Устройство для автоматического слежения за стыком при электронно-лучевой сварке

В настоящее время достаточно много внимания уделяется вопросам обеспечения точного позиционирования электронного луча по стыку свариваемых деталей при сварке протяженных стыков. В качестве источников информации о положении луча относительно стыка используются такие сопутствующие явления, как вторичная электронная эмиссия и рентгеновское излучение. В случае отсутствия оплавления свариваемых кромок характер изменения вторичноэмиссионного тока и интенсивности тормозного рентгеновского излучения от положения луча относительно стыка является одинаковым – экстремальным, при этом экстремум – минимум характеристики – соответствует совпадению координат луча и стыка, благодаря чему становится возможным применение унифицированного аппаратного состава для построения устройств слежения за стыком.

Анализ вторичных излучений при отсутствии оплавления не случаен, поскольку выделение информации о положении луча относительно стыка из канала проплавления затруднено из-за наличия высокого уровня помех. В то же время требуемую в процессе сварки информацию можно получить в непосредственной близости от канала, что может быть реализовано, например, кратковременным выводом луча из канала, осуществлением измерительных операций и возвращением луча в зону сварки. При этом максимальное время вывода должно быть таким, чтобы не произошло заметных изменений в сварочной ванне, а скорость перемещения луча должна обеспечить ввод энергии, недостаточной для оплавления кромок стыка.

В разработанном авторами устройстве для автоматического слежения за стыком при электроннолучевой сварке реализован поиск экстремума, основанный на способе синхронного детектирования сигнала датчика стыка. Применение синхронного детектирования основано на том, что при сканировании стыка электронным лучом в спектре сигнала датчика стыка появляются гармонические составляющие с частотами, кратными частоте сканирования. Так, амплитуда составляющей сигнала с частотой, равной частоте сканирования, пропорциональна отклонению луча относительно стыка, а ее фаза определяет направление смещения.

Появление в сигнале датчика гармонических составляющих связано с тем, что в параметры электронного луча вводятся периодические составляющие. В частности, математическое ожидание положения луча можно представить в виде суммы постоянной составляющей (случайного отклонения луча от стыка) и периодической составляющей с заданной амплитудой (сканирования стыка лучом).

Вторичная электронная эмиссия и рентгеновское излучение являются следствием взаимодействия первичного пучка электронов с веществом свариваемых деталей. Поэтому если допустить, что плотность распределения электронов в луче подчиняется нормальному закону, то при отсутствии оплавления ток вторичных электронов и интенсивность тормозного рентгеновского излучения с точностью до соответствующих коэффициентов определяются выражением [1]:

тематическое ожидание положения луча может быть представлено следующим образом:

ε = ε0 + εmsin α, где ε0 – смещение луча относительно стыка; εm – амплитуда поискового движения; α = ωt, здесь ω – частота, t – время. Тогда выражение (1) примет вид

J ( s o ) = KI_b ^ 1

о V2n

x2

J exp

x1

( x -s ₀ -s m sin a )²

2 о 2

dx ^ . (2)

При наличии периодической составляющей в параметре ε выходной сигнал датчика (2) может быть представлен рядом Фурье.

Рассмотрим зависимость составляющей ряда b 1 с частотой ω от ε 0 . Эта составляющая определяется как коэффициент ряда Фурье:

J(s) = KIb h -

о 72Л

x2

J exp

x1

2o'

1 2n b1(£0) =     J (s0)sin ada.             (3)

ⁿ 0

где J – параметр вторичного излучения; K – коэффициент, характеризующий природу вторичного излучения; I b – ток луча; σ – среднеквадратическое отклонение электронов от оси пучка; ε – математическое ожидание положения луча; x 1 и x 2 – координаты кромок стыка; ( x ₁ – x ₂) = δ – зазор в стыке.

Анализ графиков, построенных по выражению (1) (рис. 1), показывает, что при ε = 0 координата x экстремума совпадает с координатой стыка x= 0.

График зависимости b 1 (ε 0 ), рассчитанной в соответствии с (3) (рис. 2), позволяет сделать вывод о том, что в окрестностях стыка спектральная составляющая b 1 (ε 0 ) пропорциональна рассогласованию положений луча и стыка, а ее знак определяет направление рассогласования. Это обстоятельство предполагает возможность применения синхронного детектирования сигнала датчика для получения информации о положении луча относительно стыка.

Рис. 1. Зависимость интенсивности вторичных излучений J от положения луча относительно стыка: σ = const = 0,1 мм; δ = var; 1 – δ/σ = 0,1; 2 – δ/σ = 0,5;

3 – δ/σ = 1; J н – нормализованный параметр J

Рис. 2. Зависимость амплитуды синусоидальной составляющей сигнала датчика с частотой ω от положения луча относительно стыка: σ = 0,1 мм; δ = 0,1 мм; ε m = 1 мм

Экстремальный характер этих зависимостей обусловливает возможность применения известных способов поиска экстремума для определения положения луча относительно стыка. Одним из таких способов является способ синхронного детектирования сигнала датчика (вторично-эмиссионного или рентгеновского), для чего вводятся поисковые движения – сканирование стыка электронным лучом. В результате ма-

Устройства для автоматического слежения за стыком при электронно-лучевой сварке (рис. 3) работает следующим образом [2].

С помощью генератора выброса Г и отклоняющей системы ОС Y луч периодически выводится из сварочной ванны по направлению сварки. В это же время генератором ГС и отклоняющей системой ОС X осуществляется сканирование стыка лучом (рис. 4, а ). Одновременно генератор ГС формирует опорное напряжение, поступающее на один из входов синхрон-

ного детектора СД. В синхронном детекторе происходит перемножение сигналов датчика Д и опорного напряжения:

[ b 1 (ε 0 )sin α] sin α = [ b 1 (ε 0 )] / 2 – [ b 1 (ε 0 )cos 2α] / 2. (4)

Рис. 3.Структурная схема устройства:

Д – датчик; ГС – генератор сканирования; СД – синхронный детектор; Ф – фильтр; У – усилитель; Г – генератор выброса луча; ОС X – отклоняющая система по оси Х ;

ОС Y – отклоняющая система по оси Y

Из (4) и осциллограмм (см. рис. 4) следует, что если есть отклонение b 1 (ε 0 ) луча от стыка, то сигнал на выходе синхронного детектора представляет сумму постоянной и переменной составляющей с частотой, равной 2ω (рис. 4, б ). Высокочастотная составляющая отфильтровывается фильтром Ф, и сигнал постоянного тока, пропорциональный отклонению луча через усилитель мощности У, поступает в отклоняющую систему ОС X , в результате чего осуществляется коррекция положения луча. При совпадении координат луча и стыка b 1 (ε 0 ) = 0 и сигнал на выходе синхронного детектора практически отсутствует (рис. 4, в ).

в

Рис. 4. Осциллограммы сигналов:

а – ток в отклоняющей системе Х ; б – сигнал на выходе синхронного детектора при ε 0 ≠ 0; в – сигнал на выходе синхронного детектора при ε 0 = 0

Техническая реализация рассмотренного устройства не представляет особых трудностей. В качестве вторично-эмиссионного датчика используется коллектор вторичных электронов, а в качестве рентгеновского датчика – датчик сцинтилляционного типа с фотоэлектронным умножителем (рис. 5).

Рис. 5. Рентгеновский датчик

Макрошлифы соединений, выполненных электронно-лучевой сваркой без слежения и со слежении-ем за стыком, представлены ниже (рис . 6).

Рис. 6. Макрошлифы соединений, выполненных электронно-лучевой сваркой без слежения (правый снимок) и со слежением за стыком (левый снимок)

Устройства, разработанные в соответствии с приведенной на рис. 3 функциональной схемой, в течение нескольких лет эксплуатируются при электроннолучевой сварке крупногабаритных изделий аэрокосмической отрасли. Погрешность совмещения луча со стыком не превышает 0,1 мм.

Таким образом, можно сделать следующие выводы :

– одинаковая природа вторично-эмиссионного и рентгеновского излучения при электронно-лучевой сварке позволяет использовать для устройств управления одинаковый аппаратный состав;

– в условиях электронно-лучевой сварки предпочтительнее применять рентгеновские датчики слежения за стыком, так как рентгеновское излучение наименее подвержено действию различных помех;

– применение синхронного детектирования сигнала датчика стыка увеличивает помехозащищенность устройства за счет того, что вероятность помехи на частоте сканирования мала.