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