RU2753069C1 - Method for electron beam surfacing with vertical filler wire supply - Google Patents

Method for electron beam surfacing with vertical filler wire supply Download PDF

Info

Publication number
RU2753069C1
RU2753069C1 RU2020133749A RU2020133749A RU2753069C1 RU 2753069 C1 RU2753069 C1 RU 2753069C1 RU 2020133749 A RU2020133749 A RU 2020133749A RU 2020133749 A RU2020133749 A RU 2020133749A RU 2753069 C1 RU2753069 C1 RU 2753069C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
filler wire
electron
electron beam
surfacing
beams
Prior art date
Application number
RU2020133749A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Николаевич Трушников
Степан Владимирович Варушкин
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"
Priority to RU2020133749A priority Critical patent/RU2753069C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2753069C1 publication Critical patent/RU2753069C1/en

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
    • B23K15/02—Control circuits therefor

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Welding Or Cutting Using Electron Beams (AREA)

Abstract

FIELD: working of metal.
SUBSTANCE: invention relates to a method for electron beam surfacing. Surfacing is performed with vertical filler wire supply. At least two electron beam guns are used to obtain at least two simultaneously acting electron beams used to impact on the required area of the filler wire from different sides. Oscillation of at least one electron beam along trajectories with an intersection with the filler wire is performed by creating an alternating electric current of a certain value, shape and frequency in the deflecting system of the corresponding electron beam. The positions of the electron beams relative to the filler wire are determined during surfacing. The oscillation frequency of each required beam is different from the oscillation frequencies of other oscillating beams and is not divisible by the oscillation frequencies of other oscillating beams. For this purpose, a secondary emission signal is measured, the initial secondary emission signal is processed by the method for synchronous detection. For each required electron beam, a value characterising the deviation thereof from the filler wire is obtained, and the electron beam deflection system and/or the filler wire positioning system is controlled maintaining the value determining the deflection of the electron beams from the filler wire at a level corresponding with the required mutual position of the electron beams and the filler wire.
EFFECT: improved uniformity of heat distribution in the welded area and a possibility of stabilising the distribution of the introduced heat between the filler wire and the welded surface during electron-beam surfacing.
4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электронно-лучевой наплавки и может быть использовано для электронно-лучевой проволочной наплавки или электронно-лучевых проволочных аддитивных технологий с одновременным использованием нескольких электронно-лучевых пушек, вертикальной подачей присадочной проволоки, осцилляцией электронных лучей и контролем положения электронных лучей.The invention relates to the field of electron-beam surfacing and can be used for electron-beam wire surfacing or electron-beam wire additive technologies with the simultaneous use of several electron-beam guns, vertical feeding of filler wire, oscillation of electron beams and control of the position of electron beams.

Процессы электронно-лучевой проволочной наплавки и электроннолучевого проволочного аддитивного изготовления основаны на процессе электронно-лучевой сварки. В связи с этим, стандартной схемой осуществления наплавки и аддитивного изготовления является воздействие электронным лучом на наплавляемую поверхность изделия с подачей присадочной проволоки сбоку в зону взаимодействия электронного луча с изделием параллельно поверхности изделия или под углом к ней. Для осуществления наплавки в требуемом направлении осуществляют вращение или перемещение изделия по определенной траектории. При такой схеме осуществления процесса, тепловое распределение в наплавляемой области неравномерное. Электронный луч не взаимодействует с частью наплавляемой поверхности из-за располагающейся на его пути присадочной проволоки. При этом, в зависимости от направления осуществления наплавки, электронный луч не взаимодействует либо с передней, либо с боковой, либо с задней частью наплавляемой области. Таким образом тепловое распределение и гидродинамические процессы в наплавляемой области, и, следовательно, качество наплавляемых участков, зависят от расположения присадочной проволоки относительно направления наплавки. Применение специальной конструкции механизма подачи присадочной проволоки, вращающегося вокруг оси электронного луча, позволяет изменять положение присадочной проволоки в зависимости от направления осуществления наплавки и позволяет создать тепловое распределение, одинаковое для любого направления осуществления наплавки, но такой подход требует избыточного тепловложения для расплавления поверхности той части наплавляемого участка, который закрыт присадочной проволокой от воздействия электронного луча. Создание равномерного распределения тепла в наплавляемой области актуально для осуществления электроннолучевой проволочной наплавки криволинейных участков, что особенно важно для электронно-лучевых проволочных аддитивных технологий. Существующие методы электронно-лучевой наплавки с вертикальной подачей присадочной проволоки позволяют создать более равномерное тепловое распределение в наплавляемой области, но по-прежнему требуют избыточного тепловложения для осуществления гарантированного сплавления металла проволоки с основой без образования дефектов. В процессе электронно-лучевой проволочной наплавки неизбежны отклонения присадочной проволоки и электронного луча от своих первоначальных положений. Это обусловлено множеством факторов, например, дрейфом тока отклоняющих катушек, наличием локальных искажений формы проволоки или изменением ее кривизны по мере сматывания с катушки, тепловым расширением отдельных частей механизмов и так далее. Изменение как положения проволоки, так и положения электронного луча в процессе наплавки приводит к перераспределению тепла в области наплавки. Очевидно, что оперативный контроль взаимного положения электронного луча и присадочной проволоки является важной составляющей технологии электронно-лучевого аддитивного изготовления, так как это позволяет очень точно контролировать ввод тепловой энергии и ее распределение между проволокой и поверхностью наплавляемого участка.The electron beam welding and electron beam additive manufacturing processes are based on the electron beam welding process. In this regard, the standard scheme for the implementation of surfacing and additive manufacturing is the impact of an electron beam on the surface of the product being deposited with the filler wire feeding from the side to the zone of interaction of the electron beam with the product parallel to the surface of the product or at an angle to it. To carry out surfacing in the required direction, the product is rotated or moved along a certain trajectory. With such a scheme for carrying out the process, the heat distribution in the deposited area is uneven. The electron beam does not interact with a part of the surface to be welded due to the filler wire located in its path. In this case, depending on the direction of surfacing, the electron beam does not interact either with the front, or with the side, or with the rear part of the deposited region. Thus, the thermal distribution and hydrodynamic processes in the area to be welded, and, therefore, the quality of the areas to be welded, depend on the location of the filler wire relative to the direction of the deposition. The use of a special design of the filler wire feed mechanism rotating around the axis of the electron beam makes it possible to change the position of the filler wire depending on the direction of surfacing and makes it possible to create a heat distribution that is the same for any direction of surfacing, but this approach requires excessive heat input to melt the surface of that part of the weld the area, which is covered with filler wire from the action of the electron beam. The creation of a uniform heat distribution in the deposited area is important for the implementation of electron-beam wire surfacing of curved sections, which is especially important for electron-beam wire additive technologies. Existing methods of electron-beam surfacing with vertical filler wire feed make it possible to create a more uniform heat distribution in the area to be welded, but still require excessive heat input to ensure guaranteed fusion of the wire metal with the base without the formation of defects. In the process of electron-beam wire surfacing, deviations of the filler wire and electron beam from their original positions are inevitable. This is due to many factors, for example, the current drift of the deflecting coils, the presence of local distortions in the shape of the wire or a change in its curvature as it unwinds from the coil, thermal expansion of individual parts of the mechanisms, and so on. Changing both the position of the wire and the position of the electron beam during surfacing leads to a redistribution of heat in the surfacing region. Obviously, on-line control of the mutual position of the electron beam and the filler wire is an important component of the electron-beam additive manufacturing technology, since it allows very precise control of the input of thermal energy and its distribution between the wire and the surface of the weld section.

Известен способ электронно-лучевой наплавки с подачей присадочной проволоки перпендикулярно наплавляемой поверхности (патент США на изобретение US 10695835 B2, B22F 3/1055, 2020) заключающийся в использовании специализированной электронно-лучевой пушки с каналом для подачи присадочной проволоки. Для формирования электронного луча используют кольцевой катод с центральным отверстием, через которое происходит подача присадочной проволоки. Получаемый электронный луч имеет форму полого конуса с вершиной в зоне формирования расплавленной ванны металла. Такой способ позволяет снизить влияние расположения присадочной проволоки относительно направления наплавки на качество наплавляемого слоя.There is a known method of electron beam surfacing with filler wire feeding perpendicular to the surface to be welded (US patent for invention US 10695835 B2, B22F 3/1055, 2020), which consists in using a specialized electron beam gun with a channel for filler wire feeding. To form an electron beam, an annular cathode with a central hole is used, through which the filler wire is fed. The resulting electron beam has the shape of a hollow cone with apex in the formation zone of a molten metal bath. This method makes it possible to reduce the influence of the location of the filler wire relative to the direction of surfacing on the quality of the deposited layer.

Недостатком известного способа является необходимость использования специализированной электронно-лучевой пушки с полым катодом, которая имеет сложную конструкцию и относительно высокую стоимость. Кроме того, в известном техническом решении не предусмотрен контроль и регулирование взаимного положения электронного луча и направляемой проволоки.The disadvantage of this method is the need to use a specialized electron beam gun with a hollow cathode, which has a complex design and relatively high cost. In addition, the known technical solution does not provide for the control and regulation of the mutual position of the electron beam and the guided wire.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ обработки множественными электронными лучами с вертикальной подачей присадочной проволоки (патент Китая на изобретение CN 106392290, В23K 15/00, 2019), который заключается в осуществлении электронно-лучевой наплавки или сварки с симметричным расположением 2, 3 или 4 электроннолучевых пушек вокруг канала для подачи присадочной проволоки.The closest to the claimed method in technical essence and the achieved technical result is a method of processing multiple electron beams with vertical filler wire feed (Chinese patent for invention CN 106392290, B23K 15/00, 2019), which consists in the implementation of electron beam surfacing or welding with symmetrical arrangement of 2, 3 or 4 electron beam guns around the filler wire feed channel.

Недостатком известного технического решения является ограничение качества изделий вследствие отсутствия осцилляции электронных лучей, контроля и регулирования взаимного положения электронного луча и наплавляемой проволоки.The disadvantage of the known technical solution is the limitation of the quality of products due to the absence of oscillation of electron beams, control and regulation of the mutual position of the electron beam and the deposited wire.

Техническим результатом, достигаемым изобретением, является улучшение равномерности теплового распределения в наплавляемой области и возможность стабилизации распределения вводимого тепла между присадочной проволокой и наплавляемой поверхностью при осуществлении электронно-лучевой проволочной наплавки или электронно-лучевых проволочных аддитивных технологий.The technical result achieved by the invention is to improve the uniformity of the heat distribution in the deposited region and the possibility of stabilizing the distribution of the introduced heat between the filler wire and the surface to be deposited when carrying out electron-beam wire surfacing or electron-beam wire additive technologies.

Указанный технический результат достигается тем, что электроннолучевую наплавку производят с вертикальной подачей присадочной проволоки, для осуществления наплавки используют две или более эдектронно-лучевые пушки для получения двух или более одновременно действующих электронных лучей, которыми воздействуют в требуемую область присадочной проволоки с разных сторон, производят осцилляцию одного или нескольких электронных лучей по траекториям, имеющим пересечение с присадочной проволокой, путем создания переменного электрического тока определенной величины, формы и частоты в отклоняющей системе соответствующего электронного луча, в процессе наплавки определяют положения требуемых электронных лучей относительно присадочной проволоки, причем частота осцилляции каждого требуемого луча должна отличаться от частот осцилляции других осциллирующих лучей и не должна быть кратна частотам осцилляции других осциллирующих лучей, для этого измеряют сигнал вторичного излучения, проводят обработку исходного сигнала вторичного излучения методом синхронного детектирования, для этого обрабатывают сигнал тока с отклоняющей системы соответствующего электронного луча, выделяя переменную составляющую, перемножают значения сигналов вторичного излучения и сигнала переменной составляющей электрического тока в отклоняющей системе соответствующего электронного луча, а результат умножения интегрируют и усредняют по времени, для каждого требуемого электронного луча получают величину, характеризующую его отклонение от присадочной проволоки, управляют отклоняющей системой электронных лучей и/или системой позиционирования присадочной проволоки, поддерживая величину, определяющую отклонение электронных лучей от присадочной проволоки на уровне, соответствующем требуемому взаимному положению электронных лучей и присадочной проволоки.The specified technical result is achieved by the fact that electron-beam surfacing is performed with a vertical filler wire feed, for surfacing, two or more electron-beam guns are used to obtain two or more simultaneously acting electron beams, which act on the required area of the filler wire from different sides, produce oscillation one or more electron beams along paths that intersect with the filler wire, by creating an alternating electric current of a certain magnitude, shape and frequency in the deflecting system of the corresponding electron beam, during surfacing, the positions of the required electron beams relative to the filler wire are determined, and the oscillation frequency of each required beam should differ from the oscillation frequencies of other oscillating beams and should not be a multiple of the oscillation frequencies of other oscillating beams, for this, the secondary radiation signal is measured, the source is processed of the second signal of the secondary radiation by the method of synchronous detection, for this, the current signal from the deflecting system of the corresponding electron beam is processed, separating the alternating component, the values of the signals of the secondary radiation and the signal of the alternating component of the electric current in the deflecting system of the corresponding electron beam are multiplied, and the result of the multiplication is integrated and averaged over time , for each required electron beam, a value is obtained that characterizes its deviation from the filler wire, the deflection system of the electron beams and / or the filler wire positioning system is controlled, maintaining the value that determines the deflection of the electron beams from the filler wire at a level corresponding to the required relative position of the electron beams and the filler wire. wire.

В процессе наплавки электронно-лучевую наплавку можно производить с отклонением от вертикали присадочной проволоки, не превышающем 15 градусов,In the process of surfacing, electron-beam surfacing can be performed with a filler wire deviation from the vertical, not exceeding 15 degrees,

В процессе наплавки в качестве сигнала вторичного излучения используют тормозное рентгеновское излучение, вторичные высокоэнергетичные электроны, или световую эмиссию из зоны взаимодействия электронного луча с наплавляемой поверхностью и присадочной проволокой.In the process of surfacing, bremsstrahlung X-ray radiation, secondary high-energy electrons, or light emission from the zone of interaction of the electron beam with the surface to be deposited and the filler wire are used as a secondary radiation signal.

Осцилляцию электронного луча производят для одного или нескольких или всех используемых электронных лучей.The electron beam is oscillated for one or more or all of the electron beams used.

Определение положения относительно присадочной проволоки производят для одного или нескольких или всех используемых электронных лучей.Determination of the position relative to the filler wire is carried out for one or more or all of the electron beams used.

Управляют отклоняющей системой одного или нескольких или всех используемых электронных лучей.The deflection system of one or more or all of the electron beams used is controlled.

Регулирование распределения вводимого тепла между проволокой и наплавляемой поверхности осуществляют путем задания необходимых для этого параметров одного или нескольких или всех электронных лучей, таких как мощность, фокусировка, положение в пространстве, режим осцилляции.The regulation of the distribution of the introduced heat between the wire and the surface to be welded is carried out by setting the necessary parameters of one or more or all of the electron beams, such as power, focusing, position in space, oscillation mode.

Технический результат изобретения обеспечивается за счет вертикальной подачи присадочной проволоки, осцилляции электронных лучей и оперативного контроля взаимного положения электронных лучей и присадочной проволоки.The technical result of the invention is provided by vertical feeding of the filler wire, oscillation of electron beams and operational control of the mutual position of the electron beams and filler wire.

Вертикальная подача присадочной проволоки позволяет обеспечить идентичные условия плавления присадочной проволоки для любого направления осуществления наплавки по поверхности изделия. Оперативный контроль взаимного положения электронного луча и присадочной проволоки позволяет обеспечить стабилизацию теплового распределения в области взаимодействия электронных лучей с наплавляемой поверхностью и присадочной проволокой. Применяемая при этом осцилляция электронного луча, например, по кольцевой или Х-образной или линейной или другой траектории, может дополнительно улучшать качество формирования наплавляемого слоя. Комбинированием мощности, фокусировки, положения в пространстве и режима осцилляции электронных лучей может осуществляться регулирование распределения вводимого тепла между проволокой и наплавляемой поверхностью.Vertical feeding of the filler wire allows to provide identical conditions for the filler wire melting for any direction of surfacing on the surface of the product. On-line control of the mutual position of the electron beam and the filler wire makes it possible to stabilize the thermal distribution in the area of interaction of the electron beams with the surface to be welded and the filler wire. The applied oscillation of the electron beam, for example, along an annular or X-shaped or linear or other path, can further improve the quality of formation of the deposited layer. By combining the power, focusing, position in space and the oscillation mode of the electron beams, it is possible to regulate the distribution of the introduced heat between the wire and the surface to be welded.

На чертеже представлена структурная схема устройства, предназначенного для осуществления заявляемого способа.The drawing shows a block diagram of a device designed to implement the proposed method.

Для осуществления заявляемого способа используют установку для электронно-лучевой наплавки, пример такой установки представлен на фиг. Установка содержит две электронно-лучевые пушки 1, 2 для подачи двух электронных лучей 3, 4 на изделие 5 для наплавки присадочной проволокой 6, канал 7 для подачи присадочной проволоки 6, фокусирующие катушки 8, 9, отклоняющие катушки 10, 11, датчики вторичного сигнала 12, 13, блок обработки вторичного сигнала 14, устройство управления 15, блок управления токами 16 отклоняющих катушек 10, 11, блок подачи присадочной проволоки 17.To implement the proposed method, an installation for electron-beam surfacing is used, an example of such an installation is shown in Fig. The installation contains two electron-beam guns 1, 2 for supplying two electron beams 3, 4 to the item 5 for surfacing with filler wire 6, channel 7 for filler wire 6, focusing coils 8, 9, deflecting coils 10, 11, secondary signal sensors 12, 13, secondary signal processing unit 14, control device 15, current control unit 16 of deflecting coils 10, 11, filler wire feed unit 17.

Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.

Электронно-лучевые пушки 1, 2 содержащиеся в установке электроннолучевой наплавки, генерируют электронные лучи 2, 3, которые, посредством фокусирующих катушек 8, 9 фокусируют в требуемую область зоны осуществления наплавки проволокой 6 на поверхность изделия 5, например, на поверхность присадочной проволоки 6.Electron-beam guns 1, 2 contained in the installation of electron-beam surfacing, generate electron beams 2, 3, which, by means of focusing coils 8, 9, focus into the required area of the area of the surfacing with wire 6 on the surface of the product 5, for example, on the surface of the filler wire 6.

В настоящем примере, в составе установки электронно-лучевой наплавки, используют две электронно-лучевые пушки 1, 2, которые генерируют два электронных луча 3, 4. Однако, электронно-лучевых пушек 1, 2 и, соответственно, электронных лучей 3, 4 может быть более двух.In the present example, as part of an electron-beam surfacing installation, two electron-beam guns 1, 2 are used, which generate two electron beams 3, 4. However, electron-beam guns 1, 2 and, accordingly, electron beams 3, 4 can be more than two.

Через канал 7 подают присадочную проволоку 6 перпендикулярно поверхности изделия 5 или с небольшим отклонением, не превышающим 15 градусов. Для осуществления наплавки в требуемом направлении осуществляют вращение или перемещение изделия 5 по определенной траектории.Through channel 7, filler wire 6 is fed perpendicular to the surface of the product 5 or with a slight deviation not exceeding 15 degrees. To carry out surfacing in the required direction, the product 5 is rotated or moved along a certain trajectory.

Осуществляют осцилляцию электронных лучей 3, 4, например, по линейной траектории, направленной поперек оси присадочной проволоки, путем введения в электрический ток отклоняющих катушек 10, 11 колебаний требуемой формы и частоты посредством блока управления токами 16 отклоняющих катушек 10, 11. Рекомендуемая частота осцилляции от 50 Гц и более. Осцилляция электронных лучей 3, 4 с меньшей частотой оказывает сильное гидродинамическое воздействие на расплавленный металл, что может снизить качество наплавки.Oscillation of electron beams 3, 4, for example, along a linear trajectory directed across the axis of the filler wire, by introducing the deflecting coils 10, 11 of the oscillations of the required shape and frequency into the electric current by means of the current control unit 16 deflecting coils 10, 11. The recommended oscillation frequency from 50 Hz or more. Oscillation of electron beams 3, 4 with a lower frequency has a strong hydrodynamic effect on the molten metal, which can reduce the quality of surfacing.

В настоящем примере производят осцилляцию одновременно всех электронных лучей 3, 4. Однако, осцилляцию некоторых электронных лучей 3, 4 могут не производить. Например, для эффективной активации поверхности изделия в процессе наплавки, либо для осуществления подогрева, один из электронных лучей 3, 4 могут постоянно или периодически направлять на поверхность изделия 5 без осуществления осцилляции или с осуществлением осцилляции. При этом, в каждый временной промежуток, определение положения относительно присадочной проволоки 6 может осуществляться только для тех электронных лучей 3, 4, которые в этом временном промежутке осциллируют по траектории, имеющей пересечение с присадочной проволокой 6.In the present example, all electron beams 3, 4 are oscillated simultaneously. However, some of the electron beams 3, 4 may not oscillate. For example, for effective activation of the surface of the product during surfacing, or for heating, one of the electron beams 3, 4 can be constantly or periodically directed to the surface of the product 5 without oscillation or with oscillation. In this case, in each time interval, the determination of the position relative to the filler wire 6 can be carried out only for those electron beams 3, 4, which in this time interval oscillate along a trajectory that intersects with the filler wire 6.

В процессе наплавки регистрируют вторичное излучение из зоны наплавки, посредством датчиков вторичного сигнала 12, 13, и ток отклоняющих катушек 10, 11.In the process of surfacing, the secondary radiation from the surfacing zone is recorded by means of the secondary signal sensors 12, 13, and the current of the deflecting coils 10, 11.

В настоящем примере, для каждого электронного луча 3, 4 применяют отдельный датчик вторичного сигнала 12, 13, который располагают совместно с соответствующей электронно-лучевой пушкой 1, 2. Однако, количество датчиков вторичного сигнала 12, 13 может отличаться от количества электронных лучей 3, 4. Например, по сигналу с одного датчика вторичного сигнала могут производить определение положения одновременно нескольких электронных лучей 3,4 относительно присадочной проволоки 6. Также датчики вторичного сигнала 12, 13 могут располагаться отдельно от электронно-лучевых пушек 1, 2. Например, могут быть равномерно распределены вокруг оси канала 7 для подачи присадочной проволоки 6.In the present example, for each electron beam 3, 4, a separate secondary signal sensor 12, 13 is used, which is located together with the corresponding electron beam gun 1, 2. However, the number of secondary signal sensors 12, 13 may differ from the number of electron beams 3, 4. For example, according to the signal from one sensor of the secondary signal, they can simultaneously determine the position of several electron beams 3,4 relative to the filler wire 6. Also, the sensors of the secondary signal 12, 13 can be located separately from the electron-beam guns 1, 2. For example, they can be evenly distributed around the axis of the channel 7 for feeding the filler wire 6.

В настоящем примере осуществления способа для контроля за положением присадочной проволоки 6 в качестве вторичного излучения используют рентгеновское излучение. Однако, это могут быть вторичные высокоэнергетичные электроны, или световая эмиссия, или другие вторичные сигналы из зоны взаимодействия электронного луча с материалом изделия и присадочной проволокой.In the present embodiment of the method, X-rays are used as secondary radiation to control the position of the filler wire 6. However, these can be secondary high-energy electrons, or light emission, or other secondary signals from the zone of interaction of the electron beam with the product material and filler wire.

В качестве датчика рентгеновского излучения 12, 13 может быть применен сцинтилляционный детектор на основе монокристалла активированного йодистого цезия и кремниевый фотоэлектронный умножитель.A scintillation detector based on a single crystal of activated cesium iodide and a silicon photomultiplier tube can be used as an X-ray sensor 12, 13.

В качестве датчика вторичных высокоэнергетичных электронов может быть использован электрод-коллектор, устанавливаемый над зоной наплавки.As a sensor for secondary high-energy electrons, a collector electrode installed above the surfacing zone can be used.

В качестве датчика световой эмиссии может быть использован фотодиодный датчик, устанавливаемый над зоной наплавки.A photodiode sensor installed above the surfacing zone can be used as a light emission sensor.

Для определения положения требуемого электронного луча 3 относительно присадочной проволоки 6, сигнал с соответствующего задействованного датчика рентгеновского излучения 12 подвергают фильтрации и выпрямлению в блоке обработки 14. Частота осцилляции каждого требуемого электронного луча должна отличаться от частот осцилляции других осциллирующих электронных лучей и не должна быть кратна частотам осцилляции других осциллирующих электронных лучей. В блоке обработки 14, совместно с сигналами электрического тока соответствующей отклоняющей катушки 10, отфильтрованный и выпрямленный сигнал рентгеновского излучения из зоны наплавки обрабатывают методом синхронного детектирования. Для удобства определения положения электронных лучей 3, 4 относительно присадочной проволоки 6 систему отклонения электронных лучей 3, 4 настраивают так, что одна из осей отклоняющих катущек 10, Ц расположена под углом 90 градусов к оси присадочной проволоки, Или перед выполнением наплавки проводят тарировку системы для учета взаимного расположения осей отклоняющих катушек 10, 11 и присадочной проволоки 6.To determine the position of the required electron beam 3 relative to the filler wire 6, the signal from the corresponding activated X-ray sensor 12 is filtered and rectified in the processing unit 14. The oscillation frequency of each required electron beam must differ from the oscillation frequencies of other oscillating electron beams and must not be a multiple of frequencies oscillations of other oscillating electron beams. In the processing unit 14, together with the electric current signals of the corresponding deflecting coil 10, the filtered and rectified X-ray signal from the cladding zone is processed by the method of synchronous detection. For the convenience of determining the position of the electron beams 3, 4 relative to the filler wire 6, the deflection system of the electron beams 3, 4 is adjusted so that one of the axes of the deflecting coils 10, C is located at an angle of 90 degrees to the axis of the filler wire, Or, before surfacing, the system is calibrated to taking into account the relative position of the axes of the deflecting coils 10, 11 and filler wire 6.

Совместную обработку синхронным детектированием сигнала рентгеновского излучения из зоны наплавки и сигнала электрического тока в отклоняющих катушках 10 осуществляют следующим образом. Из сигнала электрического тока отклоняющих катушек 10 выделяют переменную составляющую I f m(ωt). При необходимости, в зависимости от требуемого положения проволоки 6, осуществляют сдвиг фазы этой составляющей для обеспечения смещения центра осцилляции электронного луча относительно присадочной проволоки. Многократно измеряют сигнал рентгеновского излучения Data(t) в соответствии с полученным сигналом I f m(ωt+ϕ). Умножают полученный сигнал I f m(ωt+ϕ) на соответствующий ему сигнал рентгеновского излучения Data(t), полученные результаты умножения интегрируют и усредняют по времени:Joint processing by synchronous detection of an X-ray signal from the surfacing zone and an electric current signal in the deflecting coils 10 is carried out as follows. An alternating component I f m (ωt) is separated from the electric current signal of the deflecting coils 10. If necessary, depending on the required position of the wire 6, the phase of this component is shifted to provide a displacement of the center of oscillation of the electron beam relative to the filler wire. Repeatedly measure the X-ray signal Data (t) in accordance with the received signal I f m (ωt + ϕ). The obtained signal I f m (ωt + ϕ) is multiplied by the corresponding X-ray signal Data (t), the results of the multiplication are integrated and averaged over time:

Figure 00000001
Figure 00000001

где ϕ - сдвиг фазы сигнала тока отклоняющих катушек; t - время; t0 - время выборки, которое обычно составляет 100 мс.where ϕ is the phase shift of the current signal of the deflecting coils; t is time; t 0 is the sampling time, which is usually 100 ms.

В результате обработки вторичного сигнала методом синхронного детектирования измеряют величину b, характеризующую отклонение электронного луча 3 от присадочной проволоки 6. Данная величина зависит от положения центра осцилляции рассматриваемого электронного луча 3 относительно оси присадочной проволоки 6 и принимает значения, равные нулю, при совмещении центра осцилляции этого электронного луча 3 с осью присадочной проволоки. Аналогичным образом определяют положение других электронных лучей 4 относительно присадочной проволоки 6.As a result of processing the secondary signal by the method of synchronous detection, the value b is measured, which characterizes the deviation of the electron beam 3 from the filler wire 6. This value depends on the position of the oscillation center of the considered electron beam 3 relative to the axis of the filler wire 6 and takes values equal to zero when the center of oscillation of this electron beam 3 with the axis of the filler wire. Similarly, the position of the other electron beams 4 relative to the filler wire 6 is determined.

В настоящем примере осуществления способа для обработки сигнала вторичного излучения применяют метод синхронного детектирования, являющийся корреляционным методом выделения регулярной компоненты случайного сигнала. Однако, для обработки также могут применяться его частные случаи, например, синхронное накопление с последующим выделением задержки полученной функции от функции опорного сигнала.In the present embodiment of the method, a synchronous detection method is used for processing the secondary radiation signal, which is a correlation method for extracting the regular component of a random signal. However, its special cases can also be used for processing, for example, synchronous accumulation with subsequent separation of the delay of the received function from the function of the reference signal.

Далее устройство управления 15 совместно с блоком управления 16 токами отклоняющих катушек 10, 11 осуществляет регулирование постоянных составляющих электрического тока в отклоняющих катушках 10, 11, поддерживая величину b для каждого рассматриваемого электронного луча на постоянном уровне, соответствующем требуемому положения электронных лучей 3, 4 относительно присадочной проволоки 6.Further, the control device 15, together with the control unit 16 of the currents of the deflecting coils 10, 11, regulates the constant components of the electric current in the deflecting coils 10, 11, maintaining the value b for each considered electron beam at a constant level corresponding to the required position of the electron beams 3, 4 relative to the filler wire 6.

В настоящем примере осуществления способа, взаимное расположение электронных лучей 3, 4 и присадочной проволоки 6 регулируют за счет управления токами отклоняющих катушек 10, 11. Однако, такое регулирование могут осуществлять совместно с управлением механизмом отклонения присадочной проволоки 6 или только управлять механизмом отклонения присадочной проволоки 6. Кроме того, в процессе наплавки могут осуществлять оперативную корректировку положения изделия 5.In the present embodiment of the method, the relative position of the electron beams 3, 4 and the filler wire 6 is adjusted by controlling the currents of the deflecting coils 10, 11. However, such regulation can be carried out in conjunction with the control of the deflection mechanism of the filler wire 6 or only control the deflection mechanism of the filler wire 6 In addition, in the process of surfacing, the position of the product can be promptly corrected 5.

В настоящем примере осцилляция электронных лучей 3, 4 осуществляется по линейной траектории, направленной поперек оси присадочной проволоки 6. Однако, также могут использоваться другие типы осцилляции имеющие пересечение с присадочной проволокой.In the present example, the oscillation of the electron beams 3, 4 is carried out along a linear path directed across the axis of the filler wire 6. However, other types of oscillations that intersect with the filler wire can also be used.

Таким образом, за счет вертикальной подачи присадочной проволоки и использованию двух и более электронно-лучевых пушек, заявляемое изобретение позволяет обеспечить идентичные условия плавления присадочной проволоки для любого направления осуществления наплавки по поверхности изделия при осуществлении электронно-лучевой проволочной наплавки или электронно-лучевых проволочных аддитивных технологий. Кроме того, за счет осуществления оперативного контроля взаимного положения электронного луча и присадочной проволоки, заявляемое изобретение позволяет повысить стабильность теплового распределения в области взаимодействия электронных лучей с наплавляемой поверхностью и присадочной проволокой при осуществлении электронно-лучевой проволочной наплавки или электронно-лучевых проволочных аддитивных технологий. Комбинированием мощности, фокусировки, положения в пространстве и режима осцилляции электронных лучей может осуществляться регулирование распределения вводимого тепла между проволокой и наплавляемой поверхностью.Thus, due to the vertical feed of the filler wire and the use of two or more electron-beam guns, the claimed invention makes it possible to provide identical conditions for melting the filler wire for any direction of surfacing on the surface of the product when carrying out electron-beam wire surfacing or electron-beam wire additive technologies ... In addition, due to the implementation of operational control of the mutual position of the electron beam and the filler wire, the claimed invention improves the stability of the thermal distribution in the field of interaction of the electron beams with the surface to be welded and the filler wire when carrying out electron-beam wire surfacing or electron-beam wire additive technologies. By combining the power, focusing, position in space and the oscillation mode of the electron beams, it is possible to regulate the distribution of the introduced heat between the wire and the surface to be welded.

Claims (4)

1. Способ электронно-лучевой наплавки, включающий электронно-лучевую наплавку с вертикальной подачей присадочной проволоки в процессе наплавки с использованием по меньшей мере двух электронно-лучевых пушек для получения по меньшей мере двух одновременно действующих электронных лучей, которыми воздействуют в требуемую область присадочной проволоки с разных сторон, отличающийся тем, что в процессе наплавки осуществляют осцилляцию по меньшей мере одного электронного луча по траектории, имеющей пересечение с присадочной проволокой, путем создания переменного электрического тока определенной величины, формы и частоты в отклоняющей системе для соответствующего электронного луча и в процессе наплавки определяют положение относительно присадочной проволоки для по меньшей мере одного электронного луча, причем осцилляцию каждого электронного луча, положение которого определяют, выполняют с частотой, отличающейся от частот осцилляции других осциллирующих лучей и не кратной частотам осцилляции других осциллирующих лучей, при этом измеряют сигнал вторичного излучения, выполняют обработку исходного сигнала вторичного излучения методом синхронного детектирования, при этом обрабатывают сигнал электрического тока в отклоняющей системе рассматриваемого электронного луча, выделяя переменную составляющую, перемножают значения сигнала вторичного излучения и сигнала переменной составляющей электрического тока в отклоняющей системе рассматриваемого электронного луча, а результат умножения интегрируют и усредняют по времени, при этом для каждого рассматриваемого электронного луча получают величину, характеризующую его положение относительно присадочной проволоки, управляют отклоняющей системой по меньшей мере одного электронного луча, поддерживая величины, характеризующие положение каждого электронного луча относительно присадочной проволоки на уровне, соответствующем требуемому положению всех электронных лучей относительно присадочной проволоки.1. The method of electron-beam surfacing, including electron-beam surfacing with vertical filler wire feed in the surfacing process using at least two electron-beam guns to obtain at least two simultaneously acting electron beams, which act in the required area of the filler wire with different sides, characterized in that during surfacing, at least one electron beam is oscillated along a trajectory that intersects with the filler wire, by creating an alternating electric current of a certain value, shape and frequency in the deflecting system for the corresponding electron beam and during surfacing it is determined position relative to the filler wire for at least one electron beam, and the oscillation of each electron beam, the position of which is determined, is performed with a frequency that differs from the oscillation frequencies of other oscillating beams and is not a multiple of the oscillation frequencies of the other of these oscillating beams, while measuring the secondary radiation signal, performing the processing of the original secondary radiation signal by the method of synchronous detection, while processing the electric current signal in the deflecting system of the electron beam in question, separating the alternating component, multiplying the values of the secondary radiation signal and the signal of the alternating component of the electric current in deflection system of the considered electron beam, and the result of multiplication is integrated and averaged over time, while for each considered electron beam a value is obtained that characterizes its position relative to the filler wire, the deflection system of at least one electron beam is controlled, maintaining the values characterizing the position of each electron beam relative to the filler wire at a level corresponding to the required position of all electron beams relative to the filler wire. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электронно-лучевую наплавку осуществляют с отклонением от вертикали присадочной проволоки в процессе наплавки, не превышающим 15 градусов.2. The method according to claim. 1, characterized in that the electron-beam surfacing is carried out with a deviation from the vertical of the filler wire during surfacing, not exceeding 15 degrees. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе наплавки в качестве сигнала вторичного излучения используют тормозное рентгеновское излучение, вторичные высокоэнергетичные электроны или световую эмиссию из зоны взаимодействия электронного луча с материалом изделия и присадочной проволокой.3. The method according to claim. 1, characterized in that in the process of surfacing as a signal of secondary radiation, bremsstrahlung X-ray radiation, secondary high-energy electrons or light emission from the zone of interaction of the electron beam with the material of the product and the filler wire are used. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют регулирование распределением вводимого тепла между проволокой и наплавляемой поверхностью путем задания необходимых для этого параметров по меньшей мере одного электронного луча, таких как мощность, фокусировка, положение в пространстве, режим осцилляции.4. The method according to claim 1, characterized in that the distribution of the introduced heat between the wire and the surface to be welded is controlled by setting the necessary parameters of at least one electron beam, such as power, focusing, position in space, oscillation mode.
RU2020133749A 2020-10-13 2020-10-13 Method for electron beam surfacing with vertical filler wire supply RU2753069C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020133749A RU2753069C1 (en) 2020-10-13 2020-10-13 Method for electron beam surfacing with vertical filler wire supply

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020133749A RU2753069C1 (en) 2020-10-13 2020-10-13 Method for electron beam surfacing with vertical filler wire supply

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2753069C1 true RU2753069C1 (en) 2021-08-11

Family

ID=77349097

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020133749A RU2753069C1 (en) 2020-10-13 2020-10-13 Method for electron beam surfacing with vertical filler wire supply

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2753069C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU217445U1 (en) * 2022-12-27 2023-03-31 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" DEVICE FOR ELECTRON-BEAM ADDITIVE FORMATION OF PRODUCTS

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5277938A (en) * 1990-09-11 1994-01-11 Balzers Aktiengesellschaft Method for controlling evaporation for vapor deposition
RU2238828C1 (en) * 2003-05-05 2004-10-27 Нижегородское открытое акционерное общество "Гидромаш" High-strength steel electronic beam welding method
US8809780B2 (en) * 2009-11-13 2014-08-19 Sciaky, Inc. Electron beam layer manufacturing using scanning electron monitored closed loop control
RU2532626C1 (en) * 2013-03-26 2014-11-10 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" Method of electron beam welding
CN106392290A (en) * 2016-11-21 2017-02-15 沈阳金锋特种设备有限公司 Electron beam processing system and method for multi-electron beam center wire feeding
WO2017096050A1 (en) * 2015-12-04 2017-06-08 Raytheon Company Electron beam additive manufacturing
CN106984894A (en) * 2017-03-14 2017-07-28 西安智熔金属打印系统有限公司 The electron beam fuse of vector wire feed increases material device
RU2704682C1 (en) * 2018-12-20 2019-10-30 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" Method of electron-beam backfilling with control of filler wire position relative to electron beam (versions)

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5277938A (en) * 1990-09-11 1994-01-11 Balzers Aktiengesellschaft Method for controlling evaporation for vapor deposition
RU2238828C1 (en) * 2003-05-05 2004-10-27 Нижегородское открытое акционерное общество "Гидромаш" High-strength steel electronic beam welding method
US8809780B2 (en) * 2009-11-13 2014-08-19 Sciaky, Inc. Electron beam layer manufacturing using scanning electron monitored closed loop control
RU2532626C1 (en) * 2013-03-26 2014-11-10 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" Method of electron beam welding
WO2017096050A1 (en) * 2015-12-04 2017-06-08 Raytheon Company Electron beam additive manufacturing
CN106392290A (en) * 2016-11-21 2017-02-15 沈阳金锋特种设备有限公司 Electron beam processing system and method for multi-electron beam center wire feeding
CN106984894A (en) * 2017-03-14 2017-07-28 西安智熔金属打印系统有限公司 The electron beam fuse of vector wire feed increases material device
RU2704682C1 (en) * 2018-12-20 2019-10-30 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" Method of electron-beam backfilling with control of filler wire position relative to electron beam (versions)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU217445U1 (en) * 2022-12-27 2023-03-31 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" DEVICE FOR ELECTRON-BEAM ADDITIVE FORMATION OF PRODUCTS
RU2804862C1 (en) * 2022-12-27 2023-10-06 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" Method of electron beam surfacing of metal with heat input control
RU2818555C1 (en) * 2023-07-14 2024-05-02 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский технологический институт "Прогресс" Electron-beam surfacing method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10035211B2 (en) Tandem hot-wire systems
US8563896B2 (en) Systems and methods to modify gas metal arc welding and its variants
US4348576A (en) Position regulation of a charge carrier beam
US4649256A (en) High-frequency electric resistance welding method using irradiation with a laser beam
US10086465B2 (en) Tandem hot-wire systems
US20140263231A1 (en) Tandem hot-wire systems
US20140263228A1 (en) Tandem hot-wire systems
US4203021A (en) Method and apparatus for control of method parameters in energy beam welding
US3230339A (en) Method for welding workpieces by means of a beam of charge carriers
RU2753069C1 (en) Method for electron beam surfacing with vertical filler wire supply
GB1585623A (en) Energy beam welding
US20220134473A1 (en) Method for determining spatter characteristics in laser machining and associated machining machine and computer program product
RU2704682C1 (en) Method of electron-beam backfilling with control of filler wire position relative to electron beam (versions)
US4309589A (en) Method and apparatus for electron beam welding
US3691341A (en) Improvements to the controlling of focussing of electronic bombardment
GB2283448A (en) Improvements in or relating to electron beam welding
US4160150A (en) Method and apparatus for energy beam welding
US4158122A (en) Method of measuring and stabilizing the diameter of heating point on workpiece in electron beam welding machine and on automatic device for realization thereof
RU2804862C1 (en) Method of electron beam surfacing of metal with heat input control
Yoo et al. Investigation on arc light intensity in gas metal arc welding. Part 1: relationship between arc light intensity and arc length
RU1133781C (en) Method of controlling process of electron-beam welding
SU1504041A1 (en) Method of stabilizing of fusion depth in beam welding with x-ray tracing
SU937116A1 (en) Method of electron beam welding of different metals with lateral oscillations of electron beam
JP2001150165A (en) Laser arc welding equipment and method and method of laser arc coating
RU2023557C1 (en) Method of and device for electron beam welding