Устройство автоматического наведения на стык и фокусировки луча при электронно-лучевой сварке

Физико-технологические и энергетические особенности электронно-лучевой сварки (ЭЛС) определяют рациональность ее применения в условиях повышенных требований к свойствам и качеству сварных соединений и получения улучшенных весовых и эксплуатационных характеристик отдельных узлов и изделий в целом. В частности, ЭЛС широко применяется для получения неразъемных соединений в агрегатном и корпусном производствах изделий аэрокосмической отрасли (рис. 1). Сложность и многофакторность процесса ЭЛС приводит к проблеме воспроизводимости качества сварных швов и необходимости управления процессом. Вопросы обеспечения точного позиционирования луча по стыку свариваемых деталей остаются актуальными, особенно при сварке протяженных стыков крупногабаритных конструкций. Допустимая погрешность совмещения луча со стыком обычно не превышает 0,2 мм. Такая точность обусловливает необходимость применения устройств автоматического наведения луча на стык.

Рис. 1. Пример оболочковой конструкции крупногабаритного изделия

Fig. 1. An example of a shell structure for a large-sized product

Рассеяние и переотражение электронов в пучке приводит к расфокусировке луча при стабильном токе фокусирующей системы. При этом становится нестабильной глубина проплавления, что отрицательно сказывается на качестве соединения, особенно на заключительных этапах сборки. Эта ситуация обусловливает необходимость стабилизации положения фокуса луча относительно поверхности свариваемых деталей.

В качестве источника информации о положении луча относительно стыка и положении фокуса луча относительно поверхности свариваемых деталей можно использовать тормозное рентгеновское излучение (РИ) и вторично-электронную эмиссию, сопутствующие процессу ЭЛС [1-8].

Формализация задачи

Известны соотношения, определяющие зависимости вторично-эмиссионного тока I (е) и интенсивности J (е) РИ от положения е луча относительно стыка при ЭЛС [9]

I вэ ( ^е ) = K вэ Ф ( x ) IF ; J ( е ) = K _p CZU ² IF ,

где I - ток луча; I _ю(е) - вторично-эмиссионный ток; J (е) - интенсивность РИ; ф - коэффициент вторичной эмиссии; K _вэ - коэффициент, учитывающий долю вторичных электронов, пришедших на датчик [9]; K _р- коэффициент, учитывающий долю РИ, прошедшего через площадь кристалла датчика [10]; C - коэффициент пропорциональности; U - ускоряющее напряжение; Z - атомный номер мишени (свариваемых деталей); е - математическое ожидание (положение луча относительно стыка свариваемых деталей); F - функция распределения тока луча

F = 1 -

о V2 n

J

д

( х —х) !

2о² , ^J dx

где о - среднеквадратическое отклонение электронов от оси пучка; А - зазор в стыке.

Анализ выражений (1) и (2) свидетельствует о том, что зависимости I _вэ(е) и J (е) идентичны и определяются функцией распределения. Минимум этих зависимостей оказывается при е = 0, т. е. при совпадении координат луча и стыка (рис. 2) [11; 12].

Экстремальный характер зависимостей I _аэ(е) и J (е) свидетельствует о возможности определения положения луча относительно стыка известными способами поиска экстремума: [13]. Эти способы могут быть сведены к интегральной операции вида

T

I = J G ( t ) ф ( t ) dt ,                                           (3)

о где G(t) = ft) + n(t) - сумма сигнала и помехи, соответственно; ф(t) - весовая функция, определяющая способ приема; T - период.

Так, например, имеем:

• -    метод накопления - ф( t ) = 1;

• -    автокорреляционный прием - ф( t) = G ( t - т);

• -    когерентный прием - ф( t ) = ft );

• -    фильтрация - ф( t ) = g ( T - 1 ), где g ( t ) - импульсная функция фильтра.

Методы, описываемые формулой (3), дают результаты, близкие к предельному соотношению сигнал / помеха [13]. Это означает, что вопрос о выборе метода приема перемещается в область технических и технико-экономических условий.

В процессе ЭЛС из-за рассеяния и переотражения электронов в канале проплавления возможна расфокусировка луча (увеличение о). Это приводит к изменению плотности мощности луча и, как следствие, к отклонению параметров сварного шва от требуемых значений.

Рис. 2. Расчетные зависимости F от положения луча относительно стыка:

Δ = const = 0,1 мм, σ = var ; 1 – σ = 0,25 мм; 2 – σ = 0,15 мм; 3 – σ = 0,1 мм; 4 – σ = 0,05 мм

• Fig. 2.    Calculated dependences of F on the position of the beam relative to the joint:

Δ = const = 0,1 mm, σ = var ; 1 – σ = 0,25 mm; 2 – σ = 0,15 mm; 3 – σ = 0,1 mm; 4 – σ = 0,05 mm

Из выражения (2) и графиков (рис. 2) видно, что увеличение σ приводит к уменьшению динамического диапазона изменения F -функции распределения тока луча. Это явление может быть использовано для измерения степени расфокусировки и управления положением фокуса луча с помощью фокусирующей системы.

В процессе ЭЛС текущее значение σ можно представить следующим образом [11]:

σ = σ0+ Δσ,(4)

где σ 0 – минимальное σ для данной электронно-лучевой пушки; Δσ – приращение σ, вызванное особенностями процесса ЭЛС.

Отсюда очевиден алгоритм стабилизации σ на уровне, близком к σ 0 :

σ0 = σ – Δσ.(5)

При ЭЛС управление σ осуществляется фокусирующей системой ЭЛП. При этом изменение тока I ф фокусирующей системы (ФС) относительно тока I ф0 , соответствующего σ 0 , приводит к увеличению σ независимо от знака приращения Δ I ф . В этом случае

° = °о +|Ао(а/ф )|,(6)

где Δσ(Δ I ф ) – приращение σ от приращения тока Δ I ф .

Зависимость Δσ(Δ I ф ) можно представить следующим образом [14]:

MAIф ) =

R

где R – параметр фокусирующей системы (мм); I ф0 – ток ФС, соответствующий σ 0 .

Подстановка (4), (7) в выражение (2) позволяет определить зависимость функции распределения F ₀ от изменения I ф относительно I ф ₀ при нулевом смещении луча относительно стыка (ε = 0):

д

F 0

= 1 -

( I ф0 + ^{д 1} ф ) 2

² I _ф0

* dx.

На рис. 3 представлен график, построенный в соответствии с этой формулой. Расчет произведен для электронно-лучевой пушки КЭП-2М ( R = 10 мм; I ф0 = 50 мА; σ 0 = 0,1 мм; зазор в стыке Δ = 0,1 мм).

Рис. 3. Зависимость функции распределения F ₀ от степени расфокусировки луча

• Fig. 3.    Dependence of the distribution function F 0 on the degree of defocusing of the beam

Из графика видно, что изменение тока фокусировки относительно тока I ф0 приводит к уменьшению диапазона изменения функции распределения. К такому же эффекту приводит увеличение σ.

С учетом (6), (7), выражение (5) примет вид

^ 0

⁽ I ф0 ^{+ д} ф ) 2

т -

I ф0

Таким образом, измеряя F (текущее значение σ) и сравнивая его с F 0 (σ 0 ), можно сформировать управляющий сигнал Δ I ф для коррекции размеров пятна нагрева

Д 1 ф

( I ф0 + ^д ф ) 2 .

I ф0

Функциональная схема

Устройство автоматического слежения за стыком и фокусировки электронного луча реализовано на базе микроконтроллера STM 32 F 405 RGT 6 в соответствии с функциональной схемой, представленной на рис. 4.

Управление осуществляется по двум каналам: каналу управления положением луча относительно стыка и каналу стабилизации σ путем управления током ФС.

Первый канал (более быстродействующий) обеспечивает совмещение луча со стыком при сварке (максимальное значение F ). Применение микроконтроллера STM 32 F 405 RGT 6 позволяет реализовать любой из названных выше способов приема сигнала датчика в соответствии с (3)

для определения положения луча относительно стыка. При этом выбор способа приема осуществляется программным путем.

В статье канал слежения за стыком представлен экстремальным регулятором на основе когерентного приема сигнала датчика (Д) – вторично-эмиссионного или рентгеновского [15]. Генератором поискового сигнала (ГПС) осуществляется сканирование стыка свариваемых деталей электронным лучом и формирование опорного сигнала φ ( t ) для синхронного детектора СД. Сигнал датчика преобразуется синхронным детектором в напряжение, пропорциональное отклонению ε луча от стыка и через усилитель (У) подается в отклоняющую систему (ОС) электронно-лучевой пушки, устраняя рассогласование положений луча и стыка.

Канал стабилизации положения фокуса луча представлен экстремальным регулятором на основе поиска экстремума по чувствительности [16]. Сигнал с выхода датчика через выпрямитель (В) поступает на вход устройства сравнения (УС). На выходе выпрямителя формируется аналог текущего значения F . Источником фокусирующего тока (ИФТ) устанавливается требуемое значение тока I ф0 в фокусирующей системе (ФС). Ток вводится до получения максимального значения напряжения на выходе выпрямителя. Это значение напряжения (аналог F 0 ) запоминается в задающем устройстве (ЗУ) и подается на второй вход УС.

Сигнал управления током ФС генерируется формирователем поискового сигнала ФПС в случае неравенства значений F и F 0 . При выполнении условия F <  F 0 ФПС формирует сигнал Δ I ф . Если разность F – F 0 увеличилась (по абсолютной величине), то ФПС изменяет знак Δ I ф . При этом уменьшается значение Δ I ф . Процесс продолжается до выполнения условия F = F 0 .

Рис. 4. Функциональная схема устройства автоматического слежения за стыком и фокусировки луча

• Fig. 4.    Functional diagram of the device for automatic tracking of the joint and focusing the beam

Заключение

Устройство испытано в лабораторных условиях СибГУ имени М. Ф. Решетнева на электронно-лучевой установке ЭЛУ-8. Сваривались кольцевые образцы толщиной 20 мм и диаметром 500 мм из материалов АМГ-6 и Х18Н10Т.

Погрешность совмещения луча со стыком не превышает 0,15 мм.

Стабилизация положения пятна нагрева повышает воспроизводимость геометрических параметров сварных швов и уменьшает количество корневых дефектов.