛС меди и стали: 1 - с = 0,1 мм; 2 - с = 0,2 мм; 3 - с = 0,3 мм; 4 - с = 0,4 мм; 5 - с = 0,5 мм

При реализации устройств автоматического слежения за стыком с использованием экстремальной зависимости J от положения луча относительно стыка необходимо учитывать поправку в соответствии с последним выражением.

Выводы.

1. При электронно-лучевой сварке разнородных материалов экстремум (минимум) тормозного рентгеновского излучения смещается в направлении материала с меньшим атомным номером.

2. Для уменьшения погрешности позиционирования луча по положению экстремума рассматриваемых зависимостей при ЭЛС разнородных материалов необходимо формировать дополнительный сигнал, компенсирующий смещение экстремума.

Библиографические ссылки

1. Лаптенок В. Д., Мурыгин А. В., Серегин Ю. Н., Браверман В. Я. Управление электроннолучевой сваркой ; Сиб. аэрокосмич. акад. Красноярск, 2000. С. 234.

2. Браверман В. Я. Тормозное рентгеновское излучение при электронно-лучевой сварке и его взаимосвязь с параметрами процесса / Вестник СибГАУ. 2008. Вып. 3. С. 117-121.

3. Хараджа Ф. Н. Общий курс рентгенотехники. Л. : Энергия, 1966. 568 с.

4. Математические модели процессов изменения рентгеновского излучения от положения луча относительно стыка при электронно-лучевой сварке / В. Я. Браверман, В. С. Белозерцев, Н. Н. Горя-шин и др. // Вестник СибГАУ. 2009. Вып. 2. С. 247-251.

© Фролов И. С., 2016