Слежение за стыком при электронно-лучевой сварке в атмосфере

Полный текст

При электронно-лучевой сварке (ЭЛС) в атмосфере традиционные способы автоматического позиционирования луча по стыку свариваемых деталей оказываются неприемлемыми из-за сильного рассеяния электронов в воздухе и невозможности отклонения электронного луча в объеме электронно-лучевой пушки в связи со шлюзовой конструкцией последней. Для осуществления слежения за стыком в процессе ЭЛС предлагается использовать магнитные поля токов в деталях, образованных током электронного луча [1]. При различных положениях луча относительно стыка происходит перераспределение составляющих сварочного тока (тока луча) и вызванных ими магнитных полей (рис. 1). В результате появляются составляющие магнитного поля, несущие информацию о положении луча относительно стыка. Ток луча IR с помощью токосъемов разделяется на две составляющие I1 и I2. Если луч расположен точно над стыком, то напряженности магнитных полей Н и Н2 (в том числе их вертикальные составляющие Нш и Н2В) равны по величине и направлены противоположно (рис. 1, а). Результирующее магнитное поле в этом случае определяется током луча !л, а вектор напряженности этого поля Нл расположен в горизонтальной плоскости. При отклонении луча от стыка (рис. 1, б) на пути составляющей I2 тока луча !л оказывается заваренный участок, и напряженность магнитного поля, вызванного током I2 изменится на величину АН, обусловленную прохождением тока I2 по этому участку. Результирующее магнитное поле определяется вертикальной составляющей напряженности АН и горизонтальной составляющей Нл. При отклонении луча в противоположную сторону заваренный участок оказывается на пути тока I1, и напряженность магнитного поля, вызванного током Ib изменится на величину -АН, обу 142 Вестник СибГАУ. № 1(53). 2014 словленную прохождением тока I1 по этому участку. Результирующее магнитное поле определяется вертикальной составляющей напряженности -АН и горизонтальной составляющей Нсв. Таким образом, вертикальная составляющая магнитного поля несет информацию о положении луча относительно стыка. Если для измерения магнитного поля применять, например, дифференциальный феррозонд [2], ось чувствительности которого расположена в вертикальной плоскости, то можно формировать сигнал, пропорциональный смещению луча со стыка и использовать его для коррекции положения луча. Аналитическое определение зависимости напряженности магнитного поля от величины отклонения луча от стыка осуществлено на трехмерной модели, отражающей процесс ЭЛС с позиции «электромагнитных» свойств около лучевого пространства, ограниченного в плоскости свариваемых деталей. Моделирование состояло в совместном решении уравнений Максвелла: s - dD - dB rotH = i +--, rotE =--, dt dt divD = p, divB = 0, D = e0eE; B = д0дН; j = yE, где E - напряженность электрического поля; D - поле смещения (электрический поток); H - напряженность магнитного поля; j - плотность тока; р - плотность объемного заряда; B - магнитная индукция; е - относительная диэлектрическая проницаемость; д - магнитная проницаемость; у - электрическая проводимость; е0 - электрическая постоянная; д0 - магнитная проницаемость вакуума. Расчет проведен в пакете программ Comsol Multiphisics. На рис. 2 приведены результаты расчета при сварке деталей из сплава АМг-6 толщиной 5 = 10 мм при 1л = 300 мА и скорости сварки ¥св = 40 м/ч. Видно, что при отсутствии смещения луча распределение составляющих сварочного тока I1 и I2 симметрично относительно линии стыка (рис. 2, а). При отклонении луча от стыка симметрия нарушается (рис. 2, б). /■, Обоснована возможность определения положения электронного луча относительно стыка по распределению магнитного поля токов, протекающих по свариваемым деталям при ЭЛС без ограничений, связанных с необходимостью использования специальных токоподводов. Магнитное поле в окололучевой зоне создается в основном полем токов в свариваемом изделии, а также намагниченностью изделия и оснастки и магнитным полем Земли. Если луч расположен точно над стыком (рис. 3, а), то напряженности магнитных полей (в том числе их вертикальные составляющие Hzi и Hz2), вызванные элементарными токами I и I2, равны по величине и направлены противоположно: Hz1 - Hz2 = 0. При отклонении луча от стыка (рис. 3, б) на пути элементарного тока I2 оказывается заваренный участок, и напряженность магнитного поля, вызванного током I2, станет больше на величину AH, обусловленную прохождением элементарного тока I2 по этому участку. Результирующее магнитное поле будет определяться вертикальной составляющей напряженности АН. Установлена зависимость вертикальной составляющей магнитного поля от токов при отсутствии ограничений, связанных с необходимостью применения специальных токоподводов. Это подтверждено расчетами путем численного моделирования сварки на основе уравнений Максвелла в пакете программ Comsol Multiphisics. Получение частного решения соответствующей краевой задачи осуществлялось путем ее конечноэлементной аппроксимации заданной точности с последующим применением итерационного метода. Расчет проведен при варьировании смещения электронного луча, превышения кромок, при сварке разнородных материалов (алюминий, сталь и медь), при разнице размеров деталей, при наличии прихваток в условиях локального термического равновесия в зоне термического влияния. I, Рис. 1. Схема возникновения вертикальной составляющей магнитного поля AH при отклонении луча от стыка 143 Технологические процессы и материалы L Н,=О б Рис. 2. Распределение токов и магнитных полей: H(z) - вертикальная составляющая магнитного поля; а - смещение луча нет; б - луч смещен относительно стыка на 0,5 мм Рис. 3. Способ определения отклонения электронного луча от стыка без специальных токоподводов На рис. 4 представлены результаты расчетов для сварки деталей из АМг-6 толщиной 10 мм при токе луча 0,1 А, ускоряющем напряжении 175 кВ. По условиям моделирования задано, что токоподводом является металлическая плита, на которой находятся свариваемые детали. При совпадении электронного луча со стыком при сварке идентичных деталей распределение полей симметрично относительно стыка изделия. При ЭЛС разнородных материалов распределение токов меняется из-за разницы сопротивлений и магнитной проницаемости материалов. В результате при отсутствии отклонения луча от стыка имеется вертикальная составляющая магнитного поля (рис. 5). Для правильной работы системы управления необходимо задать корректирующую уставку для компенсации сигнала на входе системы при нахождении луча на стыке. Эта уставка суммируется с входным сигналом. а 144 Вестник СибГАУ. № 1(53). 2014 Рис. 4. Распределение токов и магнитных полей в изделии при электронно-лучевой сварке идентичных деталей: а - смещения луча нет; б - луч смещен вправо на 0,5 мм Hzf- 0 Рис. 5. Распределение токов и магнитных полей в изделии при электронно-лучевой сварке разнородных металлов без смещения: сталь (слева), медь (справа) Вертикальная составляющая магнитного поля АН, в соответствии с принципом суперпозиции и законом Био-Савара-Лапласа, рассчитывается путем интегрирования длин радиусов-векторов, соединяющих точку измерения с последовательно расположенными точками вдоль детали, по расстоянию от точки измерения до границ деталей. При идентичности размеров, конфигурации и материалов свариваемых деталей выражение для АН имеет вид I е AH = 4п/ л/h2 +/2 + 4/е + 4е2 где I - ток луча; / - ширина деталей; е - величина смещения электронного луча от стыка; h - высота расположения датчика над плоскостью свариваемых деталей. Видно, что зависимость АН от е в некотором диапазоне смещений линейна. На рис. 6 представлена функциональная схема устройства для автоматического наведения луча на стык при ЭЛС в атмосфере. В качестве датчика рассогласования положений луча и стыка использован дифференциальный феррозонд [2]. Для повышения помехозащищенности системы сигнал рассогласования положений луча и стыка формируется на боковой частоте (2ю + Q), где ю - частота возбуждения феррозонда, Q. - частота модуляции тока электронного луча. Для этого выход измерительной 145 Технологические процессы и материалы обмотки (W) феррозонда подключен к избирательному усилителю (ИУ), настроенному в резонанс на частоту (2о + Ц). Далее сигнал преобразуется демодулятором (ДМ), опорный вход которого подключен к генератору (2о + Ц). После фильтрации (фильтром Ф) постоянное напряжение, пропорциональное рассогласованию положений луча и стыка, через усилитель (У) поступает на вход привода (П) перемещения электронно-лучевой пушки (ЭЛП), которая перемещается (вместе с лучом) до устранения рассогласования. В устройство введен канал компенсации постоянных и медленно меняющихся магнитных полей (Н0) в объеме феррозонда. Эти поля могут быть вызваны намагниченностью свариваемых деталей, оснастки и могут привести к насыщению сердечников феррозонда. При возникновении этих полей в спектре сигнала измерительной обмотки (W„) появляется составляющая с частотой 2о, амплитуда которой пропорциональна величине поля, а фаза определяет направление поля. Эта составляющая выделяется избирательным усилителем, настроенным в резонанс на частоту 2со. Затем сигнал выпрямляется демодулятором, опорный вход которого подключен к генератору частоты 2<о и через фильтр и усилитель в виде напряжения постоянного тока поступает в компенсационную обмотку (Wk), в которой формируется магнитное поле (Нк), компенсирующее действие внешних полей (Н0) в объеме феррозонда. Сигнал модуляции тока электронного луча с частотой Ц формируется смесителем (СМ), на входы которого поступают сигналы с генераторов частот 2<о и (2о + Ц). Сигнал возбуждения феррозонда формируется делителем частоты на 2, вход которого связан с выходом генератора частоты 2<о. Сигнал возбуждения подается на обмотку возбуждения W феррозонда. Устройство испытано на электронно-лучевой установке ЭЛУ-9Б с энергокомплексом ЭЛА 60/15. Погрешность совмещения луча со стыком не превышала 0,3 мм, что оказывается вполне приемлемым для ЭЛС в атмосфере. На рис. 7 представлены макрошлифы соединений, полученных при слежении за стыком и без слежения. П w„ ЭЛП W. к пЖЖ/Г hfuMw tit Як Но На ИУ 2to ДМ Ф -> А ИУ дм Ф 2ш+Г2 m Д 1/2 П 2со+£2 Г 2со Г 2co+fi СМ 2ш Рис. 6. Функциональная схема системы автоматического наведения луча на стык

Об авторах

Владимир Яковлевич Браверман

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: braverman-vladimir@rambler.ru
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры систем автоматического управления

Татьяна Геннадьевна Вейсвер

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: veisver@mail.ru
старший преподаватель кафедры систем автоматического управления

Владимир Семенович Белозерцев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: belozerczev.v@yandex.ru
кандидат технических наук, доцент кафедры систем автоматического управления

Список литературы

Дополнительные файлы