ACCURACY IMPROVEMENT OF MELTING CONTROL AT THE ELECTRON BEAM WELDING PROCESS

Resumo

The authors consider the capability of accuracy improvement of melting control at the electron beam welding process, due to optimal choice of scanning signal magnitude.

Texto integral

В настоящее время вопросы стабилизации заданной глубины проплавления при электронно-лучевой сварке (ЭЛС) остаются актуальными, особенно на заключительных этапах сборки ответственных узлов. Мы уже рассматривали способ контроля и стабилизации глубины проплавления по рентгеновскому излучению, регистрируемому со стороны ввода электронного луча [1]. Способ основан на определении положения максимума интенсивности рентгеновского излучения, соответствующего текущей глубине проплавления при заданных режимах ЭЛС (рис. 1). Определение максимума интенсивности осуществляется коллимированным рентгеновским датчиком на основе кристалла NaJ(Tl). На датчик попадает часть рентгеновского излучения J^z) в пределах, ограниченных шириной коллиматора Д, величина которой по оси z составляет ДМпф и определяется выражением А 2sin9 2 f e-0^~0z) dz , Ja (e z ) _ Jm (1) А 2sin9 -0,4(z-E z где e z - плотность распределения рентгеновского излучения по оси z; ez - смещение пятна нагрева относительно заданной глубины проплавления. Представим sz в виде Sz = Sz0 + szmsina, (2) где sz0 - постоянная составляющая смещения пятна нагрева относительно заданной глубины проплавления; szm - амплитуда переменной составляющей смещения пятна нагрева относительно заданной глубины проплавления; a = юї; ю = частота переменной составляющей; t - время. Представление (2) отражает тот факт, что в положение пятна нагрева введено поисковое движение с частотой ю и амплитудой szm. Это может быть реализовано, например, введением переменной составляющей в ток электронного сварочного луча или колебаниями коллиматора относительно проекции пятна нагрева. При подстановке выражения (2) в (1) последнее может быть представлено рядом Фурье в тригонометрической форме: a ” Jд (e z 0 ) = "2 + X(ak Cos a + bk sin a) , 2 k=1 где а^ bk - коэффициенты ряда: і я =—f 2я J А 2sin9 ,-0,4(z“Ez0 -Ezm sin a) dz 2sin9 А 2sin ф f ‘ А 2sin ф ,-0,4(z“Ez0-Ezm sin a) dz cos kad a; (3) sin k ad a . (4) Анализ приведенных соотношений свидетельствует о том, что при наличии в положении пятна нагрева поискового движения по глубине канала проплавления спектральный состав ренгеновского излучения (РИ) дополняется составляющими с частотами, кратными частоте поискового движения и амплитудами, находящимися в определенной зависимости от положения пятна нагрева относительно заданной глубины проплавления. Так амплитуды синусоидальных составляющих bk с частотами (2n + 1)ю, где n = 0, 1, ..., пропорциональны в некоторых пределах смещению пятна нагрева относительно заданной глубины проплавления (положения коллиматора). Они равны нулю при отсутст вии смещения и меняют знак при изменении направления смещения пятна нагрева относительно заданного положения (рис. 2). Изменение знака свидетельствует об изменении фазы колебаний данной составляющей на 180о. Характер зависимостей этих составляющих предполагает очевидный простой способ получения информации о глубине проплавления, заключающийся, например, в синхронном детектировании сигнала датчика рентгеновского излучения, т. е. выделении составляющей с частотой ю и использовании ее для управления параметрами ЭЛС (током луча или током фокусирующей системы), от которых зависит глубина проплавления. Если положение пятна нагрева совпадает с осью рентгеновского датчика, то амплитуды косинусоидальных составляющих а2, а4, ... (четные гармоники) максимальны (рис. 3). Составляющая с двойной частотой поискового движения а2 может использоваться, например, для определения амплитуды поискового движения, при которой обеспечивается наибольшая чувствительность способа. Так, из формулы (3) можно определить зависимость а2 от szm при sz0 = 0: 1 я :(S zm )= 2^f 0,3 2sii^ 2sii^ -0,4(z-e dz cos2ada. (5) График зависимости (5) показывает, что максимальная чувствительность может быть достигнута при амплитуде поискового движения, составляющей 2-3 % от глубины проплавления (рис. 4). Влияние амплитуды поискового движения на зависимость амплитуды b1 от положения ez0 пятна нагрева относительно заданной глубины проплавления представлено на рис. 5. Зависимости рассчитаны в соответствии с выражением: 1 я b1 (E z0 )= ^f 0,3 2sinф 0,3 2sinф 3-0,4(z-Ez0 -EZm sin a) sin a da 123 Технологические процессы и материалы bb/Jm 0,04 0 -0,04 -0,08 *5 ^ ІЗ У ✓^3 К х \ \ V \—-- -6 -4 -2 0 2 4 6 Рис. 2. Зависимости амплитуд синусоидальных bk составляющих от смещения пятна нагрева относительно заданной глубины проплавления: А = 0,1 мм; ф = 450 akUm 0,2 к т 0,15 0,1 0,05 0 ^ЙГ0 N а2 8zn, % -6 -4 -2 Рис. 3. Зависимости амплитуд косинусоидальных составляющих ak от смещения пятна нагрева относительно заданной глубины проплавления: А = 0,1 мм; ф = 450 0 1 2 3 4 5 Рис. 4. Зависимость амплитуды а2 от амплитуды поискового движения ezm. ъ,ит 0,0 0,04 0 -0,04 -0,08 ----ч /— \ /' А 1 2 3 4 / \ \ \ \ / / Л \ \ _^ ^4 \ \ \ \ \ VTS к/ \ / v> \/ \L ./ х _/ X_/ £го, % -6 -4 -2 0 2 4 6 Рис. 5. Зависимости амплитуды b1 от смещения пятна нагрева относительно заданной глубины проплавления (30 мм) при различной амплитуде szm (в процентах от глубины проплавления): 1 — Szm = 0,5; 2 — Szm = 1; 3 — Szm = 2; 4 — Szm = 5 124 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева Из графиков видно, что с увеличением амплитуды поискового движения до определенного значения (szm = 2) увеличивается коэффициент преобразования и область линейности характеристики (кривые 1-3). Дальнейшее увеличение амплитуды ведет к уменьшению коэффициента преобразования b1/sz0 (кривая 4), что подтверждается экстремальной зависимостью амплитуды а2 от амплитуды szm поискового движения (рис. 4). Представляет интерес зависимость рассмотренных характеристик от ширины коллиматора. На рис. 6 представлено семейство характеристик b1(sz0) при различных А и szm, рассчитанных по формуле: -J 2п ^ A 2sin9 \ A 2sin9 -°,4(z-ez0-ezm sina) dz sin ad a. (6) В широком диапазоне амплитуд поискового движения (0,1-3 % от глубины проплавления) коэффициент преобразования максимален при ширине коллиматора, составляющей 2-3,5 % от глубины проплавления (рис. 6, кривые 4, 5). Так, при глубине проплавления 30 мм приведенные проценты соответствуют амплитуде поискового движения - 0,03-0,9 мм и ширине коллиматора - 0,6-1 мм. Это подтверждается и характеристиками, полученными решением (6) при подстановке Sz0 = 0,5 (введено постоянное смещение пятна нагрева от заданной глубины проплавления) и варьировании амплитудой поискового движения Szm, и шириной коллиматора А (рис. 7). Максимальное значение составляющей рентгеновского излучения b1 при смещении пятна нагрева на 0,5 % от глубины проплавления достигается в одном случае при Szm ~ 2,5 % и А ~ 3 % от глубины проплавления (рис. 7, а, кривая 6), в другом - при Szm ~ 2 % и А ~ 3 %. 0,4 0,3 0,2 0,1 о -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 V. -4 // _ 6 _ 7 и 1 ''г -6 -4 -2 0 б Ez0, % Рис. 6. Графики зависимости амплитуды b от смещения пятна нагрева относительно заданной глубины проплавления при различных амплитудах Szm поискового движения и различной ширине А коллиматора рентгеновского датчика: а - Szm = 2; б - Szm= 1; в - Szm = 0,5; г - Szm = 0,1; 1 - А = 0,3; 2 - А = 0,6; 3 - А = 1; 4 - А = 2; 5 - А = 3; 6 - А = 4; 7 - А = 6; 8 - А = 8 (Szm и А - в процентах от глубины проплавления) а в г 125 Технологические процессы и материалы б Рис. 7. Зависимость bi(0,5) от амплитуды Szm поискового движения при различной ширине коллиматора А (а) и от ширины коллиматора А при различной амплитуде Szm поискового движения (б): 1 - А = Szm = 0,3; 2 - А= Szm = 0,6; 3 - А= Szm = 1; 4 - А = Szm = 2; 5 - А = Szm = 3; 6 - А= Szm = 4; 7 - А= Szm = 6; 8 - А= Szm = 8 а Результаты аналитических исследований использованы при технической реализации устройств стабилизации глубины проплавления, внедряемых в технологические комплексы ЭЛС ряда предприятий, что подтверждает возможность практического применения математической модели рентгеновского датчика глубины проплавления. Таким образом, введение поискового движения приводит к появлению в спектре рентгеновского излучения гармонических составляющих, несущих информацию о глубине проплавления; составляющая с двойной частотой может использоваться для определения амплитуды поискового движения при которой обеспечивается наибольшая чувствительность способа; полученные соотношения позволяют производить анализ информационных сигналов для определения условий получения наибольшей чувствительности датчика при оптимальной ширине коллиматора.