Зависимость рентгеновского излучения от положения луча относительно стыка при различной степени фокусировки в процессе электронно-лучевой сварки Текст научной статьи по специальности «Физика»

машину с неопределенностью результатов измерений не более 5 мкм в любой точке рабочего объема.

Библиографические ссылки

1. Многофункциональная прецизионная лазерная технологическая система для обработки большеразмерных деталей произвольной топологии / В. С. Базин, А. Г. Верхогляд [и др.] // Автометрия. Т. 41. N° 6. 2005. С. 107-114.

2. Ахманов С. А., Никитин С. Ю. Физическая оптика. М. : Изд-во МГУ 1998.

3. Ведерников В. М., Кирьянов В. П., Лебедев Г. А. Применение лазерного интерферометра для контроля и юстировки измерительных систем тяжелых станков // Станки и инструмент. № 4. 1978.

A. G. Verkhogliad, M. F. Stupak, Yu. V Chugui SURFACE LASER MICROPROFILING

Brief description of main technical decisions and experimental results of testing of laser technological complex are presented. Measurement error in stop-start mode doesn’t exceed 2 цт, treatment error under the movement of executive element on the arbitrary contour was no more than 20 jim. The operation speed under the surface microprofiling exceeded 9m/min. The time of continuous work in automatic mode has been more than 15 hours within the temperature range from +18 up to +30 С°.

Keywords: laser technological complex, bulk articles laser treatment, cutting, ablation, measurement of 3D objects geometry.

© Верхогляд А. Г., Ступак М. Ф., Чугуй Ю. В., 2010

УДК621.791.72

В. Я. Браверман, В. С. Белозерцев

ЗАВИСИМОСТЬ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ПОЛОЖЕНИЯ ЛУЧА ОТНОСИТЕЛЬНО СТЫКА ПРИ РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНИ ФОКУСИРОВКИ В ПРОЦЕССЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ*

Рассматривается зависимость рентгеновского излучения от положения луча относительно стыка при различной фокусировке в процессе электронно-лучевой сварки. Результаты используются для синтеза систем автоматического направления луча.

Ключевые слова: электронно-лучевая сварка; рентгеновское излучение; математическое ожидание; плотность распределения электронов.

координаты кромок стыка (разность х1 и х2 определяет зазор в стыке).

Представление в выражении (1) плотности распределения электронов в виде среднеквадратического отклонения ст носит принципиальный характер и не отражает связи с параметрами электронно-оптических систем электронно-лучевых пушек и зависимости от смещения поверхности свариваемых деталей относительно плоскости острой фокусировки. В связи с этим предлагается следующее определение среднеквадратического отклонения: ст = ст0 + |Дст(ДЬ )| + |дст(д/ф ),

где ст0 - минимальное ст; Дст(ДЬ) - приращение ст в зависимости от смещения ДЬ поверхности свариваемых деталей относительно плоскости острой фокусировки; Дст(Д/ф) - приращение у в зависимости от приращения

* Работа выполнена при финансовой поддержке АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (код проекта 2957).

При электронно-лучевой сварке (ЭЛС) сходящимися электронными пучками положение фокуса луча относительно свариваемых поверхностей является одним из определяющих технологических параметров процесса [1]. Кроме того, степень фокусировки влияет как на чувствительность систем управления положением луча относительно стыка, так и на их устойчивость.

Зависимость рентгеновского излучения (РИ) от положения луча относительно стыка свариваемых деталей описывается следующим выражением [2]:

(x -s)2

2s2

dx\, (1)

где є - математическое ожидание (положение луча относительно стыка); X - координата оси стыка, х = 0; х1 и х2 -

тока (Д/ф) фокусирующей системы относительно тока острой фокусировки.

Допустим, при токе фокусирующей системы (ФС) /ф1 электронный луч сфокусирован на поверхности свариваемых деталей (СД) с фокусным расстоянием, равным/ (рис. 1). При значении тока фокусирующей системы /ф2 изменится положение фокуса луча и окажется на расстоянии^. Изменение тока фокуса на Д/ф приводит к увеличению у на Дст.

Согласно рис. 1 можно найти следующее:

Дст(Д/ф) = Я Л - /2 /г’

где Я1 - средний радиус рассеяния электронов в объеме фокусирующей системы.

Отсюда

Да(Д7^ ) =

Я

С / \

А _ і

/2

Рис. 1. К расчету зависимости ст от ДЬ и Д/ф

Известно соотношение, связывающее фокусное расстояние с параметрами фокусирующей системы и током фокуса [3]:

/» Би

средний радиус обмотки. С учетом этого получим следующее:

Дст(Д/Ф ) =

(1 фі + Д/Ф )2

V

_ 1

(2)

где /ф2=/ф1 + Д/ф-

График зависимости (2) для электронно-лучевой пушки КЭП-2М (Я1 » 10 мм; ’ = 5000; и = 25 кВ; /Ф1 50 мА) приведен на рис. 2.

Абсолютное значение Дст(Д/ф) свидетельствует о том, что изменение тока фокусирующей системы Д/ф относительно тока острой фокусировки приводит к увеличению ст относительно минимального ст„.

Рис. 2. Зависимость приращения радиуса луча от Д/ф

Представляет интерес зависимость смещения плоскости острой фокусировки ДЬ от приращения Д/ф тока фокусирующей системы. Согласно рис. 1 можно найти следующее значение:

ДЬ = /1 _ /2

Би

/2’2

1 _

/Ф21

(1Ф1 _Д/ф ).

(3)

График зависимости (3) для электронно-лучевой пушки КЭП-2М представлен на рис. 3. Видно, что приращение тока фокусирующей системы на 1 мА приводит к смещению плоскости острой фокусировки почти на 40 мм. Это свидетельствует о необходимости стабилизации тока фокусирующей системы.

Зависимость Дст от ДЬ можно определить следующим образом:

Дст(ДЬ) =

^ ДЬ /1

или

Да(ДЬ) =

(/ ф’ )2 Я

Би

ДЬ

(4)

где /ф - ток фокусирующей системы; W - количество витков фокусирующей системы; и - ускоряющее напряжение; Б » 48Я - параметр фокусирующей системы; Я -

График зависимости (4) приведен на рис. 4. Расчеты произведены для электронно-лучевой пушки КЭП-2М, с углами сходимости электронного пучка ап » 0,01^-0,03 рад.

Очевидно, что результаты ЭЛС электронно-лучевыми пучками с меньшими углами сходимости менее подвержены дестабилизирующим факторам.

Подставим уравнение (2) в (1):

^отн 1

'

а о + Я

(1ф1+Д ф) _1

>л/2л

л2

< | ехр

(х _е)2

'

а0 + Я

(1 ф1+Д ф )2 _ 1

1 ф12

ёх. (5)

Соотношение (5) описывает зависимость интенсивности рентгеновского излучения от положения луча относительно стыка при различных токах расфокусировки электронного луча (рис. 5). При расчетах зазор в стыке Д = х2 - х1 принят равным 0,1 мм, ст0 = 0,1 мм. Характер зависимостей аналогичен приведенным в литературе [2], где представлены характеристики интенсивности рентгеновского излучения в зависимости от положения луча относительно стыка при различных ст. Этого следовало ожидать, так как изменение тока фокусирующей системы эквивалентно изменению ст в соответствии с (5).

-3 0 3

Рис. 3. Зависимость смещения плоскости острой фокусировки от Д7ф

Рис. 4. Зависимость приращения радиуса луча от смещения плоскости свариваемых деталей

Если в выражение (1) вместо у подставить (4), то получим характеристику интенсивности рентгеновского излучения в зависимости от положения луча относительно стыка и положения поверхности свариваемых деталей относительно плоскости острой фокусировки (рис. 6):

=1 _ 1

(I фР )2 я

2

<| ехр

БП

(х _е)2

ДЬ

л/2эт

(IфР ) я

БП

ДЬ

(6)

Рис. 5. Зависимость РИ от е при различных токах расфокусировки: 1 - Д1ф = 0; 2 - Д7ф = 0,1; 3 - Д7ф= 0,5;

4 - ДІ. = 1 мА

Рис. 6. Зависимость РИ от е при различных уровнях свариваемых поверхностей относительно плоскости острой фокусировки: 1 - АЬ = 0; 2 - АЬ = 5,3; 3 - АЬ = 15;

4 - АЬ = 40 мм

Когда луч находится на стыке (е = 0), то интенсивность рентгеновского излучения минимальна при минимальном радиусе луча, т. е. при Д/ф = 0 и ДЬ = 0 (рис. 5, 6). При этом относительное изменение интенсивности рентгеновского излучения при смещении луча относительно стыка максимально.

При расфокусировке луча (Д/ф Ф 0 и ДЬ Ф 0) относительное изменение интенсивности рентгеновского излучения уменьшается, ветви характеристик становятся более пологими. Можно сказать, что датчик рентгеновско -го излучения становится менее чувствительным к смещению луча относительно стыка.

Зависимости интенсивности рентгеновского излучения от степени расфокусировки (Д/ф) при различных положениях луча (е) относительно стыка представлены на рис. 7. Характеристики рассчитаны по формуле (5) для электронно-лучевой пушки КЭП 2М при ст0 = А = 0,1 мм.

При больших значениях расфокусировки величина интенсивности рентгеновского излучения стремится к значению интенсивности излучения, возникающего на чистом металле (без зазора). Очевидно, что при смещении сфокусированного луча (Д/ф = 0) относительно стыка, интенсивность рентгеновского излучения повышается (рис. 7, кривые 2-5), но характер его изменения при расфокусировке не одинаков.

Когда смещение луча е не превышает Д, характеристики имеют экстремум-минимум в точке Д/ф = 0 (кривые

1, 2), т. е. значение интенсивности излучения минимально при сфокусированном луче.

Если смещение е > Д, то при Д/ф = 0 интенсивность оказывается больше, чем в окрестностях этой точки. При расфокусировке она начинает уменьшаться, а затем увеличиваться до максимального значения (кривые 3-5). Это можно объяснить следующим образом. Когда луч смещен на величину е < Д, то большая часть электронов, попадая в зазор, не участвует в создании рентгеновского излучения. При расфокусировке эта часть электронов уменьшается, и поэтому интенсивность излучения сразу начинает возрастать. Если же луч смещен на величину, превышающую Д (е > Д), то в этом случае большая часть электронов участвует в создании рентгеновского излучения. Когда диаметр луча начинает увеличиваться, возрастает число электронов, попадающих в зазор, и интенсивность излучения начинает уменьшаться. При дальнейшей

расфокусировке количество электронов, попадающих на поверхность изделия возрастает быстрее, чем количество электронов, проникающих в зазор, и интенсивность излучения возрастает.

Явление изменения интенсивности излучения при расфокусировке луча можно использовать для контроля и управления положением фокуса луча относительно поверхности свариваемых деталей.

С другой стороны, необходимо учитывать это явление при реализации средств позиционирования луча по стыку. Из графиков видно, что заметные изменения интенсивности излучения происходят уже при токах расфокусировки, составляющих доли 1 мА. Поэтому нестабильность тока фокусирующей системы может стать причиной ложных «срабатываний» - изменение интенсивности рентгеновского излучения в то время, когда положение луча относительно стыка постоянно.

В связи с этим представляет интерес возможность определения причины изменения интенсивности рентгеновского излучения (изменение положения луча или изменение положения острой фокусировки луча). Такую возможность дает, например, частотная селекция сигнала рентгеновского датчика при наличии в параметрах электронного луча периодических составляющих с известными частотами.

Максимальное относительное изменение интенсивности рентгеновского излучения при перемещении луча относительно стыка может служить критерием фокусировки луча на поверхности свариваемых деталей при регистрации излучения без оплавления кромок, а также критерием максимальной чувствительности датчика к перемещению луча относительно стыка.

Полученные соотношения, определяющие связь тока фокусирующей системы с параметрами луча, позволили произвести анализ зависимости интенсивности рентгеновского излучения от изменения тока фокусировки и уровня поверхности свариваемых деталей.

Явление изменения интенсивности рентгеновского излучения при изменении уровня фокусировки луча можно использовать для контроля и управления положением фокуса луча относительно поверхности свариваемых деталей, однако необходимо различать причину изменения интенсивности, чтобы осуществлять управление по требуемому параметру (по положению луча, фокуса, диаметру луча).

■/п-

Рис. 7. Зависимость РИ от степени расфокусировки при различных положениях е электронного луча относительно стыка: 1 - е = 0; 2- е = 0,1; 3 - е = 0,15; 4 - е = 0,2; 5 - е = 0,5; 6- е = 2 мм

Библиографические ссылки

1. Рыкалин Н. Н., Зуев И. В., Углов А. А. Основы электронно-лучевой обработки материалов. М. : Машиностроение, 1978.

2. Математические модели процессов изменения рентгеновского излучения от положения луча относительно

стыка при электронно-лучевой сварке / В. Я. Браверман,

В. С. Белозерцев, Н. Н. Горяшин [и др.] // Вестник Сиб-ГАУ Вып. 2. 2009. С. 247-251.

3. Башенко В. В. Электронно-лучевые установки. Л. : Машиностроение, 1975.

V Ya. Braverman, V S. Belozertsev

DEPENDENCE OF X-RAY RADIATION FROM BEAM POSITION AGAINST JOINT WITH DIFFERENT FOCUSING DEGREE IN THE PROCESS OF ELECTRON BEAM WELDING

The article considers dependence of X-ray emission from the position of the beam againstjoint at differentfocus in the process of electron-beam welding. The results are used for the synthesis of systems of automatic direction of beam.

Keywords: electron beam welding, X-ray radiation, mathematical expectation, density of electron distribution.

© Браверман В. Я., Белозерцев В. С., 2010

УДК621.787

Л. И. Оборина, А. Е. Романов, Б. К. Исмаылов, И. В. Стерехов, И. В. Трифанов

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛОСНО-ПРОПУСКАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ, РАБОТАЮЩИХ В СВЧ-, КВЧ - ДИАПАЗОНАХ

Представлены методы изготовления полосно-пропускающего фильтра на волноводе прямоугольного сечения, изготавливаемого из размеростатичного материала сплава 32 НКД.

Ключевые слова: волновод, деформирующее протягивание, многостороннее деформирование, напряжение.

Приоритетными тенденциями развития высокочастотных систем спутниковой связи КВЧ-диапазона являются интенсивное освоение Ка-диапазона длин волн (СВЧ-, КВЧ-диапазонов), а также миллиметрового диапазона волн (КВЧ-диапазона) [1].

Ключевыми свойствами этих перспективных систем спутниковой связи будут являться технические решения реализации высокоскоростных услуг, которые обеспечат применение спутниковой связи в массовых сегментах рынка, где наибольшее значение имеют факторы глобальности услуг, конвергенции абонентских сервисов и муль-тимедийности информации.

Технологические достижения в области создания элементной базы КВЧ-диапазона будут определять уровень развития радиотехнических средств, антенно-фидерных систем, возможности, глубину и содержание осваемого КВЧ-диапазона. Одной из важных задач является разработка научно-технологических решений при изготовлении полосно-пропускающих фильтровых устройств, обеспечивающих электромагнитную совместимость между приемным и передающим трактом ретранслятора, а также минимальные вносимые потери в заданной полосе пропускания и стабильность ра-

бочих характеристик в условиях воздействия космической среды при циклическом изменении температуры в диапазоне ±150 °С.

В связи с отмеченным для изготовления фильтровых устройств, обеспечивающих электромагнитную совместимость стволов, ретранслятора целесообразно использовать материалы с малым температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) 1^ 2 1/°С.

Таким требованиям отвечает сплав 32 НКД, основные характеристики которого представлены в табл. 1.

Предварительный расчет волноводных полосно-пропускающих фильтров с параллельными индуктивными связями проводится по формулам [2]. Длина волн в волноводе прямоугольного сечения a х Ь имеет вид

(1)

1-

2x a

где Хg - длина критической волны; 1 - длина волны в воздухе; a - наибольший поперечный размер прямоугольного волновода.

Необходимое количество резонаторов полосно-про-пускающего фильтра Чебышевского типа определяется