CC BY
47
Секция
«СВАРКА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ И РОДСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ»
УДК 621.791.72
СИСТЕМА СЛЕЖЕНИЯ ЗА СТЫКОМ ПРИ ЭЛС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТРАЖЕННЫХ (ВТОРИЧНЫХ) ЭЛЕКТРОНОВ
А. Н. Андреев*, А. Г. Папуша Научный руководитель - Н. В. Успенский
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: ashashiot@gmail.com
Рассмотрены существующие системы слежения за стыком при ЭЛС с использованием вторично-эмиссионного датчика (коллектора). Вкратце изложены структура и принцип действия данных систем.
Ключевые слова: электронно-лучевая сварка (ЭЛС), система слежения за стыком, вторично-эмиссионное излучение, коллектор.
ELECTRONIC TRACKING SYSTEM WITH ELECTRICAL APPLICATIONS USING REFLECTED (SECONDARY) ELECTRONS
A. N. Andreev*, A. G. Papusha Scientific Supervisor - N. V. Uspensky
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: ashashiot@gmail.com
Existing tracking systems for the joint at the ELS using a secondary emission sensor (collector) are considered. The structure and operating principle of these systems are briefly outlined.
Keywords: electron-beam welding (ELS), joint tracking system, secondary emission radiation, collector.
Задачи управления процессом ЭЛС можно свести к следующим:
- совмещение электронного пучка со стыком свариваемого изделия;
- стабилизация параметров сварного шва (глубины проплавления, ширины шва, радиуса корневой части);
- управление скоростью сварки и перемещением изделия;
- управление началом и окончанием процесса сварки;
- регистрация параметров процесса.
Каждая из указанных задач требует определенного набора средств и технических приемов в зависимости от специфики конкретного технологического процесса ЭЛС. В научно-технической литературе указанные задачи рассматриваются как самостоятельные направления исследований, однако в технологическом процессе они взаимосвязаны.
Малая ширина сварного шва и большое отношение глубины и ширины шва требуют точного совмещения пучка электронов с плоскостью свариваемого шва. Погрешность позиционирования зависит от ширины зазора, толщины деталей, ширины шва в его корне и обычно не должна превышать 0,1...0,2 мм. В тех случаях, когда идет обработка деталей малых размеров или когда
Секция «Сварка летательньш аппаратов и родственнее технологии»
координаты стыка строго фиксированы, можно наводить электронный пучок на стык вручную с наблюдением с помощью оптической системы. Такой способ применяется при сварке больших партий одинаковых деталей или когда изготовление деталей ведется с высокой точностью по другим соображениям. Во всех остальных случаях требуется автоматическое позиционирование по стыку [1].
Автоматическое слежение за стыком при ЭЛС было введено в промышленную эксплуатацию после двадцатилетних исследований, что объясняется трудностью достижения надежности функционирования подобных систем. Значительные исследования в этом направлении проведены в Институте электросварки (ИЭС) имени Е. О. Патона (Украина), Сумском производственном объединении «Электрон», НПО «Техномаш», Воронежском политехническом институте, фирмах «Сианж» (Франция), «Гамильтон стандарт» (США), «Геркулес», «Штайгервальд» (Германия), «Мицубиси дэнки», «Итами сейсакусе» (Япония). Для наведения и позиционирования электронного пучка относительно стыка были использованы различные методы. Классификацию подобных систем принято проводить по типу датчика положения стыка.
Большое распространение в практике ЭЛС получили вторично-эмиссионные системы слежения за стыком, в которых используются отраженные (вторичные) электроны, улавливаемые специальным коллектором. Датчик вторичной эмиссии (коллектор) отличается простотой и высокой надежностью при интенсивной металлизации, возникающей 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 направлении стыка и переводят в режим сканирования в непосредственной близости от пятна нагрева. Скорость сканирования должна быть достаточно высокой, чтобы исключить оплавление кромок: ¥ск > 10 Р, где ¥ск - скорость сканирования; Р - мощность пучка, кВт [2].
Для получения управляющего сигнала находят временное положение импульсов тока отраженных электронов. Устройства, использующие данный способ получения сигнала, в настоящее время представлены достаточно широко. Такие системы содержат генератор 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 поперек стыка свариваемых деталей. Время зондирования стыка пучком обычно не превышает 500 мс и выбирается из соображений минимального влияния на сварочный процесс. Блок формирования импульса стыка преобразует сигнал датчика вторичных электронов (ДВЭ) в напряжение, соответствующее изменению вторичной эмиссии в момент пересечения стыка электронным пучком. В зависимости от конкретного исполнения блока такой импульс может быть получен путем линейного преобразования с сохранением формы тока вторичной эмиссии либо преобразования его в прямоугольный импульс или импульс двойной полярности ключевыми схемами.
Блок коррекции положения пучка контролирует положение импульса 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 повышается точность системы за счет введения астатизма первого порядка, а также повышается помехозащищенность при попадании сигнала от стыка над прихватками.
В процессе электронно-лучевой сварки на датчик вторичных электронов действуют различного рода помехи, вызывающие флуктуации сигнала. Источником помех может быть нестабильность тока пучка, ускоряющего напряжения, наличие поверхностных неровностей, неоднородность свариваемого материала, изменение зазора в стыке. Существенная помеха возникает в результате парогазового облака, возникающего при ЭЛС мощным пучком. Такое облако приводит к рассеянию пучка и увеличению его эффективного диаметра. Кроме того, выброс пучка вперед стыка сопровождается спадом сигнала вторичной эмиссии. Появление флуктуаций сигнала датчика также вызывается испарением металла при перемещении пучка по контуру сканирования [3]. Решение задачи помехозащищенности является одной из главных проблем при создании систем слежения по стыку. Одним из способов снижения влияния пульсаций тока пучка
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1
на помехозащищенность вторично-эмиссионного датчика является синхронизация начала поискового движения с фазой промышленной сети при максимальном значении напряжения на выпрямителе.
Повысить помехозащищенность системы слежения можно, если в период обнаружения стыка снижать мощность пучка. 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. В этих источниках питания на короткое время (2 мс) номинальная мощность пучка снижается до 100 Вт. В момент сканирования стыка пучком пониженной мощности производится его динамическая фокусировка. Широкое применение систем с модуляцией тока пучка затруднено из-за необходимости переработки существующих источников питания, высоких требований к стабильности и быстродействию устройств модуляции.
Библиографические ссылки
1. Управление электронно-лучевой сваркой / В. Д. Лаптенок, А. В. Мурыгин, Ю. Н. Серегин и др. / Сиб. аэрокосмич. акад. Красноярск, 2000.
2. Баня Е. Н., Киселевский О. Н., Назаренко О. К. Анализ сигналов датчиков вторичной эмиссии, применяемых в системах автоматического направления электронного луча по стыку // Автоматическая сварка. 1973. № 3.
3. Горбунов В. Н., Назаренко О. К., Шаповал В. Н. Система слежения за стыком при ЭЛС // Электронно-лучевая сварка : ст. тр. ионфер. М. : ДНТН, 1986.
© Андреев А. Н., Папуша А. Г., 2017
