AUTOMATIC POSITIONING ON THE JOINT LINE DURING ELECTRON BEAM WELDING IN CONDITIONS OF ACTION OF MAGNETIC INTERFERENCE

Full Text

Введение. Электронно-лучевая сварка (ЭЛС), нашедшая наибольшее промышленное применение в аэрокосмическом машиностроении, авиационной промышленности, ядерной энергетике, судостроении, позволяет получать высококачественные неразъемные соединения, не требующие последующей термической и механической обработки деталей из любых, в том числе тугоплавких и химически активных, металлов и сплавов. ЭЛС позволяет соединять за один проход детали толщиной до 400 мм, обеспечивая при этом максимальную пластичность и вязкость сварных соединений [1]. Позиционирование по стыку соединения при электронно-лучевой сварке является сложной научно-технической задачей. Этой проблематике посвящены исследования многих авторов [2-12], но успешного решения проблемы до сих пор не получено. Сложность заключается в том, что устройства контроля положения стыка непосредственно в процессе сварки обладают низкой помехозащищенностью. Это связано с тем, что чувствительность устройства снижается из-за увеличения диаметра технологического электронного пучка, а уровень помех различного рода при сварке резко возрастает. Поэтому промышленное использование получили системы позиционирования по стыку, в которых запись программы траектории стыка производится в процессе его предварительного прохода в режиме малого тока, а при сварке записанная траектория стыка воспроизводится. При этом условия протекания процесса сварки не должны приводить к отклонению электронного пучка от стыка соединения. Электронно-лучевая сварка часто сопровождается возмущениями в виде магнитных полей, вызванных остаточной намагниченностью оснастки и свариваемых деталей, работой различных электромагнитных устройств, а также термоэлектрическими токами, протекающими в изделии при сварке разнородных материалов. Полностью устранить влияние магнитных полей на электронный пучок, как правило, не удается. Эти поля отклоняют пучок электронов от стыка и приводят к образованию непроваров в стыке соединения. Кроме того, магнитные поля являются нестационарными и могут изменяться в процессе сварки. Это ограничивает возможности использования систем позиционирования по стыку с предварительной записью траектории. Наиболее приемлемым способом устранения влияния магнитных полей на отклонение электронного пучка от оптической оси электронно-лучевой пушки является компенсация этих полей в зоне их действия путем введения магнитных полей встречной направленности [13]. Анализ спектральных характеристик датчика влияния магнитных помех на отклонение электронного пучка. Для контроля влияния магнитных помех на отклонение электронного пучка от оптической оси пушки используется коллимированный рентгеновский датчик, который содержит рентгеновский детектор и коллиматор в виде щелевой бленды, ограничивающей зону обзора датчика и выполненной из материала, поглощающего рентгеновское излучение. Коллимационная щель датчика должна совпадать с оптической осью пушки и направлением сварки. Измерение осуществляется по методу синхронного детектирования, для чего используется технологическое сканирование электронного пучка поперек стыка свариваемого изделия (рис. 1). При сканировании электронного пучка в выходном сигнале рентгеновского датчика появляются гармонические составляющие с частотами, кратными частоте сканирования [14]. Математическая модель рентгеновского датчика как элемента, обладающего частотным спектром выходного сигнала при наличии периодического сигнала сканирования электронного пучка, выражается соотношением [15] , (1) где коэффициенты ряда определяются выражениями: 41. , (2) 42. , (3) 43. . (4) Здесь интенсивность рентгеновского излучения от поверхности свариваемого изделия определяется из выражения (5) 44. где fd(x) - функция зоны обзора коллиматора рентгеновского датчика; k = 1,5×10-9 В-1 - коэффициент пропорциональности; k1 - коэффициент, учитывающий пространственную ориентацию датчика; Ib - ток электронного пучка; Z - атомный номер материала свариваемого изделия; U0 - ускоряющее напряжение; sx - среднеквадратические отклонения электронов от оси пучка по оси x; ε0 - рассогласование положений пучка и оптической оси электронно-лучевой пушки; εm - амплитуда сканирования пучка поперек стыка. Рис. 1. Схема контроля влияния магнитных помех на отклонение электронного пучка: 1 - электронно-лучевая пушка; 2 - фокусирующая система; 3, 4 - отклоняющая система; 5 - коллимированный рентгеновский датчик; 6 - электропривод перемещения электроннолучевой пушки; 7 - свариваемое изделие Функция зоны обзора коллиматора рентгеновского датчика с учетом наличия стыка, расположенного в одной плоскости с осью коллимационной щели датчика, (6) где l1 - длина коллимационного канала; l2 - расстояние от коллиматора до поверхности детали; h - ширина щели коллиматора рентгеновского датчика; Δ - ширина зазора в стыке. В соответствии с математической моделью рентгеновского датчика первая гармоника частоты сканирования позволяет определять отклонение электронного пучка от оптической оси электронно-лучевой пушки, вызванное действием магнитных помех. На рис. 2 представлены нормированные зависимости амплитуды первой гармоники от смещения электронного пучка относительно оптической оси пушки при различной ширине зазора в стыке. Расчеты проводились по формулам (3), (4) с учетом (5) и (6) при l1 = 10 мм, l2 = 15 мм, h = 0,3 мм. Из характеристик видно, что при увеличении ширины зазора в стыке амплитуда первой гармоники уменьшается. Учитывая тот факт, что ЭЛС применяют для изготовления ответственных деталей, прошедших тщательную предварительную обработку пред сваркой, можно сделать вывод, что ширина зазора в процессе сварки остается постоянной и при симметричном расположении стыка относительно оси коллимационного отверстия рентгеновского датчика на показания датчика влияния не оказывает. Рассмотрим случай, когда стык свариваемых деталей смещен относительно оптической оси электронно-лучевой пушки. Как видно из рис. 3, отклонение электронного пучка от стыка соединения в этом случае складывается из смещения стыка от оптической оси пушки xст и отклонения электронного пучка от оптической оси пушки xл, т. е. εст = xст + xл. На рис. 4-6 представлены зависимости амплитуды первой гармоники от смещения электронного пучка относительно оптической оси пушки при различных значениях отклонения стыка. Рис. 2. Зависимости b1(ε0) при εm = 1 Рис. 3. К анализу спектральных характеристик рентгеновского датчика: ЭЛП - электронно-лучевая пушка; ЭП - электропривод перемещения пушки; РД - рентгеновский датчик; КВЭ - коллектор вторичных электронов; Δ - ширина зазора в стыке Рис. 4. Зависимости b1(ε0) при εm = 1, Δ = 0,1 мм Рис. 5. Зависимости b1(ε0) при εm = 1, Δ = 0,2 мм Рис. 6. Зависимости b1(ε0) при εm = 1, Δ = 0,3 мм Анализ представленных зависимостей показывает, что смещение стыка относительно оси коллимационного отверстия датчика приводит к смещению спектральных характеристик датчика относительно нуля. Это смещение должно быть учтено в автоматической системе слежения по стыку в условиях действия магнитных помех. Автоматическая система слежения по стыку соединения при ЭЛС в условиях действия магнитных помех. Структурная схема двухконтурной системы слежения по стыку при ЭЛС в условиях действия магнитных помех представлена на рис. 7. Влияние смещения стыка на сигнал коллимированного рентгеновского датчика положения электронного пучка относительно оптической оси пушки делает двухконтурную систему взаимосвязанной. На схеме приняты следующие обозначения: xд - координата свариваемой детали; xп - координата пушки; Bf(z) - магнитная индукция поля помехи; xf - смещение электронного пучка от действия поля помехи; xк - смещение электронного пучка от компенсирующего поля; xл - смещение электронного пучка от оптической оси пушки; xст - смещение стыка от оптической оси пушки; εст = xст + xл - отклонение пучка электронов от стыка соединения; WИ(s) - передаточная функция измерительного устройства положения стыка; WИУ(s) - передаточная функция измерительного устройства отклонения электронного пучка; Wсв(s) = Ксв·WИУ(s) - передаточная функция связи, где Ксв < 1 - коэффициент передачи; WЭМ(s) - передаточная функция электромагнита; WУ(s) - передаточная функция усилителя; K - коэффициент передачи интегратора; Kдв - коэффициент передачи двигателя; Tдв - постоянная времени двигателя; s - оператор Лапласа; ЗУ - запоминающее устройство; ДПИ - датчик перемещения изделия. В качестве измерительного устройства положения стыка используется датчик вторичной эмиссии (коллектор), улавливающий отраженные от поверхности изделия электроны при сканировании стыка электронным пучком [13]. Для анализа устойчивости и качества системы слежения по стыку использовался пакет SimuLink системы MatLAB. Функциональная схема системы, представленная для расчетов в пакете SimuLink, приведена на рис. 8. На рис. 9-11 изображены переходные процессы в системе при подаче на нее ступенчатых воздействий. В результате анализа переходных процессов установлено, что система устойчива и могут быть достигнуты требуемые показатели качества регулирования. Погрешность совмещения электронного пучка со стыком в корне шва будет εк = εст+ θ·d. Рис. 7. Структурная схема двухконтурной системы слежения по стыку Рис. 8. Модель двухконтурной системы слежения по стыку в пакете SimuLink Рис. 9. Переходный процесс в системе при отклонении стыка и наличии магнитных помех Рис. 10. Переходный процесс в системе при наличии магнитных помех и отсутствии смещения стыка Рис. 11. Переходный процесс в системе при отклонении стыка и отсутствии магнитных помех Контур компенсации магнитного поля позволяет уменьшить на два порядка как отклонение электронного пучка от оптической оси пушки, так и угол наклона траектории, что особенно важно при сварке больших толщин. В системах с предварительной записью траектории стыка контур компенсации магнитного поля должен работать как в режиме записи, так и в режиме воспроизведения траектории стыка в процессе сварки. Это позволяет повысить точность позиционирования по стыку и в случае изменения магнитных полей. Высокая надежность системы при этом сохраняется. В режиме сварки стык оплавляется, и поэтому его отклонение не приводит к изменению сигнала измерительного устройства отклонения пучка электронов от оси пушки. В этом случае коэффициент связи равен нулю. Заключение. 1. Автоматическая компенсация магнитного поля помехи позволяет существенно повысить точность позиционирования по стыку соединения при электронно-лучевой сварке. 2. Контур компенсации магнитного поля делает систему позиционирования по стыку двухконтурной взаимосвязанной, но при этом условия устойчивости сохраняются.

About the authors

A. A. Druzhinina

Siberian Federal University

Email: druzhininasasha@rambler.ru
79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

V. D. Laptenok

Reshetnev Siberian State Aerospace University

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

P. V. Laptenok

Reshetnev Siberian State Aerospace University

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

A. V. Murygin

Reshetnev Siberian State Aerospace University

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

References

Supplementary files