SU1504041A1 - Способ стабилизации глубины проплавлени в процессе лучевой сварки по рентгеновскому излучению - 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 . Из корневой части 5 канала 2 проплавлени  регистрируют рентгеновское излучение из двух поперечных каналу 2 проплавлени  плоскостей, ограничивающих положение  дра 3 плазмы во врем  процесса сварки. Плоскости расположены с разных сторон на равных рассто ни х относительно  дра 3 плазмы. Отношение величины интенсивности излучени  из этих плоскостей, регистрируемых рентгеновскими датчиками 11 и 12, преобразуют в регулирующее воздействие. Прием из корневой части канала проплавлени  стабильного рентгеновского излучени  позвол ет более чем в два раза повысить точность стабилизации глубины проплавлени , а с ним и качество сварного шва. 3 ил.

Description

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

Целью изобретени   вл етс  Повышение качества сварного шва путем по- вьш1ени  точности управлени .

На фиг.1 приведена блок-схема устройства , реализующего способ; на фиг.2 - графики изменени  глубины проплавлени  и интенсивности рентгеновского излучени  во врем  процесса проплавлени ; на фиг.З - график изменени  величины сигнала датчика во времени при нестабильном режиме свар.- ки.

В свариваемом изделии 1 в процессе лучевой сварки образуетс  канал 2 проплавлени  с  дром 3 плазмы, расположенным на оси луча и канала проплавлени  между 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, генерируемого электронно-лучевой пушкой 8. Устройство 9 управл ет шаговым механизмом 10 перемещени  рентгеновских датчиков 11 и 12. Рассто ние 13 между ос ми датчиков 12 и 11 выбирают пропорциональным рассто нию между точками

СП

о

4

О

4 и 5, равным 2 а, где а - рассто ние от  дра 3 плазмы до точки 5. Датчики 11 и 12 соединены с усилител ми 14 и 15 сигналов датчиков.

Один из выходов усилител  15 сигнала датчика 12 св зан со входом измерител  16 интенсивности рентгеновского излучени , фиксируемого датчиком 12. Другой выход усилител  15 сигнала так же как и выход усилител  14, через множительное устройство 17 соединен с одним из входов амплитудного компаратора 18, на другой вход 19 которого подаетс  опорное на пр жение.Один из выходов амплитудног компаратора 18 соединен с электронно-лучевой пушкой 8 через регул тор 20 глубины плавлени , а другой выход соединен с устройством 21 отображе- ни  информации.

На графике изменени  величины интенсивности рентгеновского излучени  по толщине образца I f(H) (фиг.1) обозначено: I ц - максимальна  величи на интенсивности рентгеновского излучени   дра плазмы; а - рассто ние от оси точки 5 до  дра 3 плазмы; 2а - рассто ние между точками 4 и 5; 1, 1 величина интенсивности и злу чени , принимаема  датчиком 12 и 11 соответственно.

Перед сваркой ось датчика 12 ориентировочно совмещали с осью луча 7 пушки 8 на поверхности издели  1. Включали малый ток луча (2-3 мА) и по максимуму интенсивности с помощью устройств 9 и 10 корректировали пространственное положение датчика 12, счита  его нулевым. Сигнал дат- чика 12 после усилени  в устройстве 15 регистрировали измерителем 16. Затем датчик 12 перемещали по программе в сторону издели  1 на рассто ние 6, пропорциональное заданной глу бине проплавлени , включали и устанавливали сварочный ток по максимуму величины рентгеновского излучени  1 от  дра плазмы 3, регистрируемому измерителем 16,после чего датчики 11 и 12 перемещали на величину а, чтобы  дро 3 плазмы находилось между их ос ми. В результате этого ось датчика 11 совпадала с точкой 4, а датчи- ,ка 12 - с точкой 5. Измеренные дат- чиками 11 и 12 величины интенсивности излучени  1, I, после усил(- ни  усилитап ми 14 и 15 поступают на устройство 17, а сигнал их отноше г

15040414

ни  - на компг ратор 18, затем в виде сигнала обратной св зи - на регул тор 20 и fi;3 устройство 21 отображени  информации. С выхода регул тора 20 сигнал обратной св зи поступает на пушку 8, регулиру  ток сварки (фокусировки) в зависимости от величины осевой пространственной нестабильности положени   дра 3, стабилизиру  таким образом глубину проплавлени .

Рассто ние между датчиками устанавливали до сварки равным 3-10 мм зависимости от толщины и материала свариваемых изделий. Множительное устройство 17 предназначено дл  преобразовани  в отношение величин ин- тенсивностей 1, 1, т.е.

- п (1)

U

8Ь/Х 17

и,.(1,)

а амплитудный компаратор 18 - дл  получени  стабилизирующг-го глубину про гшавлрни  сигнала, равного U gj,, ,7 - Ucn. 19 , причем и ОП.19 - и в, 7

После установлени  стационарного режима глубокого проплавлени  процесс электронно-лучевой сварки становитс  импульсным.

Импульсность процесса обусловлена низкочастотным перекрытием жидким Металлом канала плавлени  с частотой f J, 6-50 Гц и высокочастотной экранировкой луча парами металла с частотой fg 0,5-10 кГц. В обоих случа х луч не доходит до дна канала проплавлени , поэтому глубина проплавлени  уменьшаетс . Вдоль сварно го шва она измен етс  в соответствии с указанными частотами, т.е. нестабильна по величине.

Период колебаний глубины проплавлени  состоит из четырех временных участков (t ,,t,t3,t), изображенных на фиг.2. В начале первого временного участка t , луч рассеиваетс  вблизи поверхности издели  (т.1 зависимости Н ---- 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, вбли- поверхности издели  образуетс  плазма с низкой концентрацией электронов Пр ю см Э и температурой Тр . Электроны луча, взаимодейству  с остатками паров и плазмой.

51

тормоз тс  и отдают им свою энергию, часть которой переходит в излучение, в том числе рентгеновское. Тормозное излучение 0 пр мо пропорционально Пр и Vrg, а величины Пр и Тр св заны известным соотношением

п е 5 /,

дл  плазмы с лекально термическим равновесием, при этом величины ПрИ Тр рассчитываютс  и измер ютс . В частности дл  лазерной плазмы извесны кривые Пр и Tf при разных давлен х в зависимости от рассто ни .

При лазерной сварке так же, как и при электронно-лучевой, образуетс  плазма-, генерирующа  рентгеновское излучение.

Измеренные экспериментально с учтом поглощени  рентгеновского излучени  материалом и рассчитанные по приведенным формулам зависимости Тр и величины интенсивности рентгеновского излучени  в зависимости от глубины проплавлени  приведены на фиг.2 дл  начала участков и имеют адекватный глубине проплавлени  качественный характер и максимум в корне канала проплавлени .

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

сс

а величина интенсивности I рентгеновского минимш:ьна 1. f (Н), фиг.1.

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  It, фиг.2).

Во врем  второго временного участка t происходит интенсивное

040416

плавление металла, а глубина проплавлени  становитс  максимальной. В кон- :;е второго временного участка ti луч также находитс  в корне канала (т.З зависимости Н f(t), фиг.2), металл перегреваетс , начинаетс  его испарение и в корне канала образуетс  высококонцентрированна  плазма

10 Р Т З-Ю- - 5 -10 К и 10 см- . При этом энерги  луча передаетс  к металлу через плазму с минимальными потер ми, а в корне канала образуетс   дро плазмы с Тр

15 (0,5-0,9) Т,„«егПе (0,5-0,9) гм-ксИГ з (0,5-0,9) и максимальной величиной рентгеновского излучени  1,, (крива  I А ) фиг.2).

2Q На третьем временном участке t за счет перегрева металла происходит активное парообразование, глубина проплавлени  уменьшаетс . Пары двигаютс  к выходу из канала и ио25 низируютс , концентраци  Пр в объеме канала резко уменьщаетс , величина интенсивности рентгеновского излучени  из всего канала также резко уменьшаетс  и в конце третьего

0 участка происходит полна  экранировка луча, существующа  в течение всего четвертого временного участка t4. При этом энерги  луча концентрируетс  вблизи поверхности издели  (т.4 зависимости Н f(t), фиг.2), рассеиваетс  и частично расходуетс  на образование приповерхностной плазмы, котора  также рентгеновское излучение генерирует (крива  it

(Н) , фиг. 2), причем за счет , и . Далее процесс повтор етс .

RO всем объеме канала проплавлени  рентгеновское излучение нестабильно в пространстве и , но Н корневой части канала в конце второго временного участка t оно максимально и наиболее стабильно, причем пространственное положение  дра плазмы максимально совмещено с корневой частью канала и характеризует глубину проплавлени .

5

5

0

Ядро плазмы образуетс  в середине второго вр-еменного участка t, а к середине третьего временного участка 3 оно исчезает, причем его размеры максимальны при наибольшей глубине проплавлени  и завис т о,т

режима сварки, типа и толщины свариваемых материалов.

Если режим сварки нестабильный и при уменьшении, например, тока сварки ICB  дро плазмы перемещаетс  вверх, тогда отношение величин интенсивности увеличиваетс . И наоборот, когда I в возрастает, дро плазмы перемещаетс  вниз, к корню канала проплавлени , а отношение величин интенсивности , уменьшаетс . На этом принципе построен амплитудный компаратор 18, Он открываетс  при величине сигнала Uc Uc. з-Фиг.З).

Рассмотрим выбор средней величины сигнала U с. ср (I с. м Up. -о ) /2, где UC.. п пределы регулировани  .

При уменьшении I се величина интенсивности 1 увеличиваетс , величина интенсивности I, уменьшаетс , а их отношение I, увеличиваетс  и достигает максимума величины сиг- нала и при стремлении величины интенсивности I, , т.е. когда датчик 12 вьфабатывает минимальный сигнал.

При увеличении величина ин- тенсивности 1 уменьшаетс , величина интенсивности I, увеличиваетс  до .1д,их отношение уменьшаетс , величина сигнала U (импульс 1, фиг.З) также уменьшаетс . При дос- тижении 1 1 отношение , измен етс  незначительно за счет плавного изменени  правой ветви кривой (H), фиг.2, поэтому в качестве порогового напр жени  .jg выб- рана величина сигнала с c.i9 1 1. Величина U j выбираетс  следующим образом.

После смещени  оси датчика 12 из точки 3 в точку 5 на рассто ние а ток сварки увеличивают до величины , при которой I , 1, и измер ют Uj.. Затем выставл ют величину опорного напр жени  равной величине сигнала U, т.е. 11 U с. 19, при это сигнал на выход компаратора 18 не проходит.

Зна  Up и Ug выставл ют Up, ср Полученный с выхода компаратора 18 сигнал рассогласовани  Ucp и 5 подают на регул тор 20 глубины проплавлени  (фиг.1), измен   ток сварки, фокусировки или другой сварочный параметр.

Дл  повышени  точности управлени  при обработке информации использовали не разность величин интенсивности рентгеновского излучени , а их отношение. Кроме того, за счет использовани  двух разнесенных в пространстве датчиков возможности сбо  работы системы значительно уменьшены.

Использование в способе улучшенной за счет дес тикратного уменьшени  ширины щели пространственной селекции и введение временной селекции позвол ет принимать из корневой части канала проплавлени  во врем  интенсивного плавлени  металла более стабильное рентгеновское излучение.

В отличии от известных аналогичных решений в предложенном способе рентгеновскую информацию принимают из двух плоскостей, равноудаленных от  дра плазмы, что позвол ет повысить точность и помехоустойчивость контрольной информации.

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

Режим сварки: I се 00 , 60 кВ.

Свариваемый материал АМГ-6 тол- шиной 20 мм. Длина коллиматора 50 мм, рассто ние до свариваемого издели  100 мм размез щели коллиматора 0, мм, угол наклона оси датчиков к вертикали , заданна  глубина проплавлени  15 мм точность установки заданной глубины О,1 мм.

При Проведении эксперимента вз т доработанна  схема прототипа. Рентгеновское излучение регистрировалос датчиками, в состав которых вход т: кристалл Nal(Te), щелевой свинцовый коллиматор и фотоумножитель с усилителем . Датчики 11, 12 и шаговый механизм 10 крепили на общей плите, механически св занной с пушкой.

В качестве датчика можно вз ть рентгентелевизионную передающую камеру с двум  щел ми и информационными строками, перемещаемыми электронным методом.

Устройство обработки информации .снабжено блоком компенсации толщины издели , обусловленной разными рассто ни ми прохождени  рентгеновско- I o излучени  точек 3-5 до датчиков сквозь свариваемьБ1 материал, и соответственно различными величинами поглощений излучени .

Отношение сигнал/помеха Точность упр5влени  пор дка 4%.

, 30.

Внедрение способа позвол ет более чем в два раза повысить точность стабилизации глубины проплав лени , что значительно повышает ка чество свариваемого шва.

10

15

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Способ стабилизации глубины про- аттавлени  в процессе лучевой сварки по рентгеновскому излучению, регистрируемому из корневой части канала проплавлени , отличающий- с   тем, что, с целью повышени  качества сварного шва путем повышени  точности управлени , излучение регистрируют в двух плоскост х, поперечных каналу проплавлени  и расположенных с разных сторон на равных рассто ни х относительно  дра плазмы,а отношение величин интенсивности излучени  преобразуют в регулирующее воздействие.

   .J

   и.

   сер

   UCI9