ISSUES RELATING TO CONTROLLING SEAM FORMATION PROCESS IN ELECTRON BEAM WELDING

Аннотация

It is discussed ways to ensure quality of welding seams produced with electron beam welding. The complexity and multi-factor nature of this technology leave many decisions to be made during the welding process itself to ensure the desired quality of the welding seam. It is also evaluated informational quality of secondary radiations.

Толық мәтін

Широкое применение электронно-лучевой сварки (ЭЛС) обусловлено возможностью обеспечения по- вышенных требований к свойствам и качеству свар- ных соединений и получения улучшенных весовых и эксплуатационных характеристик отдельных узлов и изделий в целом. Уникальность многих конструкций, реализуемых с помощью ЭЛС, жесткие требования к функциональ- ной надежности, а также характерные особенности процесса ЭЛС определяют повышенные требования к технологическим параметрам сварки и необходимость их оптимизации на основе расчета и управления в ре- жиме «реального времени». Целью управления формированием сварного шва при ЭЛС является обеспечение гарантированного ка- чества соединений с воспроизводимостью параметров шва при заданных режимах сварки в условиях быс- тропротекающего и плохо наблюдаемого многопара- метрического процесса. Эта цель предполагает высо- кую степень изученности физической сущности про- цесса и требует определенного набора технических средств и технологических приемов. Традиционные подходы определения режимов процесса ЭЛС с помощью многочисленных техноло- гических экспериментов часто оказываются неприем- лемыми с экономической стороны (особенно при от- работке технологии сварки уникальных дорогостоящих конструкций). В связи с этим оказывается целе- сообразной замена натурных экспериментов модели- рованием на ЭВМ. Работы по созданию компьютерных моделей про- цессов обработки материалов с помощью высококонцентрированных источников энергии проводятся в настоящее время в США (Ливерморская лаборатория, Центр вооружений ВМС), в Англии (Университет Эссекса), во Франции, в Китае, Германии и ряде других стран. Разработка таких моделей позволяет не только лучше понять процессы обработки концентрирован- ными потоками энергии (КПЭ), но и создать удобный инструмент для разработки технологических процес- сов, подбора режимов и прогнозирования результатов обработки. Большинство исследователей подходит к модели- рованию процесса ЭЛС традиционно, уделяя внима- ние лишь процессу теплопроводности. Однако такой подход не приводит к успеху, поскольку воздействие электронного луча не сводится исключительно к на- греву изделия, а характеризуется значительным меха- ническим воздействием на расплав, вследствие испа- рения металла под лучом. Сложность и многофактор- ность задачи делает традиционные методы моделиро- вания, базирующиеся на конечно-разностных или ва- риационно-разностных решениях, практически беспо- лезными. image 1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 07-08-00179). В связи с этим для адекватного описания процес- сов обработки КПЭ Центром лазерных технологий Санкт-Петербургского политехнического университе- та предлагается разработка и программное обеспече- ние математической модели на основе совместного решения связанных задач межфазного тепло- массообмена, гидро- и газодинамики и физики транс- портировки и поглощения излучения [1]. Структура названных взаимосвязей показана на рис. 1. К успеху в данном случае приводит комбинация численных методов с аналитическими решениями. Основные функции системы: расчет формы и размеров сварных швов, в зави- симости от свойств свариваемых материалов и пара- метров технологических режимов; расчет тепловых и термических полей металла шва и околошовной зоны; расчет химического состава металла шва с уче- том испарения легирующих компонентов; расчет параметров эквивалентного теплового ис- точника, обеспечивающего такую же форму проплав- ления, как и истинное лучевое воздействие; подбор оптимальных режимов сварки. В дальнейшем особое внимание планируется уде- лить разработке динамических моделей, пригодных для управления ЭЛС в режиме «реального времени» и разработке моделей для прогнозирования химическо- го состава зоны сварного соединения. Наличие адекватных математических моделей процесса ЭЛС имеет большое значение для теории сварочных процессов и практического применения, однако сложность и многофакторность этого вида сварки оставляет многие задачи обеспечения требуемого качества сварного шва для решения непосредст- венно в процессе сварки с помощью специальных технических средств управления формированием сварного шва. К таким задачам относятся обеспечение точного позиционирования электронного луча по сты- ку свариваемых деталей, стабилизация глубины про- плавления, управление уровнем фокусировки луча, управление энергетическими параметрами источника питания электронно-лучевой пушки. При этом целе- сообразно в качестве информационных сигналов ис- пользовать явления, сопутствующие процессу сварки. ЭЛС сопровождается рядом сопутствующих или вторичных излучений, которые в той или иной степе- ни характеризуют процесс сварки и представляют ин- терес для контроля процесса и автоматического регу- лирования с обратной связью по качеству и геометрии сварного шва. Это излучения в инфракрасном, свето- вом, радио-, СВЧ, рентгеновском диапазонах, возник- новение отраженных, вторичных и тепловых электро- нов, положительно .заряженных ионов (рис. 2). Рентгеновское и тепловое излучения несут непо- средственную информацию о состоянии поверхности сварочной ванны, а радио- и СВЧ-излучения - об электромагнитных процессах в канале и, следователь- но, косвенную, усредненную информацию о поведе- нии сварочной ванны. Прием радио- и СВЧ-излучения из зоны сварки осуществляется антеннами, защищенными от попада- ния на них вторичноэмиссионных частиц. Исследова- ния показали [2; 3], что интенсивность этих излучений хорошо коррелируется с уровнем фокусировки элек- тронного луча. Других четких взаимосвязей с процес- сом сварки не обнаружено. image Материал Материал Излучения и параметры ре- жима сварки Транспортировка энергии (поглощение и рассеяние) Взаимодействие излучения с паро- плазменной фазой Материал Теплоперенос (кондукция и конвенция) Испарение и конденсация Связь через гра- ничные условия Гидродинамика Газодинамика Связь через коэф- фициенты в урав- нениях Материал, скорость сварки Материал Рис. 1. Структура задачи о лучевой сварке металлов image Все излучения, кроме рентгеновского, имеют уз- кую диаграмму направленности, обусловленную фор- мой канала. При регистрации таких излучений прак- тически невозможно выделить сигнал от определен- ной точки поверхности канала. Суперпозиция в мо- мент приема датчиками излучений от разных точек ванны и происшедших в разное время приводит к не- определенности регистрируемого сигнала, т. е. к его усреднению по поверхности расплава и объему ка- нала. Отраженные ляют амплитуды постоянной и переменной состав- ляющих. Исследования эмиссионных сигналов показали, что четкая взаимосвязь этих сигналов с качеством сварного шва отсутствует [5]. Лишь в ряде случаев при сварке сталей отмечается соответствие аномаль- ных всплесков амплитуды колебания ионного тока и образование полостей в объеме шва [6]. Однако ши- рокого практического применения для контроля и управления процессом сварки этот факт не получил. Наиболее практически значимым результатом этих исследований является установление зависимости от Электронный Тепловое, оптическое, Пар радио, СВЧ, рентгеновское излучения Тепловые Канал Ионы электроны Вторич- ные элек- троны Шов уровня фокусировки электронного луча мощностью до 5 кВт частоты перехода через нуль амплитуды пе- ременной составляющей как ионного, так и электрон- ного токов вторичной эмиссии [7]. Частотный анализ пульсаций ионного тока пока- зывает, что при сравнительно малых мощностях электронного луча имеют место почти гармонические ко- лебания. При увеличении мощности частотный спектр расширяется, появляются другие гармоники, а при глубине проплавления свыше 30 мм частотный спектр становится шумовым. Исследование частотных характеристик вторичных эмиссионных токов при ЭЛС указывает на возмож- ность использования этих характеристик для контроля Рис. 2. Вторичные излучения из зоны сварки при ЭЛС На практике реализован метод спектрографическо- го контроля глубины несквозного проплавления по ионизационному свечению паров [4]. Способ осуще- ствляется за счет введения в зону будущего шва двух маркирующих веществ на двух различных уровнях, между которыми должен находиться корень шва. Сис- тема автоматического управления процессом сварки построена так, чтобы обеспечить наличие в парах над сварочной ванной маркирующего вещества из первого уровня, а появление вещества со второго уровня до- пускается только кратковременно. Так как формирование сварочной ванны определяется в основном механическим воздействием на по- верхность расплава испаряющихся атомов материала, то динамические, статические и усредненные пара- метры парового потока наиболее полно характеризу- ют процесс развития и существования сварочной ван- ны. Поскольку оперативная регистрация указанных параметров пара практически невозможна, то обычно измеряются характеристики потока вторичноэмисси- онных заряженных частиц - электронов и ионов, воз- никающих при ионизации пара электронным пучком и сохраняющих определенную информацию о состоя- нии поверхности канала в сварочной ванне. Для прие- ма вторичноэмиссионных заряженных частиц приме- няют кольцевые металлические пластины (коллекто- ры), устанавливаемые соосно с электронным пучком над сварочной ванной. Разделение вторичных элек- тронов и ионов осуществляется подачей на коллектор соответственно положительного или отрицательного смещения - напряжения, равного 80...200 В. При ана- лизе сигналов коллекторов вторичной эмиссии выдепроцесса сварки. Так, частота пульсаций парового потока, истекающего из канала проплавления, или частота пульсаций ионного или вторичноэмиссионно- го токов коррелируют с глубиной проплавления и со степенью фокусировки [8]. Первостепенное значение во время сварки имеют вопросы совмещения луча со свариваемым стыком. Наибольшее распространение в практике ЭЛС полу- чили вторичноэмиссионные системы слежения за стыком. Датчик стыка - коллектор вторичных элек- тронов - отличается простотой конструкции, нечувст- вительностью к запылению парами металлов, практи- чески неограниченным сроком службы, малыми габа- ритами и универсальностью по отношению к мате- риалу свариваемых деталей и характеру стыков. В современных вторичноэмиссионных системах ин- формационный сигнал получают в процессе разверты- вающих преобразований различных модификаций [9]. С помощью вторично-электронного сигнала не- возможно получать информацию тогда, когда луч на- ходится в канале проплавления. Поэтому для измери- тельных операций осуществляют выброс луча на ко- роткое время из сварочной ванны. Однако интенсив- ное парообразование приводит к тому, что форма им- пульса вторичноэмиссионного тока отличается от рас- четной, и возможны ложные срабатывания, приводя- щие к ошибке определения положения луча относи- тельно стыка. В работе [10] показано, что из-за испа- рения металла с поверхности сварочной ванны спад сигнала датчика до уровня, соответствующего эмис- сии электронов с нерасплавленной поверхности за- держан относительно начала сканирования на время, определяемое скоростью разлета атомов пара (0,8...1,6)·103 м/с и расстоянием датчика от сварочной ванны. Таким образом, совмещение в одном сварочном луче поисковых и рабочих функций требует аппарат- ных решений, обеспечивающих высокую скорость сканирования стыка лучом, необходимую задержку начала сканирования относительно начала измерения вторичноэмиссионного сигнала, а также введение сле- дящего ограничителя, срабатывание которого связано с уровнем фона. Принцип действия систем управления с рентгеновскими датчиками заключается в возможности регист- рации изменения рентгеновского излучения при изме- нении соответствующего технологического параметра (глубины проплавления, положения луча относитель- но стыка и т. д.) [11; 12]. С помощью узконаправлен- ных датчиков рентгеновского излучения (РИ) можно выделить сигнал от определенной области поверхно- сти канала сварочной ванны. В качестве датчиков РИ используются сцинтилляционные кристаллы совмест- но с фотоэлектронными умножителями, фотодиодные матрицы. Наблюдение за формированием сварного шва в собственных рентгеновских лучах позволяет сущест- венно расширить представления о физических про- цессах, сопутствующих образованию канала в свароч- ной ванне. Однако возможность использования этой методики для автоматического регулирования глуби- ны несквозного проплавления ограничивается лишь крайне редкими случаями высокой энергии сварочно- го пучка (ускоряющее напряжение Uуск ≥ 100 кВ) при одновременно малом ослаблении сигнала материалом изделия. На характеристики рентгеновского излучения не оказывают влияние колебания сварочной ванны, экра- нировка парами металла. Высокая помехозащищен- ность рентгеновских датчиков свидетельствует о пер- спективности их применения в системах управления технологическим процессом ЭЛС. Внедрение систем сдерживается недостаточностью данных о физико- технологических характеристиках рентгеновского излучения при ЭЛС (диапазон изменения, чувстви- тельность, оптимальное расположение датчика и т. д.) что, в свою очередь, затрудняет определение принци- пов построения таких устройств. В заключение можно сделать следующие выводы: Анализ существующих методов и средств управления формированием сварного шва при ЭЛС свидетельствует о том, что несмотря на большое раз- нообразие имеющихся разработок, пока нет средств, удовлетворяющих требованиям точности и надежно- сти в эксплуатации при ЭЛС современных изделий. Подтверждением этого является отсутствие широкого внедрения указанных разработок при очевидной их потребности в производстве. Большое значение для практического примене- ния имеет наличие адекватных математических моде- лей процесса формирования сварного шва при ЭЛС, однако сложность и многофакторность технологии оставляет многие задачи обеспечения требуемого ка- чества для решения непосредственно при сварке по сопутствующим информационным сигналам. В качестве информации для контроля ЭЛС мож- но использовать все сопутствующие процессу явле- ния, однако рентгеновское излучение и зоны сварки, обладающие очевидной информационной насыщенно- стью при абсолютной, практически, помехозащищен- ности оказывается мало изученным с точки зрения использования его для управления формированием сварного шва. Это свидетельствует о целесообразно- сти проведения исследований с целью разработки рентгеновских систем управления ЭЛС.