AUTOMATIC DETECTION SYSTEM FOR THE SEAM AT THE ELECTRON BEAM WELDING PROCESS

Full Text

В настоящее время достаточно много внимания уделяется вопросам обеспечения точного позициони- рования электронного луча по стыку свариваемых деталей при сварке протяженных стыков. В качестве источников информации о положении луча относи- тельно стыка используются такие сопутствующие явления, как вторичная электронная эмиссия и рент- геновское излучение. В случае отсутствия оплавления свариваемых кромок характер изменения вторично- эмиссионного тока и интенсивности тормозного рент- геновского излучения от положения луча относитель- но стыка является одинаковым – экстремальным, при этом экстремум – минимум характеристики – соот- ветствует совпадению координат луча и стыка, благо- даря чему становится возможным применение уни- фицированного аппаратного состава для построения устройств слежения за стыком. Анализ вторичных излучений при отсутствии оплавления не случаен, поскольку выделение инфор- мации о положении луча относительно стыка из кана- ла проплавления затруднено из-за наличия высокого уровня помех. В то же время требуемую в процессе сварки информацию можно получить в непосредст- венной близости от канала, что может быть реализо- вано, например, кратковременным выводом луча из канала, осуществлением измерительных операций и возвращением луча в зону сварки. При этом макси- мальное время вывода должно быть таким, чтобы не произошло заметных изменений в сварочной ванне, а скорость перемещения луча должна обеспечить ввод энергии, недостаточной для оплавления кромок стыка. В разработанном авторами устройстве для автома- тического слежения за стыком при электронно- лучевой сварке реализован поиск экстремума, осно- ванный на способе синхронного детектирования сиг- нала датчика стыка. Применение синхронного детек- тирования основано на том, что при сканировании стыка электронным лучом в спектре сигнала датчика стыка появляются гармонические составляющие с частотами, кратными частоте сканирования. Так, ам- плитуда составляющей сигнала с частотой, равной частоте сканирования, пропорциональна отклонению луча относительно стыка, а ее фаза определяет на- правление смещения. *Работа выполнена при финансовой поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (код проекта 2.1.2/9274). 127 Технологические процессы и материалы Появление в сигнале датчика гармонических со- ставляющих связано с тем, что в параметры элек- тронного луча вводятся периодические составляю- щие. В частности, математическое ожидание положе- ния луча можно представить в виде суммы постоян- ной составляющей (случайного отклонения луча от стыка) и периодической составляющей с заданной тематическое ожидание положения луча может быть представлено следующим образом: ε = ε0 + εmsin α, где ε0 – смещение луча относительно стыка; εm – ам- плитуда поискового движения; α = ωt, здесь ω – час- тота, t – время. Тогда выражение (1) примет вид амплитудой (сканирования стыка лучом). ⎪⎧ 1 x2 ⎡ (x −ε − ε sin α)2 ⎤ ⎫⎪ Вторичная электронная эмиссия и рентгеновское J (ε0 ) = KIb ⎨1− ∫ exp ⎢− 0 m ⎥ dx⎬. (2) излучение являются следствием взаимодействия пер- вичного пучка электронов с веществом свариваемых ⎪⎩ σ 2π x1 ⎢⎣ 2σ ⎥⎦ ⎭⎪ деталей. Поэтому если допустить, что плотность рас- пределения электронов в луче подчиняется нормаль- ному закону, то при отсутствии оплавления ток вто- ричных электронов и интенсивность тормозного рент- геновского излучения с точностью до соответствую- щих коэффициентов определяются выражением [1]: При наличии периодической составляющей в па- раметре ε выходной сигнал датчика (2) может быть представлен рядом Фурье. Рассмотрим зависимость составляющей ряда b1 с частотой ω от ε0. Эта составляющая определяется как коэффициент ряда Фурье: 2π ⎪⎧ 1 x2 ⎡ ( x − ε)2 ⎤ ⎫⎪ b (ε ) = 1 J (ε ) sin αd α. (3) J (ε) = KIb ⎨1 − σ 2π ∫ exp ⎢− 2σ2 ⎥ dx ⎬ , (1) 1 0 π ∫ 0 0 ⎩⎪ x1 ⎣ ⎦ ⎪⎭ График зависимости b1(ε0), рассчитанной в соот- где J – параметр вторичного излучения; K – коэффи- циент, характеризующий природу вторичного излу- чения; Ib – ток луча; σ – среднеквадратическое откло- нение электронов от оси пучка; ε – математическое ожидание положения луча; x1 и x2 – координаты кро- мок стыка; (x1 – x2) = δ – зазор в стыке. Анализ графиков, построенных по выражению (1) (рис. 1), показывает, что при ε = 0 координата x экс- тремума совпадает с координатой стыка x= 0. Рис. 1. Зависимость интенсивности вторичных излучений J от положения луча относительно стыка: σ = const = 0,1 мм; δ = var; 1 – δ/σ = 0,1; 2 – δ/σ = 0,5; 3 – δ/σ = 1; Jн – нормализованный параметр J Экстремальный характер этих зависимостей обу- словливает возможность применения известных спо- собов поиска экстремума для определения положения луча относительно стыка. Одним из таких способов является способ синхронного детектирования сигнала датчика (вторично-эмиссионного или рентгеновско- го), для чего вводятся поисковые движения – скани- рование стыка электронным лучом. В результате ма- ветствии с (3) (рис. 2), позволяет сделать вывод о том, что в окрестностях стыка спектральная составляющая b1(ε0) пропорциональна рассогласованию положений луча и стыка, а ее знак определяет направление рассо- гласования. Это обстоятельство предполагает воз- можность применения синхронного детектирования сигнала датчика для получения информации о поло- жении луча относительно стыка. Рис. 2. Зависимость амплитуды синусоидальной составляющей сигнала датчика с частотой ω от положения луча относительно стыка: σ = 0,1 мм; δ = 0,1 мм; εm = 1 мм Устройства для автоматического слежения за сты- ком при электронно-лучевой сварке (рис. 3) работает следующим образом [2]. С помощью генератора выброса Г и отклоняющей системы ОСY луч периодически выводится из свароч- ной ванны по направлению сварки. В это же время генератором ГС и отклоняющей системой ОСX осу- ществляется сканирование стыка лучом (рис. 4, а). Одновременно генератор ГС формирует опорное на- пряжение, поступающее на один из входов синхрон- 128 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева ного детектора СД. В синхронном детекторе происхо- дит перемножение сигналов датчика Д и опорного напряжения: [b1(ε0)sin α] sin α = [b1(ε0)] / 2 – [b1(ε0)cos 2α] / 2. (4) Рис. 3.Структурная схема устройства: Д – датчик; ГС – генератор сканирования; СД – синхронный детектор; Ф – фильтр; У – усилитель; Г – генератор выброса луча; ОСX – отклоняющая система по оси Х; ОСY – отклоняющая система по оси Y Из (4) и осциллограмм (см. рис. 4) следует, что ес- ли есть отклонение b1(ε0) луча от стыка, то сигнал на выходе синхронного детектора представляет сумму постоянной и переменной составляющей с частотой, равной 2ω (рис. 4, б). Высокочастотная составляющая отфильтровывается фильтром Ф, и сигнал постоянно- го тока, пропорциональный отклонению луча через усилитель мощности У, поступает в отклоняющую систему ОСX, в результате чего осуществляется кор- рекция положения луча. При совпадении координат луча и стыка b1(ε0) = 0 и сигнал на выходе синхронно- го детектора практически отсутствует (рис. 4, в). а б в Рис. 4. Осциллограммы сигналов: а – ток в отклоняющей системе Х; б – сигнал на выходе синхронного детектора при ε0 ≠ 0; в – сигнал на выходе синхронного детектора при ε0 = 0 Техническая реализация рассмотренного устрой- ства не представляет особых трудностей. В качестве вторично-эмиссионного датчика используется кол- лектор вторичных электронов, а в качестве рентгенов- ского датчика – датчик сцинтилляционного типа с фотоэлектронным умножителем (рис. 5). Рис. 5. Рентгеновский датчик Макрошлифы соединений, выполненных элек- тронно-лучевой сваркой без слежения и со слежении- ем за стыком, представлены ниже (рис. 6). Рис. 6. Макрошлифы соединений, выполненных электронно-лучевой сваркой без слежения (правый снимок) и со слежением за стыком (левый снимок) Устройства, разработанные в соответствии с при- веденной на рис. 3 функциональной схемой, в течение нескольких лет эксплуатируются при электронно- лучевой сварке крупногабаритных изделий аэрокос- мической отрасли. Погрешность совмещения луча со стыком не превышает 0,1 мм. Таким образом, можно сделать следующие выводы: – одинаковая природа вторично-эмиссионного и рентгеновского излучения при электронно-лучевой сварке позволяет использовать для устройств управ- ления одинаковый аппаратный состав; – в условиях электронно-лучевой сварки предпоч- тительнее применять рентгеновские датчики слеже- ния за стыком, так как рентгеновское излучение наи- менее подвержено действию различных помех; – применение синхронного детектирования сигна- ла датчика стыка увеличивает помехозащищенность устройства за счет того, что вероятность помехи на частоте сканирования мала.

About the authors

V. Ya. Braverman

Email: braverman- vladimir@rambler.ru.

V. S. Belozertsev

T. G. Veysver

Email: braverman- vladimir@rambler.ru.

References

Supplementary files