Improvement of the positioning accuracy along the joint connection of details with the residual magnetization in electron beam welding

Full Text

Введение. Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) используется в 30 странах мира в основных отраслях промышленности. Наибольшее широкое применение этот вид сварки получил в автомобильной, авиационной, космической отраслях, судостроении, ядерной энергетике, где к качеству сварных соединений предъявляют высокие требования [1]. Точное совмещение электронного пучка со стыком свариваемых деталей является необходимым условием получения качественного сварного соединения при электронно-лучевой сварке. При этом ось пучка должна находиться в той же плоскости, что и поверхность стыка, а также должна быть совмещена со стыком по всей глубине свариваемого изделия. В противном случае возможно смещение шва. Несмотря на значительные достижения в разработке автоматических систем слежения за стыком соединения, проблема совмещения электронного пучка со стыком по всей глубине свариваемого изделия остается актуальной из-за наличия в некоторых случаях магнитных полей, отклоняющих электронный пучок от стыка и приводящих к смещению сварного шва, что влечет за собой появление непроваров. Известно, что отклонение электронного пучка может быть вызвано остаточной намагниченностью свариваемых изделий, намагниченностью оснастки, воздействием различных электромагнитных устройств, действием тока термо-ЭДС, возникающего при сварке разнородных материалов [2]. Применяют различные способы уменьшения влияния магнитных полей [3-8]: размагничивание изделия, экранирование электронного пучка, компенсация магнитного поля в зоне сварки. Наиболее приемлемым способом защиты пучка электронов от магнитного поля является его компенсация в зоне сварки. Для этого необходимо измерить продольную составляющую магнитного поля в пространстве «пушка - свариваемое изделие». Влияние магнитного поля помехи на траекторию пучка электронов можно оценить, используя формулы для расчета угла наклона у траектории пучка и отклонения x пучка электронов от оси электронно-лучевой пушки [9]: =mV IIB( z)dzdz, где e = 1,602 10 19 - заряд электрона, Кл; V - скорость движения электронов, м/с; B(z) - закон распределения магнитной индукции в рабочем пространстве по оси Z; m - масса электрона, рассчитываемая по формуле m = где m0 = 9,109 • 10-31 - масса покоя электрона, кг; c = 2,977 108 - скорость света, м/с. Математическая модель магнитных полей термоэлектрических токов, возникающих при сварке разнородных материалов, представлена в работе [10] и может быть использована для оценки отклонения электронного пучка от стыка свариваемых деталей вследствие действия этих полей. Возникает необходимость в математическом описании закона распределения магнитной индукции в рабочем пространстве при сварке изделий с остаточной намагниченностью. Математическая модель распределения магнитной индукции полей остаточной намагниченности. В литературе [11; 12] магнитное поле намагниченных тел представляют как результат взаимодействия магнитных полей эквивалентных проводников с током. В частности, поле поляризованного по оси намагниченного диска представляется как поле эквивалентного кольцевого проводника с током, а поле стержневого магнита представляется как результирующее поле совокупности круговых токов эквивалентной цилиндрической обмотки с током. Подобный подход широко используется в современной электротехнике. Магнитное поле, создаваемое намагниченным веществом, можно описать введением макроскопических «молекулярных токов», отличных от тока проводимости. Вектор объёмной плотности молекулярных токов j' определяется соотношением j = rotM. (2) Сила молекулярного тока I' через произвольную поверхность S, опирающуюся на контур L, определяется интегральным соотношением, следующим из (2): I' = I j'dS = ф Mdl. S L В отличие от тока проводимости, молекулярный ток через полную площадь любого сечения намагниченного тела равен нулю. Поле магнитной индукции В'(г), создаваемое намагниченным веществом, эквивалентно полю, создаваемому молекулярными токами j'(r) в вакууме. При этом полный вектор магнитной индукции В определяется эффективной плотностью тока js, равной сумме плотности токов проводимости и молекулярных токов: js = j + j' . С введением молекулярных токов дифференциальное и интегральное уравнения магнитостатики можно записать в виде rotS = цо js, ф Bdl = ц о J jsdS = И' о Is , L S где Is = I +1' - величина эффективного тока через поверхность S, опирающуюся на контур L. Магнитное поле, создаваемое намагниченным телом с фиксированным распределением намагниченности M(r), можно найти, заменив намагниченное тело эквивалентным распределением молекулярных токов. Индукция магнитного поля рассчитывается по найденному распределению молекулярных токов аналогично методам нахождения индукции магнитного поля токов в вакууме [12]. При ЭЛС наибольшую опасность представляет намагниченность, направленная вдоль линии сварки, поскольку электронный пучок в данном случае отклоняется поперек стыка. Такая намагниченность наблюдается в магнитном поле прямого тока, протекающего поперек стыка свариваемых деталей. Предположим, что свариваемое изделие имеет однородную намагниченность и молекулярные токи направлены поперек стыка сварного соединения. По закону Био-Савара-Лапласа индукция магнитного поля бесконечно длинного прямого проводника с током находится по формуле Вп И01 R = 2nR2 2nR ' Таким образом, выражение (3) можно переписать в следующем виде: В = В0 • R r Такой же результат получается, если проводник имеет квадратное сечение. Если началом координат является электроннолучевая пушка, расстояние от которой до свариваемого изделия равно l, то закон распределения магнитной индукции в рабочем пространстве по оси Z будет определяться выражением В(z) = В0 R R + (l - z) (4) где В0 - величина магнитной индукции на поверхности свариваемого изделия вблизи стыка и в свариваемом изделии. Выражение (4) описывает закон изменения магнитной индукции в пространстве «электроннолучевая пушка - свариваемое изделие». Для оценки точности полученной модели распределения магнитной индукции в рабочем пространстве «электронно-лучевая пушка - свариваемое изделие» произведено сравнение экспериментальных значений H/z) (см. таблицу) напряженности магнитного поля, измеренных цифровым измерителем магнитных полей с феррозондовым датчиком, со значениями, рассчитанными по формуле H (z) B = М 2пг Bz) И0 (3) где ц0 = 4п10-7 Гн/м - магнитная постоянная; I - сила тока, А; r - расстояние от оси прямого проводника с током до заданной точки пространства, м. Если ток распределен равномерно по сечению прямого цилиндрического проводника, радиус сечения которого равен R, то индукция магнитного поля внутри проводника с током определяется выражением с учетом (4) при толщине изделия 50 мм (R = 25 мм). Расчеты показывают, что средняя ошибка аппроксимации не превышает 5 %. Подставляя выражение (4) в формулы (1) и интегрируя по z, получим выражения для определения угла наклона у траектории луча и отклонения х пучка электронов от оси электронно-лучевой пушки: B = r 2nR2 У = ~Т7 J В( z )dz = “V J В ГИ I/ •> ГИ I/ •> R mV 0 mV 0 R + (l - z) -dz = (5) Отсюда индукция магнитного поля на поверхности проводника (r = R) = - B0 R [ln(R +1) - ln(R + (l - z))], mV Экспериментальные и расчетные значения напряженности магнитного поля z, мм 0 10 20 30 40 55 105 155 195 H3(z), А/м 342 254 202 160 133 105 61 47 38 H(z), А/м 342 244,3 190 155,5 131,5 106,9 65,8 47,5 38,9 - dzdz = _ R_ R + (l - z) mV • х=mv ІІВ( z )dzdz=mV ІН = -^-B0R [ z + (R +1 - z)ln(R +1 - z) + (6) mV + (z -R -1)ln(R +1)]. Зная величину отклонения луча от оси электроннолучевой пушки, нетрудно рассчитать значение индукции поля намагниченности на поверхности изделия вблизи стыка. Так, в работе [13] рассмотрены поля остаточной намагниченности при электронно-лучевой сварке стали типа АБ толщиной 150 мм. Отклонение луча от оси шва в результате действия полей остаточной намагниченности достигало 15 мм. Используя формулу (6) при R = 75 мм, l = 250 мм и ускоряющем напряжении U = 60 кВ, получим В0 = 1,2 мТл. Система автоматической компенсации смещения луча, вызванного действием полей остаточной намагниченности. Для управления процессом сварки в условиях действия полей остаточной намагниченности наиболее простым способом является компенсация магнитных полей путем введения магнитного поля встречной направленности с помощью электромагнитных устройств. На рисунке представлена функциональная схема системы автоматической компенсации влияния поля остаточной намагниченности свариваемого изделия. Устройство содержит электронно-лучевую пушку 1, формирующую электронный пучок, фокусирующую систему 2 и источник тока фокусировки 3, отклоняющие катушки 4 и 5 отклонения электронного пучка по поверхности свариваемого изделия в координатах у и х, генератор 7 сканирования пучка, рентгеновский датчик 8 с щелевым коллиматором, избирательный усилитель 9, настроенный на частоту сканирования по координате х, демодулятор 10, избирательный усилитель 11 второй гармоники частоты сканирования, выпрямитель 12, усилитель 13 с регулируемым коэффициентом усиления, интегратор 14, электромагнит 15, блок 16 наведения пучка на стык сварного соединения, электропривод 17 перемещения пушки. Электронно-лучевой пушкой формируется сфокусированный электронный пучок. С помощью генератора сканирования и отклоняющих катушек осуществляется технологическое сканирование пучка, которое помимо обеспечения измерения отклонения электронного пучка от стыка позволяет расширить возможности повышения качества сварки за счет управления распределением энергии по пятну нагрева [14]. Рентгеновский датчик контроля влияния магнитных полей на электронный пучок закреплен на электронно-лучевой пушке так, что проекция коллимационной щели на поверхности свариваемого изделия параллельна стыку соединения и совпадает с оптической осью пушки. В процессе сканирования электронного пучка поперек стыка в выходном сигнале рентгеновского датчика 8 появляется гармоническая составляющая частоты сканирования, амплитуда которой пропорциональна смещению электронного пучка от оптической оси пушки, вызванному действием магнитных полей в промежутке «пушка - свариваемое изделие», а фаза этой гармонической составляющей указывает на направление смещения. Гармоническая составляющая рентгеновского датчика усиливается избирательным усилителем 9 и преобразуется в напряжение постоянного тока в демодуляторе 10, на опорный вход которого подается сигнал с генератора 7 с частотой сканирования пучка поперек стыка. Сигнал на выходе демодулятора пропорционален отклонению электронного пучка от оси пушки в соответствии с математической моделью, представленной в работе [15]. Кроме того, в выходном сигнале рентгеновского датчика присутствует составляющая с частотой второй гармоники частоты сканирования. Вторая гармоника максимальна при совмещении электронного пучка с оптической осью пушки. Она характеризует чувствительность рентгеновского датчика и увеличивается при возрастании тока пучка. Эта составляющая усиливается избирательным усилителем 11 второй гармоники, преобразуется в напряжение постоянного тока на выходе выпрямителя 12 и поступает на вход регулировки коэффициента усиления усилителя 13. Регулировка коэффициента усиления производится с целью стабилизации коэффициента усиления контура управления во всем диапазоне сварочных токов. Усиленный сигнал через интегратор 14 поступает на электромагнит, который создает в свариваемом изделии компенсирующее магнитное поле, противоположное полю остаточной намагниченности свариваемого изделия. Использование интегратора позволяет ликвидировать отклонение электронного пучка от оптической оси электронно-лучевой пушки. Совмещение электронного пучка со стыком свариваемого изделия осуществляется с помощью блока наведения пушки на стык сварного соединения и электропривода перемещения электронно-лучевой пушки. При этом плоскость стыка сварного соединения должна быть параллельна оптической оси пушки. Полная компенсация влияния магнитного поля достигается, если компенсирующее магнитное поле имеет такой же закон изменения индукции B(z), только направлено встречно. Это достигается выбором конфигурации электромагнита. Точная компенсация положения электронного пучка относительно стыка соединения достигается в точке, находящейся в середине глубины канала проплавления, в связи с тем, что интенсивность рентгеновского излучения усредняется по каналу проплавления. Автоматическая компенсация действия магнитных полей остаточной намагниченности свариваемого изделия позволяет уменьшить погрешность позиционирования электронного пучка по стыку соединения в корне шва в 20-30 раз. Заключение. Таким образом, можно сделать следующие выводы: 1. Представлена модель распределения магнитного поля от остаточной намагниченности изделия в промежутке «электронно-лучевая пушка - изделие». Функциональная схема системы автоматической компенсации влияния поля остаточной намагниченности 2. Предложена функциональная схема системы автоматической компенсации отклонения пучка электронов под действием магнитного поля помехи. 3. Автоматическая компенсация позволяет уменьшить отклонение пучка от стыка соединения до величин, обеспечивающих высокое качество сварных соединений.

About the authors

Alexandra Alekseevna Druzhinina

79, Svobodnyi Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

Email: druzhininasasha@rambler.ru
senior teacher of the Department of Automation of production processes and thermal technology in metallurgy, Institute of Non-ferrous Metals and Material Science

Valery Dmitriyevich Laptenok

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

Email: ius_laptenok@sibsau.ru
Dr. Sc., Professor of Information control systems department 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation

Alexander Vladimirovich Murygin

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

Email: avm514@mail.ru
Dr. Sc., Professor, head of Information control systems department 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation

References

Supplementary files