SU1504040A1 - Способ стабилизации глубины проплавлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к сварке и может быть использовано дл  управлени  процессом лучевой сварки. Цель изобретени  - повышение качества сварного шва путем повышени  точности управлени . Управление осуществл ют по положению на оси канала проплавлени   дра плазмы. Относительное положение  дра плазмы определ етс  плоскост ми, поперечными каналу проплавлени  и расположенными с разных сторон относительно  дра плазмы. Положение поперечных плоскостей задаетс  из услови  равенства величин интенсивности рентгеновского излучени , улавливаемого из этих плоскостей рентгеновскими датчиками. Отношение рассто ний до этих плоскостей преобразуют в регулирующее воздействие, стабилизирующее глубину проплавлени . Способ позвол ет более чем в 2,5 раза повысить точность управлени  глубиной проплавлени . 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к сварке и может быть использовано дл  управлени  процессом лучевой сварки.

Целью изобретени   вл етс  повышение качества сварного шва ттутем по ьш1ени  точности управлени .

Па фиг.1 приведена блок-схема устройства, реализующего способ;на фиг.2 - графики изменени  глубины проплавле}1и  и интенсивности рентгеновского нзпу гепп  во врем  процесса проплавлени .

В свариваемом изделии 1 в процессе лучевой сварки образуетс  канал 2 проплавлени  с  дром 3 плазмы,рас- положенны оси луча и канала 2 проплавлени  межд.у точками 4 и 5.

Ядро 3 плазмы находитс  в канале 2 проплавлени  на рассто нии 6 от поверхности свариваемого издели  1. Ось канала 2 проплавлени  совпадает с осью электронного луча 7, генери- руемого электронно-лучевой пушкой 8. Устройство 9 управл ет шаговым механизмом 10 пepe e цeни  рентгеновских датчиков 11 и 12. Оси датчиков 11 и 12 разнесены друг от друга на рассто ние 13. Датчики 11 и 12 соединены с усилител ми 14 и 15 сигналов датчиков. Один из ВЬЕХОДОВ усилител  15 сигнала датчика св зан со входом измерител  16 интенсивности рентгеновского излучени , фиксируемого датчиком 12. Другой выход усилител 

СП

15 сигнала датчика 12 так же, как и выход усилител  14 сигнала датчика 11 через первый амплитудный компаратор 17 соединен с шаговым механизмом 18 перемещени  датчика 11. Входы пре- образоватедей 19 и 20 рассто ние - код механизмов 10 и 18 соответственно св заны с устройством 21 отображени  информации и через преобразователи 22, 23 код - напр жение через множительное ycrpoi icTBo 24 - с одним из входов второго амплитудного компаратора 25, 1а друго11 вход 26 второго амплитудного компаратора 25 подаетс  опорное напр жение. Выход второго амплитудного компаратора 25 соедрп1ен с регул тором 27 глубины проплавле- ни , св занным с эдектроино-дучевой пушкой 8,

На графике измевеви  величины интенсивности рентгеновского излучени  по толщине образца I f(H) обозначено: I ,,д максимальна  величина ин- тенсиБности излучени -, а - рассто ние от оси датчика 12 до  дра плазla +

ками; I

X - рассто ние между датчи- равные величины интенсивности , фиксируемые датчиками 11 и 12

Устройство дл  реализации способа функционирует следующим образом.

Перед проведением процесса сварки рассто ние между датчиками 11 и 12 устанавливают предварительно равным 2а + X, где 2а 4-10 мм, X csi 2-5 мм с помощью механизма 18. ось датчика 12 направл ют на поверхность издели  1 в плоскости стыка, фиксируют это положение и c niTaioT его нулевым . Потом датчики перемещают в сторону издели  1 на рассто ние, соответствующее заданной глубрп1е проп- лавлешш, определ емой точкой 5 пересечени  осей луча 7 и первого датчика 12, затем включают рабочий свароч ный ток, величину которого корректировали до получени  максим 1а Р Bejni чины рентгеновского излучени , фиксируемого датчиком 12, и включают устройство 17 и 18.

Амплитудный компаратор 17 вырабатывает кодовый сигнад, пропорциональный разности величин интенсивности излучени  датчиков. Этот разностный сигнал с помощью шагового механизма 18 перемещает датчик 11 до совпадени  его оси с точкой 4 на рассто ние а +-Х до получени  равной величины пггенсивности рентгеновского

5

0

5

0

5

0

г

0

5

излучени , фиксируемой обоими датчиками . Таким образом, за счет первой петли обратной св зи (устройства 10-13, 17 и 18) пространственное положение датчика 1 1 кс рректируетс  разностным сиг нал(.)м обоих датчиков.

Затем включают устройство полностью .

Рассто ние перемещени  обоих датчиков с наведением оси датчика I2 на точку 5 с помощью устройств 9 и 10 преобразовываетс  в код в устройстве 19. Рассто ние а X перемещени  датчика 11 с помощью шагового механизма 18 также преобразовываетс  в код в устро1 ;стве 20. Затем оба кода устройствами 22 и 23 преобразовываютс  в напр жени , которые поступают на множительное устро11ство 24. Выходное напр жение устройства 24 через устройства 25 и 27 поступает на пушку регулировани  тока сварки (фокусировки), стабилизиру  таким образом глубину проплавлени .

После установлени  стационаруюго режима глубокого кинжального проплавлени  процесс электронно-лучевой сварки становитс  импульсным. Им- пульсвость процесса обусловлена низкочастотным перекрытием жидким металлом канала проплавлени  с частотой f )) 6-50 Гц и высокочастотной экранировкой луча парами металла с частотой f 9 0,5-10 кГц. В обоих случа х луч не доходит до дна канала проплавлени , поэтому глубина проп- лавлеви  уменьшаетс . Вдоль сварного шва она измен етс  в соответствии с указанными частотами, т.е. нестабильна по величине.

Рассмотрим физику высокочастотных колебаний глубины проплавлени . Период колебаний состоит из четырех временных участков (t:,t, t j, t,) , изображенных на фиг.2. В начале первого временного участка t , луч рассеиваетс  вблп1зи поверхности издели  (т.1 зависимости И f(t), фиг.2) парами расплавленного металла, а глубина проплавлени  минимальна . При этом за счет взаимодействи  луча с (остатками паров с малыми величинами их концентрации N и давлени  Р, вблизи поверхности издели  образуетс  плазма с низкой концентрацией

электронов Пр i 1 О

см

-3

и тсмпераTypoii Тр 4 10 К. Электроны луча, взаимодейству  с остатками паров и

51

плазмой, тормоз тс  и отдают им свою энергию, часть которой переходит в излучение, в том числе рентгеновское . Тормозное излучение Q пр мо пропорционально ПрИ Л р, а величина Пр и Т св заны известным соотношением

п, /Те

.Д71  плазмы с локальным термическим равновесием, при этом величины п и Тр рассчитываютс  или измер ютс , В частности дл  лазерной плазмы известны зависимости п и Т при разных давлени х в зависимости от рассто ни  .

Измеренные экспериментально с учтом поглощени  рентгеновского излучени  материалом и рассчитанные по приведенным формулам зависимости Т и величины интенсивности рентгеновского излучени  в зависимости от глубины прогшавлени  приведены на фиг.2 дл  начала участков и имеют близкий качественный характер с максимумом в корне канала проплавочени 

При посто нной энергии луча концентраци  Пр и величина излучени  I плазмы определ ютс  концентрацией N и давлением Р паров расплавленного металла, В корневой части канала проплавлени  величины N и Р максимальны , в его середине - в несколько .раз меньше ввиду увеличени  объема канала, а вблизи поверхности издели  - меньше на 1-2 пор дка, поэтому вблизи поверхности концентраци  электронов п „ падает до

1Лt

см, а интенсивность рентгеновского излучени  минимальна (крива  1 f (И), фиг.2).

Во врем  первого временного участка t пары металла выход т из канала проплавлени ,экранировка луча уменьшаетс , луч опускаетс  в корневую часть канала (т. 2 зависимости Н f(t), фиг.2), нагрева  металл до плавлени  и ионизиру  оставшиес  пары, а рентгеновское излучение также минимально и распределено по всему объему канала проплавлени  (крива  1 ,(ц , фиг, 2) .

Во врем  второго временного участка t происходит интенсивное плавление металла, а глубина проплавлени  становитс  максимальной, В конце второго временного участка t i луч также

040406

находитс  в корне канала (т. 3 зависимости Н f(t), фиг,2), металл перегреваетс , начинаетс  его испарение и в корне канала образуетс  высококонцентрированна  плазма с TfK5-10 - 5-10 К и Пр Ю , При этом энерги  луча передаетс  к металлу через плаз0 му с минимальными потер ми, а в корне канала образуетс   дро плазмы с Те (0,5-0,9) Tf макс ,п е - (0,5 - 0,9) п,„,, и l (0,5 - 0,9)« IMOK и максимальной величиной

5 рентгеновского излучени  (крива  1 , фиг,2),

На третьем временном участке t за счет перегрева металла происходит активное парообразование, глу0 бина проплавлени  уменьшаетс . Пары двигаютс  к выходу из канала и ионизируютс , концентраци  п в объеме канала резко уменьшаетс , величина интенсивности рентгеновского излу5 чени  из всего канала также резко уменьшаетс  и в конце третьего временного участка 13 происходит пол- нал экранировка лу-ча, продолжающа с  весь четвертый временной участок

0 . При этом энерги  луча концентрируетс  вблизи поверхности издели  (т. 4 зависимости Н f(t), фиг,2), рассеиваетс  и частично расходуетс  на образование приповерхg ностной плазмы, котора  генерирует рентгеновское излучение (крива  . f (Н), фиг, 2), причем I I за счет P Р,, Далее процесс повтор етс ,

0 Во всем объеме канала проплавлени  рентгеновское излучение нестабильно в пространстве и во времени, но в корневой части канала в конце второго временного участка t оно

g максимально и наиболее стабильно, причем пространственное положение  дра плазмы максимально совмещено с корневой частью канала и характеризует глубину проплавлени ,

Q Ядро плазмы образуетс  в середине второго временного участка t, а к середине третьего временного участка tj оно исчезает, причем его размеры максимальны при наибольшей глубине проплавлени  и завис т от режима сварки, типа и толщины свариваемых материалов.

Ядро плазмы колеблетс  вблиз корневой части канала проплавлени .

5

В соответствии с колебани ми  дра максимум величины интенсивности рентгеновского излучени  ( f(H), фиг.2) также перемещаетс  вдоль канала в тех же пределах, но величина максимальной интенсивности 1,,о(кс уменьшаетс  по мере удалени  от корн  канала. В св зи с указанным пространственное положение плоскостей с равными величинами интенсивности

рентгеновского излучени  нестабильно при отсутствии временной селекции С введением временной селекции, когда рентгеновское излучение принимают во врем  рабочет о временного участка tp, пространственн(з-временное положение  дра рентгеновского излучени  становитс  стаСильнЬм при стабильных пл.раметрах (режимах) сварки, особенно при мплом времени рабочего У - астка t р -- 0. В этом случае дестабилизирующими фактораг- и  вл ютс  неточность совмещени  датчика 12 с  дром плазмы пп максим уму интенсивности рентгеновского излучени  или нестабильность параметров сварки.

Точность совмещени  датчика 12 с  :1,ром 3 плазмы определ етс  чувст- вител ност,ю рентгеновского датчика, ак как при рассто нии 13 ме; ,;т,у ос ми датчиков 11 и 12 и t р - О и;;ро 1 лазм1)1 занимает определенное положение в пространстве.

При нестабильных параметрах сварки  дро плазмь; перемещаетс  на рассто ние , составл ющее до 20% от глубины проплавлениг, т.е. нестабильность глубин з1 проплаплени  20%.

В способе используют систему с датчиками, а цель кол.чиматора

составл ет 0,2

Только за счет

указаи)п,1Х мер нестаби.чьность глубин;,i лроплавлени  сншкаетс  до 3%. Временна  селекци  дает дополнительное и zyii,ecT}ieiiHoc снижение нестабильности.

В проц,ессе сварки датчики зани- Mai()T посто нное заданное положение и, вырабатыва  контролььгую информацию от принимаемого рентгеновского излучени , через обратную св зь- стабилизируют пространственное положение  дра плазмы, уменьша  таким образом нестабильност15 глубины проплавлени  .

Дл  повьпиени  точности управлени  при обработке информации использова- jni не рачно(пл величин перс% еш,ений, а их отношение. Кр(1ме тог о, за счет использова}п1и разнесенных в

0

5

0

5

0

5

0

5

0

пространстве датчиков возможности сбо  работы системы значительно уменьшены.

При проведении эксперимента использовали установку ЭЛУ-9, электронно-лучевую пушку КЭП-2, источник питани  1-927 и устройство, изображенные на фиг.1.

Режим сварки : I се - 100 мА, и yck 60 кВ.

Свариваемый материал АМГ-6 с тол- пшной 20 мм. Длина коллиматора 50 мм; рассто ние до св гиваемого издели  100 мм; размер щели коллиматора 0,2 15 мм, угол наклона оси датчиков к вертикали заданна  глубина проплавлени  15 мм, точность установки заданной глубины 0,1 мм..

При проведении эксперимента вз та доработанна  схема прототипа. Рентгеновское излучение регистрировалось датчиками, в состав которых вход т: кристалл Nal (Т1), щелевой свинцовый коллиматор и фотоумножитель с усилителем . Датчики 11, 12 и шаговые механизмы 10 и 23 крепили на общей плите, механически св занной с пушкой .

В качестве датчика можно использовать рентгенотелевизионную пере- камеру с двум  щел ми и информационными строками, перемещаемыми злектроннь м методом. Устройство обработки 1П1формации снабжено блоком компенсации толщины издели , обусловленной разными рассто ни ми прохождени  рентгеновского излучени  от точек 3-5 до датчиков сквозь свариваемый материал и соответственно различными величинами поглощени  излучени .

Устройство обеспечивает точность управлени  .

Внедрение способа позвол ет более чем в 2,5 раза повысить точность управлени  глубиной проплавлени , что значительно улучшает качество сварного шва.

Форм

у л а

изобретени 

Способ стабилизации глубины проплавлени  в процессе лучевой сварки по рентгеновскому излучению, регистрируемому из корневой части канала проплавлени , отличающий- с   тем, что, с целью повьшшни  качества сварного щва путем повышени  точности управлени , определ ют лве

поперечные каналу проплавлени  плоскости , расположенные с разных сторон и иа разных рассто ни х относительно  дра плазмы, из которых регистрируют излучение равной -интенсивности, а отношение рассто нии до этих плоскостей преобразуют в регулирующее воздействие.

ъ I

yt у e-ta

Редактор Н. Горват

7 /талг

Составитель И. Фролов

Техред М.Ходанич Корректор Н. Король

Физ.1

jt

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Способ стабилизации глубины проплавления в процессе лучевой сварки по рентгеновскому излучению, регистрируемому из корневой части канала проплавления, отличающийс я тем, что, с целью повышения качества сварного шва путем повышения точности управления, определяют две

   1 О поперечные каналу проплавления плоскости, расположенные с разных сторон и на разных расстояниях относительно ядра плазмы, из которых регистри руют излучение равной ·ηητ6Ηγ.ηβηοοτη, а отношение расстояний до этих плоскостей преобразуют в регулирующее воздействие.