Автоматическое регулирование процесса сварки электронным лучом

3.4.1. Краткая характеристика процесса электронно-лучевой сварки как объекта управления

При электронно-лучевой сварке (ЭЛС) источником нагрева свариваемого металла является электронный луч – направленный поток быстро движущихся электронов, кинетическая энергия которых превращается в тепловую при ударе их о поверхность свариваемого изделия. Скорость электронов в луче составляет примерно 100000 км/с, и поэтому, несмотря на их незначительную массу, кинетическая энергия электронов достаточна для осуществления сварки.

Для формирования пучка электронов с заданными параметрами

и для управления этими параметрами по величине и координате относительно изделия в электронно-лучевых установках имеется энергетический комплекс устройств, в состав которого входят электронно-лучевая пушка, высоковольтный источник питания, системы управления и контроля.

На рис. 32 схематично показана достаточно часто используемая электронно-оптическая система (электронно-лучевая пушка), создающая поток электронов и формирующая желаемое поперечное сечение луча на поверхности изделия.

Тепловая энергия, образующаяся при торможении электронов, расплавляет металл в месте сварного соединения, обеспечивая узкий («кинжальный») по форме поперечного сечения проплав.

Основными параметрами процесса ЭЛС являются:

- ускоряющее напряжение Uуск (без биологической защиты выпускаются пушки на ускоряющее напряжение 30 кВ, с биологической защитой – на 60 и 150 кВ);

- ток электронного пучка Iп, мА;

- ток электромагнитной фокусирующей линзы Iм, мА, определяющей диаметр пятна воздействия потока электронов на деталь;

- скорость сварки Vсв, м/ч.

На процесс электронно-лучевой сварки действуют различного рода возмущения, среди которых колебания напряжения питающей сети, физическое старение оборудование, некачественная подготовка деталей к сварке, неточная сборка и др.

При колебаниях ускоряющего напряжения изменяется положение фокусного пятна на свариваемых деталях, что

существенно влияет на глубину проплавления.

Угол отклонения пучка при постоянном токе отклоняющей катушки зависит от ускоряющего напряжения, поэтому при изменении Uуск от заданного значения в процессе сварки луч может сместиться со свариваемых кромок.

Ток пучка в процессе сварки зависит от эмиссионной способности катода и величины ускоряющего напряжения.

Таким образом, чтобы получить шов требуемого качества, необходим контроль и стабилизация основных параметров процесса электронно-лучевой сварки.

Для электронно-лучевых пушек разработаны и применяются: системы стабилизации мощности пучка электронов, системы стабилизации тока пучка электронов, тока электромагнитных фокусирующих линз, скорости сварки, система автоматической фокусировки пучка электронов и др.

Специфичными для ЭЛС являются системы автоматического регулирования, использующие в качестве носителя информации о состоянии процесса сварки эффект эмиссии вторичных электронов с поверхности свариваемого изделия.

Для регистрации интенсивности и характера потока вторичных электронов используют специальное устройство – коллектор 6 (рис. 18), который представляет собой изолированный металлический электрод произвольной формы, расположенный над свариваемым изделием вблизи от сварочной электронной пушки, но за пределами сварочного пучка электронов.

В цепи коллектора 6 возникают импульсы тока, обусловленного вторичными электронами при сканировании основного луча электронов поперек стыка и уменьшенного по мощности так, чтобы не расплавлялись кромки. Импульсы тока преобразуются в импульсы напряжения U на резисторе R (рис. 32), которое в дальнейшем используется для управления параметрами процесса сварки.

3.4.2. Автоматическая стабилизация фокуса электронного луча

При исследованиях процесса ЭЛС было установлено, что параметры импульса напряжения от вторичных электронов зависят от диаметра пятна электронного луча на поверхности металла при его перемещении поперек стыка: амплитуда импульса обратно пропорциональна, а длительность прямо пропорциональна диаметру. На основе этого эффекта была создана система автоматической стабилизации фокусного пятна, которая в автоматическом режиме работает следующим образом.

Во время сварки пучок электронов периодически на некоторое, очень короткое, время с помощью отклоняющей системы линз и блоков развертки выводится вперед по ходу сварки за пределы сварочной ванны и там разворачивается поперек стыка. Ток фокусирующей системы линз корректируется таким образом, чтобы величина напряжения U, снимаемого с резистора R, была максимальна, что соответствует наименьшему диаметру пучка электронов, а следовательно, и максимальной плотности тока на поверхности изделия. Луч возвращается в исходное положение и увеличивается по мощности, продолжая процесс сварки. Поскольку постоянная времени процесса плавления достаточно велика, ванна за время настройки фокусного расстояния остыть не успевает.

Такая система обеспечивает неизменное положение фокусного пятна на поверхности детали.

3.4.3. Автоматизация направления электронного луча по стыку свариваемых кромок

В связи с тем, что свариваемая деталь при ЭЛС находится внутри корпуса установки, наблюдение за процессом сварки затруднено, и поэтому решение задачи об автоматическом направлении луча по стыку особенно важно.

Корректировку положения пучка относительно кромок свариваемого изделия выполняют за счет изменения тока в системе отклоняющих катушек. При сварке металла толщиной до 3…5 мм для корректировки положения луча может быть использовано его угловое отклонение. При сварке металлов большей толщины или при значительных смещениях кромок угловое отклонение луча нежелательно, т.к. возможно возникновение несплавления кромок с обратной стороны соединения. Поэтому в подобных случаях необходимо применять две пары отклоняющих систем, расположенных на различной высоте. Такая конструкция отклоняющих линз обеспечивает параллельный сдвиг луча относительно свариваемых кромок.

Может быть использован и другой путь: корректировка положения луча относительно кромок стыка осуществляется за счет перемещения свариваемого изделия, но в этом случае значительно увеличивается инерционность системы автоматического регулирования.

Для получения информации о положении оси луча относительно стыка могут быть использованы те же приемы и средства, что и при дуговой сварке. Однако наиболее перспективными в решении задачи ориентации луча по стыку при

ЭЛС представляются чисто электронные системы автоматического слежения, использующие эффект вторичной эмиссии электронов. Принцип работы таких систем состоит в следующем.

Рабочий пучок электронов так же, как и при автоматической стабилизации фокуса, периодически уменьшается по мощности и с помощью отклоняющей системы и блоков развертки выводится

а) б)

Рис. 33. Получение информации о положении луча относительно

стыка на основе эффекта вторичной эмиссии

(пояснение в тексте)

вперед по ходу сварки за сварочную ванну и перемещается поперек стыка по траектории, которая имеет форму равнобедренного треугольника (рис. 33,а). Когда луч достигает положения, которое соответствует середине основания треугольника, система вырабатывает электрический импульс синхронизации (рис. 33,б). При пересечении лучом стыка в системе возникает импульс напряжения (рабочий импульс), обусловленный вторичной эмиссией электронов. Если оба импульса возникают одновременно, значение

t = 0, и следовательно, корректировка положения луча не требуется.

Если же импульсы возникают с некоторым интервалом относительно друг друга, то по тому, когда возникает рабочий импульс - раньше импульса синхронизации или позже - система «судит» о том, в какую сторону отклонился стык, а по величине t «определяет», насколько он отклонился от центра фокуса рабочего луча. В соответствии с полученной и обработанной информацией формируется управляющее воздействие, изменяющее параметры тока отклоняющей системы таким образом, чтобы значение t было равно нулю.

После такой корректировки луч возвращается в положение, соответствующее вершине треугольника, и мощность его увеличивается до уровня, обеспечивающего продолжение процесса сварки.

3.4.4. Управление качеством проплавления при ЭЛС на основе эффекта вторичной эмиссии

Для повышения качества проплавления при ЭЛС разработана система, самонастраивающаяся по частоте на импульсный режим сварки. Принцип действия системы предусматривает улучшение формирования шва путем исключения взаимодействия луча с парами металла, которые выделяются из сварочной ванны.

Известно, что максимум напряжения U, обусловленного током вторичной эмиссии, наблюдается в момент, когда плотность паров максимальна и в наибольшей степени сказывается их взаимодействие с «рабочими» электронами пучка на возникновение пор и раковин в сварном шве. Чтобы исключить или значительно уменьшить степень влияния такого взаимодействия на качество сварного шва, электронная пушка запирается, когда напряжение U достигает определенной величины, и таким образом исключается взаимодействие паров металла с лучом.

По мере удаления газов из канала сварки напряжение U стремится к нулю, пушка вновь отпирается и процесс плавления металла продолжается. Таким образом, осуществляется импульсный режим сварки, но вместо установки параметров импульсов вручную, система автоматически настраивается на необходимую частоту прерывания луча по частоте пиков напряжения U.