SU1669672A1 - Способ электронно-лучевой сварки и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электронно-лучевой сварке с двойным преломлением и круговой разверткой электронного пучка и предназначено дл  сварки изделий больших и средних толщин с глубоким проплавлением. Цель изобретени  - повышение качества сварных соединений путем стабилизации гидродинамических процессов в сварочной ванне. Формируют круговую сход щуюс  развертку пучка 29 путем его двойного преломлени  и осуществл ют колебани  точки 31 сходимости развертки по глубине сварочной ванны. В процессе сварки перемещением точки 31 поддерживают минимальную величину переменной составл ющей ионного тока 30 плазмы. Введение в устройство коллектора 13 ионного тока 30, источника 14 смещени  и преобразовател  15 ток - напр жение позвол ет вести измерени  переменной составл ющей ионного тока 30 плазмы. Введение селектора 21, блока 22 коррекции, генератора 18 треугольных колебаний и третьего сумматора 19 позвол ет автоматически перемещать точку 31 сходимости развертки по глубине сварочной ванны. При этом повышаетс  стабильность формировани  шва. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

Description

Изобретение относитс  к электроннолучевой сварке с двойным преломлением и круговой разверткой электронного пучка и предназначено дл  сварки изделий больших и средних толщин с глубоким проплав- пением.

Целью изобретени   вл етс  повышение качества сварных соединений путем стабилизации гидродинамических процессов и сварочной ванне.

На фиг.1 приведена функциональна  схема устройс ва, реализующа  способ; на фиг.2 - премениые диаграммы, по сн ющие работу устройства; на фиг.З - функциональна  схема селектора; на фиг.4 - временные диаграммы, по сн ющие работу селектора; на фиг.5 - функциональна  схема блока коррекции; на фиг.6 - временные диаграммы, по сн ющие работу блока коррекции.

В способе электронно-лучевой сварки, при котором формируют круговую сход щуюс  развертку пучка путем его двойного преломлени , осуществл ют колебани  точки сходимости развертки по глубине сварочной ванны относительно положени , выбранного в пределах сварочной ванны. В процессе колебани  точки сходимости развертки по глубине сварочной ванны определ ют минимальную величину переменной составл ющей ионного тока плазмы. Путем автоматического перемещени  точки сходимости разиертки по глубине сварочной ванны поддерживают минимальную величину переменной составл ющей ионного тока плазмы, а это соответствует оптимальному положению точки сходимости по глубине сварочной ванны,

Устройство дл  осуществлени  способа , как показано на фиг.1, содержит электронно-лучевуюпушку1с электромагнитными отклон ющими системами 2 и 3, а также генератор 4 круговой развертки. Выходы усилителей 5-8 магнитной развертки соединены с обмотками от- клон ющих систем 2 и 3, а входы электрически св заны с генератором 4 круговой развертки. Выходы сумматоров 9 и 10 подключены к усилител м 6 и 7, питающим обмотки второй отклон ющей системы 3. Выходы аналоговых перемножителей 11 и 12 подключены к усилител м 5. 8 и сумматорам 9 и 10. Также в состав устройства вход т коллектор 13 ионного тока плазмы и источник смещени  14, отрицательным полюсом соединенный с коллектором 13. Последовательно соединены преобразователь 15ток- напр жение, амплитудный демодул тор 16, экстрематор 17. Устройство оснащено генератором 18 треугольных колебаний и третьим сумматором 19 с шиной 20 опорного

напр жени  Е0. Входы селектора 21 подключены к экстрематору 17 и генератору 18. Аналоговый вход блока коррекции 22 соединен с генератором 18. а импульсные входы

подключены к выходам селектора 21.

Селектор 21 (фиг.З) содержит сдвоенный компаратор 23, триггер Шмита 24, первый 25 и второй 26 логические элементы И-ИЛИ-НЕ.

Блок коррекции 22 (фиг.5) содержит последовательно соединенные два устройства 27 выборки-хранени  и сумматор 28.

Электронно-лучева  пушка 1  вл етс  источником электронного пучка 29.

В процессе сварки из канала проплавлени  генерируетс  ионный ток 30 плазмы, величина переменной составл ющей которого характеризует положение точки 31 сходимости развертки по толщине

свариваемого издели  32. Изменение положени  точки 31 сходимости развертки по глубине сварочной ванны осуществл етс  изменением угла р отклонени  электронного пучка 29.

Отклон ющие системы 2 и 3 разнесены

вдоль электрон+ю-оптической оси и обеспечивают преломление пучка на двух уровн х. Обмотками первой и второй отклон ющих систем формируютс  встречные электромагнитные пол .

Генератор 4 круговой развертки выдает квадратурные сигналы U sinc/л и U cosw t, которые используютс  дл  получени  круговой сход щейс  развертки пучка. При двойном преломлении точка 31 пересечени  пучком электронно-оптической оси пушки  вл етс  точкой сходимости развертки пучка.

Усилители 5-8 магнитной развертки служат дл  преобразовани  входного напр жени  в ток отклонени . Они выполнены по схеме преобразователей напр жение - ток, что позвол ет исключить погрешности, св занные с разбросом параметров при нагреве обмоток отклон ющих систем.

Сумматоры 9. 10 и 19 выполн ют функции суммировани  входных сигналов. Они выполнены на операционных усилител х. Аналоговые перемножители 11 и 12 выполн ют функции управл емых делителей и

служат дл  амплитудной модул ции гармонических сигналов генератора 4 круговой развертки.

Коллектор 13 служит дл  регистрации ионного тока 30 плазмы из канала проплавлени . Источник 14 смещени  и преобразователь 15 ток-напр жение служат дл  преобразовани  ионного тока в электрические сигналы. Амплитудный демодул тор 16 и экстрематор 17 служат дл  выделени  огибающей переменной составл ющей ионного тока плазмы с последующим выделением экстремальных точек. Экстрематор собран по схеме усилител  с нелинейной отрицательной обратной св зью.

Генератор 18 треугольных колебаний служит дл  колебани  точки сходимости развертки по глубине сварочной ванны. Генератор выполнен в виде последовательно соединенных триггера, интегратора и инвертирующего усилител , охваченных положительной обратной св зью.

Шина 20 опорного напр жени  Е0 служит дл  задани  начального положени  точки 31 сходимости развертки по глубине сварочной ванны.

Селектор 21 вырабатывает импульсные сигналы, временное положение которых соответствует моменту измерени  рассогласовани  и моменту ввода сигнала коррекции в обмотки отклон ющих систем. Селекци  указанных сигналов осуществл ет подачей на логические элементы 25 и 26 импульсных сигналов с выхода экстремато- ра 17 и подачей сигналов с соответствующих выходов компаратора 23 и триггера 24.

Блок 22 коррекции служит дл  определени  величины и знака сигнала коррекции. Сигнал коррекции формируетс  путем перезаписи на втором устройстве 27 выборки- хранени  сигнала рассогласовани , снимаемого с первого устройства 27 выборки-хранени  с одновременным суммированием на сумматоре 28. Сигнал коррекции корректирует положение точки сходимости развертки в сварочной ванне.

Способ реализуетс  устройством, которое функционирует следующим образом.

В процессе работы сварочной пушкой 1 формируетс  электронный пучок 29, Отклон ющие системы 2 и 3 создают вращающиес  электромагнитные пол , под воздействием которых формируетс  кругова  сход ща с  развертка пучка. Условие сходимости развертки пучка обеспечиваетс  фазовым сдвигом на 180° векторов магнитных полей в идентичных обмотках первой и второй отклон ющих систем 2 и 3, а также превышением величины тока в обмотках второй отклон ющей системы. Это достигаетс  подключением усилителей 6 и 7 магнитной развертки к генератору 4 круговой развертки через сумматоры 9 и 10, которые обеспечивают инвертирование и суммирование сигналов генератора 4 с ам- плитудно-модулированны ми сигналами аналоговых перемножителей 11 и 12,

Начальное положение точки 31 сходимости развертки устанавливаетс  в пределах сварочной ванны опорным

напр жением Е0 снимаемым с шины 20. Опорное напр жение Е0 через сумматор 19 подаетс  на управл ющие входы аналоговых перемножителей 11 и 12, с выхода кото- рых снимают сигналы круговой развертки генератора 4, пропорциональные Е0.

Периодическое перемещение точки сходимости по глубине сварочной ванны обеспечиваетс  сигналом треугольной формы F1

0 (фиг.2) генератора 18, Напр жение треугольной формы суммируетс  на сумматоре 19 с опорным напр жением Ео шины 20 и подаетс  на управл ющие входы аналого5 вых перемножителей 11 и 12. Под воздействием суммарного управл ющего сигнала осуществл етс  амплитудна  модул ци  сигналов круговой развертки генератора 4. Амплитудна  модул ци  сигналов генерато0 ра 4 круговой развертки приводит к периодическому измерению угла р отклонени , а следовательно, к возвратно-поступательному движению точки 31 сходимости развертки по глубине сварочной ванны.

5В процессе сварки взаимодействие пучка 29 с материалом издели  32 характеризуетс  плавлением и испарением металла, а следовательно, ионным током 30 плазмы. Минимальное значение переменной состав0 л ющей ионного тока плазмы характеризует минимальные возмущени  в сварочной ванне, что в свою очередь определ ет область стабильных гидродинамических процессов . Ионный ток 30 плазмы

5 регистрируетс  коллектором 13, который подключен к отрицательному полюсу источника 14 смещени , последовательно соединенного с преобразователем 15 ток - напр жение. Так как точка 31 сходимости

0 развертки в процессе сварки периодически перемещаетс  по глубине сварочной ванны под воздействием сигнала F 1 генератора 18 треугольных колебаний, то на выходе преобразовател  15 формируетс  модулирован5 ный сигнал F 2 переменной составл ющей ионного тока плазмы, при этом минимальное значение переменной составл ющей соответствует оптимальному положению точки 31 сходимости развертки по глубине

0 сварочной ванны издели  32.

С выхода преобразовател  15 сигнал F 2 ионного тока поступает на демодул тор 16, где происходит выделение сигнала F 3 огибающей с последующей подачей этого

5 сигнала на экстрематор 17. Функци  экстре- матора 17 сводитс  к формированию импульсов F 4, сременное положение которых соответствует экстремальным значени м огибающей F 3.

Импульсные сигналы F 4 с выхода экс- трематора 17 поступают на вход селектора

21. В селекторе происходит выделение импульсных сигналов Г 5 и F 6, временное положение которых соответствует минимальному значению составл ющей ионного тока, а также их разделение на импульсы F 5, соответствующие такту измерени , и импульсы F 6, соответствующие такту коррекции .

На первой вход селектора 21 поступает сигнал F- 1 с генератора 18 треугольных колебаний , а на второй вход поступает импульсна  последовательность сигналов F 4 с выход  экстромаюра 17.

В селекторе 21 (фиг.З) сигнал F 1 (фиг.4) генератора 18 подаетс  на входы сдвоенного компаратора 23 и триггера Шмитта 24. На выходе компаратора 23 формируетс  сигнал F 11, длительность которого определ етс  допусковыми порогами Ев, Ен. а на выходе триггера 24 формируютс  сигналы F 12. F 13, длительность которых определ етс  путем гистерезиса coi пасованный с порогами Ен,

Ен.

Импульсна  последовательность F 4 подаетс  на входы логических элементов 25 и 26, два других входа которых св заны с выходом компаратора 23 и триггера 24. Первый логический элемент 25 при подаче на вход сигналов F 4. F 11, F 12 селектирует импульсы F 5, соответствующие такту измерени , а второй логический элемент 26 при подаче на вход сигналов F 4, F 11, F 13 селектирует импульсы F 6. соответствующие такту коррекции. Сигналы F 5 и F 6 с выхода селектора 21 подаютс  на импульсные оходы блока 22 коррекции.

В блоке 22 (фиг.5) коррекции производитс  измерение сигнала F 13 рассогласова- ни  с последующим формированием сигнала F 7 коррекции. Измерение сигнала рассогласовани  F: И (фиг.6) производитс  в момент прихода сигнала F 5 на импульсный вход первого устройства 27выборки-хранени . Измерение производитс  путем запоминани  мгновенного значени  напр жени  F1, подаваемого на аналоговый вход устройства 27. По приходу сигнала F 6 на импульсный вход второго устройства 27 выборки-хранени  происходит формирование сигнала F 7 коррекции. Так как второе устройство выборки-хранени  охвачено обратной св зью через сумматор 28, то формирование сигнала F 7 коррекции производитс  суммированием на сумматоре 28 каждого последующего отсчетного значени  сигнала F 14 рассогласовани  с его предыдущим значением.

Сигнал F 7 коррекции поступает на третий сумматор 19 (фиг.1), где суммируетс  с сигналами F 1 Ео. Суммарный сигнал F8 воздействует на управл ющие входы перемножителей 11, 12 и измен ет амплитуду сигналов F 9, F 10 генератора 4 круговой развертки. Изменение амплитуды сигналов F 9.F 10 круговой развертки приводит к

изменению угла отклонени , что в конечном итоге приводит к смещению точки 31 сходимости развертки в направлении ее оптимального положени . Методом последовательного приближени , то есть за

несколько тактов измерени , точка сходимости переместитс  в свое оптимальное положение . Это положение характеризуетс  нулевым сигналом рассогласовани  и минимальным значением в этой точке переменной составл ющей ионного тока 30 плазмы. Введение в устройство коллектора ионного тока, источника смещени  и преобразовател  ток-напр жение позвол ет вести измерени  переменной составл ющей ионного тока плазмы. Введение селектора, блока коррекции, генератора треугольных колебаний и третьего сумматора позвол ет автоматически перемещать точку сходимости развертки на оптимальную глубину, минимизиру  переменную составл ющую ионного тока плазмы.

Реализаци  способа осуществл лась на электронно-лучевой аппаратуре типа ЭЛА 60/60 с помощью устройства, выполненного на основе схемы, приведенной на фиг.1. Способ и устройство дл  его осуществлени  были опробованы при сварке кольцевых стыков марок 10ХСНД, 15ХГНМФ. 24Х2НМФА толщиной 60-120 мм. Сварка

производилась на режимах: ускор ющее напр жение 60 кВ, ток сварки 350-800 мА, скорость сварки 3,5-9 м/ч, диаметр круговой развертки луча 0,8-1,2 мм, частота локальной развертки f 660-1100 Гц.

Механические испытани  и металлографические исследовани  продольных и попе- речных шлифов сварных соединений показали, что качество швов в соединени х соответствует требовани м технических условий . В корневой части шва устранены несплавлени  и раковины, а в металле шва предотвращены трещины, усадочные раковины и поры.

Измерением сигнала рассогласовани 

по минимальной величине ионного тока плазмы обеспечивают саморегулирование положени  точки сходимости по глубине сварочной ванны. При этом стабилизируютс  гидродинамические процессы, протекающие в сварочной ванне, эффективно подавл ютс  выбросы плазмы из канала проплавлени . Это приводит к снижению дефектов в литой зоне, а следовательно, повышению качества сварных соединений.

Насто щее техническое решение повышает стабильность формировани  шва и улучшает качество сварных соединений путем сглаживани  возмущений в канале про- плавлени , устранени  корневых дефектов за счет поддержани  увеличенного радиуса корневой части канала проплавлени .

Claims (4)

1.Способ электронно-лучевой сварки, при котором осуществл ют круговую сход щуюс  развертку двухпреломленного электронного пучка с колебанием по глубине сварочной ванны точки сходимости развертки , отличающийс  тем, что, с целью повышени  качества сварных соединений путем стабилизации гидродинамических процессов в сварочной ванне, в процессе сварки измер ют величину переменной составл ющей ионного тока плазмы, а положение точки сходимости развертки по глубине сварочной ванны устанавливают по минимальной величине переменной составл ющей ионного тока плазмы.

2.Устройство дл  электронно-лучевой сварки, содержащее электронно-лучевую пушку с двум  отклон ющими системами, расположенными вдоль электронно-оптической оси пушки на двух уровн х, генератор круговой развертки, амплитудный демодул тор , четыре усилител  магнитной развертки , выходы которых соединены с обмотками отклон ющих систем, а входы электрически св заны с генератором круговой развертки, входы двух магнитных усили- телей первой отклон ющей системы соединены с генератором через аналоговые перемножители, а входы двух магнитных усилителей второй отклон ющей системы соединены с генератором через два суммирующих усилител , отличающеес  тем, что в устройство дополнительно введены коллектор ионного тока плазмы, источник смещени , преобразователь ток-напр жение , вход которого соединен с коллектором. а выход подключен к амплитудному демодул тору , шина смещени , третий сумматор, первый вход которого соединен с шиной

смещени , экстрематор, селектор, блок коррекции , генератор треугольных колебаний, выход которого подключен к аналоговому входу блока коррекции, второму входу третьего сумматора и первому входу селектора , второй вход которого соединен с выходом экстрематора, вход которого подключен к выходу амплитудного демодул тора , при этом выходы селектора подключены к импульсным входам блока коррекции, выход которого соединен с третьим входом третьего сумматора, выход которого соединен с управл ющими входами аналоговых перемножителей.

3. Устройство по п.2, отличающее- с   тем, что селектор выполнен в виде электрически св занных между собой сдвоенного компаратора, триггера Шмитта и двух логических элементов И-ИЛИ-НЕ, при этом

входы компаратора и триггера Шмитта обь- единены и подключены к выходу генератора треугольных колебаний, входы первого логического элемента подключены к выходу компаратора, неинвертирующему выходу

триггера Шмитта и выходу экстрематора, входы второго логического элемента подключены к выходу компаратора, инвертирующему выходу триггера Шмитта и выходу экстрематора, при этом выходы логических

элементов подключены к импульсным входам блока коррекции.

4. Устройство по п.2, отличающее- с   тем, что блок коррекции выполнен в виде последовательно соединенных сумматора и

двух устройств выборки-хранени , при этом импульсный вход первого устройства выборки подключен к выходу первого логического элемента селектора, а импульсный вход второго устройства выборки подключен к выходу второго логического элемента селектора, аналоговый вход первого устройства выборки подключен к выходу генератора треугольных колебаний, а выход соединен через сумматор с аналоговым входом второго устройства выборки, выход которого подключен к второму входу сумматора.

Гахтиз- Гактюр- мгрени  рехцу

pi A

F9fto

Щи. 2

Ft

Ј8

1

23

fff

25

fS

ff2 ffj

261

H6

F11

Pil

FU

Fit

F5

F6

Фиг.5