Способ стабилизации глубины проплавления в процессе лучевой сварки по рентгеновскому излучению

 

Изобретение относится к сварке и может быть использовано для управления процессом лучевой сварки. Цель изобретения - повышение качества сварного шва путем повышения точности управления. Из корневой части 5 канала 2 проплавления регистрируют рентгеновское излучение из двух поперечных каналу 2 проплавления плоскостей, ограничивающих положение ядра 3 плазмы во время процесса сварки. Плоскости расположены с разных сторон на равных расстояниях относительно ядра 3 плазмы. Отношение величины интенсивности излучения из этих плоскостей, регистрируемых рентгеновскими датчиками 11 и 12, преобразуют в регулирующее воздействие. Прием из корневой части канала проплавления стабильного рентгеновского излучения позволяет более чем в два раза повысить точность стабилизации глубины проплавления, а с ним и качество сварного шва. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

КСПУЬ ЛИК

„„SU„„1504041

А1 (у 4 В 23 К 15/00, .26/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

С0

@hi

CO

4ь

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЭОБРЕ 1ЕНИЯМ И 0ТНРЬГГИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4097767/25-27 (22) 14.05.86 (46) 30.08.89. Бюл. М - 32 (72) А.А. Солнцев (53) 621,791.72 (088.8) (56) Tews P., Pence P., Sander I., Funk Е.R., Mc Master R. С вЂ” Elektron

beam welding spike suppression

using feedback control. "Welding

Journal", 1976, 55, Н - 2, р. 52-55.

Заявка Японии У 52-41738, кл. В 23 К 15/00, 20.10.77. (54) СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ГЛУБИНЫ ПРОПЛАВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ

ПО РЕНТГЕНОВСКОМУ ИЗЛУЧЕН1ПО (57) Изобретение относится к сварке и может быть использовано для управления процессом лучевой сварки. Цель изобретения — повышение качества сварИзобретение относится к сварке и может быть использовано для управления процессом лучевой сварки.

Целью изобретения является повышение качества сварного шва путем повышения точности управления.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства, реализующего способ, на фиг,2 - графики изменения глубины проплавления и интенсивности рентгеновского излучения во время процесса проплавления; на фиг.3 — график изменения величины сигнала датчика во времени при нестабильном режиме свар.— ки.

2 ного шва путем повышения точности управления. Из корневой части 5 канала

2 проплавления регистрируют рентгеновское излучение из двух поперечных каналу 2 проплавления плоскостей, ог,раничивающих положение ядра 3 плазмы во время процесса сварки. Плоскости расположены с разных сторон на равных расстояниях относительно ядра 3 плазмы. Отношение величины интенсивности излучения из этих плоскостей, регистрируемых рентгеновскими датчиками 11 и 12, преобразуют в регулирующее воздействие. Прием иэ корневой части канала проплавления стабильного рентгеновского излучения позволяет

9 более чем в два раза повысить точность стабилизации глубины проплавления, а с ним и качество сварного шва.

3 ил.

В свариваемом иэделии 1 в процессе лучевой сварки образуется канал 2 проплавления с ядром 3 плазмы, расположенным на оси луча и канала проплавления между точками 4 и 5. Ядро 3 плазмы находится в канале 2 проплавления на расстоянии 6 от поверхности свариваемого изделия 1. Ось канала 2 проплавления совпадает с осью электронного луча 7, генерируемого электронно-лучевой пушкой 8. Устройство

9 управляет шаговым механизмом 10 перемещения рентгеновских датчиков

11 и 12. Расстояние 13 между осями датчиков 12 и 11 выбирают пропорциоt нальным расстоянию между точками

1 50404

4 и 5, равным 2 а, где а — расстояние от ядра 3 плазмы до точки 5.

Датчики 11 и 12 соединены с усилителями 14 и 15 сигналон датчиков.

Один из выходов усилителя 15 сигнала датчика 12 связан со входом измерителя 16 интенсивности рентгеновского излучения, фиксируемого датчиком 12. Другой выход усилителя 15 сигнала так же как и выход усилителя 14, через множительное устройство 17 соединен с одним из входов амплитудного компаратора 18, на другой вход 19 которого подается опорное на- 15 пряжение.Один из выходов амплитудного компаратора 18 соединен с электрон— но-лучевой пушкой 8 через регулятор

20 глубины плавления, а другой выход соединен с устройством 21 отображе- 20 ния информации.

На графике изменения величины интенсивности рентгеновского излучения по толщине образца I = f(Н) (фиг.1) обозначено: I — максимальная неличи- 25 на интенсивности рентгеновского излучения ядра плазмы, а — расстояние от оси точки 5 до ядра 3 плазмы;

2а — расстояние между точками 4 и 5;

Т,, I — величина интенсивности и злу — 30 чения, принимаемая датчиком 12 и 11 соответственно.

Перед сваркой ось датчика 12 ориентировочно совмещали с осью луча 7 пушки 8 на поверхности изделия 1.

Включали малый ток луча (2-3 мЛ) и по максимуму интенсивности с помощью устройств 9 и 10 корректировали пространственное положение датчика

12, считая его нулевым. Сигнал дат-, 40 чика 12 после усиления в устройстве

15 регистрировали измерителем 16.

Затем датчик 12 перемещали по программе в сторону изделия 1 на расстояние 6, пропорциональное заданной глу- 45 бине проплавления, включали и устанавливали сварочный ток по максимуму величины рентгеновского излучения I от ядра плазмы 3, регистрируемому измерителем 16,после чего датчики 11 и 50

12 перемещали на величину а, чтобы ядро 3 плазмы находилось между их осями. В результате этого ось датчика 11 совпадала с точкой 4, а датчи,ка 12 — с точкой 5. Измеренные датчиками 11 и 12 величины интенсивности излучения I <, I, после усиления усилителями 14 и 15 поступают на устройство 17, а сигнал их отношения — на комнаратор 18, затем в ниде сигнала обратной связи — на регулятор 20 и нз устройство 21 отображения информации. С выхода регулятора 20 сигнал обратной снязи поступает на пушку 8, регулируя ток сварки (фокусировки) н зависимости от величины осевой пространственной нестабильности положения ядра 3, стабилизируя таким образом глубину пропланления.

Расстояние между датчиками устанавливали дo снарки ранним 3-10 мм н зависимости от толщины и материала сваринаемых изделий. Множительное устройство 17 предназначено для преобразования в отношение величин интенсивностей I, I т.е.

Б „(?,)

Bblx <7 0 (I )

tL 1 а амплитудйый компаратор 18 — для получения стабилизирующего глубину проплавления сигнала, равиoro U акоп. g "Ри ем " оп. э " вы», g7

11осле установления стационарного режима глубокого пргплавления процесс электронно-лучевой сварки становится я импульсным.

Импульсность процесса обуслонлена низкочастотным перекрытием жидким металлом канала плавления с частотой

6-50 Гц и высокочастотной экраниронкой луча парами м талла с частотой f 8 = 0,5-10 кГц. В обоих случаях луч не доходит до дна канала пропланления, поэтому глубина проплавления уменьшается. Вдоль снарного шна она изменяется в соответствии с указанными частотами, т.е. нестабильна по величине.

Период колебаний глубины проплавления состоит из четырех временных

Участков (с „,г.э, ), изобРаженных на фиг.2. В начале первого временного участка t луч рассеивается нблиэи поверхности изделия (т.1 зависимости Н == f(t), фиг.2) парами расплавленного металла,а глубина пропланления минимальная. При этом за счет взаимодействия луча с остатками паров с малыми н ели чинами их концентрации 11, и давления Р вблит

- и поверхности изделия образуется плазма с низкой концентрацией электронов и 1О см и температурой

14

Т р - 10 К. Злектроны луча, нзаимодей4 стнуя с остатками паров и плазмой, 1 504041

1Гт, и

35

50 тормозятся и отдают им свою энергию, часть которой переходит в излучение, в том числе рентгеновское. Тормозное излучение О прямо пропорционально ие и Т, а величины ие и Т связаны известным соотношением для плазмы с лекально термическим равновесием, при этом величины и и

Т рассчитываются и измеряются. В частности для лазерной плазмы известны кривые и и Т при разных давлени— ях в зависимости от расстояния.

При лазерной сварке так же, как и при электронно-лучевой, образуется плазма; генерирующая рентгеновское излучение. 20

Измеренные экспериментально с учетом поглощения рентгеновского излучения материалом и рассчитанные по приведенным формулам зависимости Те и величины интенсивности рентгенов- 25 ского излучения в зависимости от глубины проплавления приведены на фиг.2 для начала участков и имеют адекватный глубине проплавпения качественный характер и максимум в 30 корне канала проплавления.

При постоянной энергии луча концентрация и и величина излучения плазмы определяются концентрацией

N и давлением P паров расплавленного металла. Так, в корневой части канала проплавления величины N u P максимальны, в его середине — в несколько раз меньше ввиду увеличения объема канала, а вблизи поверхности изделия — меньше на 1-2 порядка, по=;тому вблизи поверхности концентрация электронов и падает до и 410 см э

t а величина интенсивности 1 рентгеновского излучения минимальна I — (Н), фиг. 1.

Во время первого временного участка t пары металла выходят из канала

1 проплавления, экранировка луча уменьшается, луч опускается в корневую часть канала (т.2 зависимости Н

Е (t), фиг.2), нагревая металл до плавления и ионизируя оставшиеся пары„ а рентгеновское излучение также минимально и распределено по всему

55 объему канала проплавления (кривая фиг.2).

Во время второго временного участка t происходит интенсивное плавление металла, а глубина проплавлс ния становится максимальной. В кон. е второго временного участка луч также находится в корне канала (т.З зависимости Н = f(t), фиг.2), металл перегревается, начинается его испарение и в корне канала образуется высококонцентрированная плазма

Т = 5 ° 10 — 5 10 К и и =10 е10 см- . При этом энергия луча передается к металлу через плазму с минимальными потерями, а в корне канала образуется ядро плазмы с Тс

9) Те максn e = (0,5-0,9) м максимальной величиной рентгеновского излучения I (кривая I фиг.2).

На третьем временном участке за счет перегрева металла происходит активное парообразование, глубина ироплавления уменьшается. Пары двигаются к выходу из канала и ионизируются, концентрация и в объеме канала резко уменьшается, величина интенсивности рентгеновского излучения из всего канала также резко уменьшается и в конце третьего участка происходит полная экранировка луча, существующая в течение всего четвертого временного участка

При этом энергия луча концентрируется вблизи поверхности иэделия (т.4 зависимости Н = f(t), фиг.2), рассеивается и частично расходуется на образование приповерхностной плазмы, которая также рентгеновское излучение генерирует (кривая I g

4 (Н), фиг.2), причем I g >I < за

t счет N< 7 N, и P < ) Г, . Далее процесс повторяется.

Во всем объеме канала проплавления рентгеновское излучение нестабильно в пространстве и времени, но в корневой части капала в конце второго временного участка t< оно максимально и наиболее стабильно, причем пространственное положение ядра плазмы максимально совмещено с корневой частью канала и характеризует глубину ироплавления.

Ядро плазмы образуется в середине второго временного участка t<, а к середине третьего временного участка t3 оно исчезает, причем его размеры максимальны при наибольшей глубине проплавлепия и зависят от

1 50404 1 режима сварки, типа и толщины свариваемых материалов.

Если режим сварки нестабильный и при уменьшении, например, тока сварки I ядро плазмы перемещается вверх, тогда отношение величин интенсивности I /I увеличивается. И наоборот, когда ? 6 возрастает,ядро плазмы перемещается вниз, к корню канала проплавления, а отношение величин интенсивности I

i фиг.3).

Рассмотрим выбор средней величины сигнала U e. cp = (U c „, — 11 <> ) /2, где U -U 1 — пределы регулирования. 20

При уменьшении I с величина интенсивности 1 увеличивается, величина интенсивности I уменьшается, а их отношение I увеличивается и достигает максимума величины сиг- 25 нала U при стремлении величины интенсивности I 1 - О, т.е. когда датчик 12 вырабатывает минимальный сигнал.

При увеличении ? величина ин- 30 тенсивности I уменьшается, величина интенсивности I увеличивается до .I,их отношение I выбрана величина сигнала U с = U при

I = I Величина Uс 1 выбирается следующим о бра зом.

После смещения оси датчика 12 из точки 3 в точку 5 на расстояние 45 а ток сварки увеличивают до величины, при которой I 1 = I, и измеряют

U . Затем выставляют величину опорного напряжения равной величине т ° е ° Ue П с. >g при сигнал на выход компаратора 18 не проходит.

Зная U и U с 1 выставляют

Полученный с выхода компаратора 18 сигнал рассогласования

U 1> подают на регулятор 20 ! глубины проплавления (фиг. 1), изменяя ток сварки, фокусировки или другой сварочный параметр.

Для повышения точности управления при обработке информации использовали не разность величин интенсивности рентгеновского излучения, а их отношение. Кроме того, эа счет использования двух разнесенных в пространстве датчиков возможности сбоя работы системы значительно уменьшены.

Использование в способе улучшенной за счет десятикратного уменьшения ширины щели пространственной селекции и введение временной селекции позволяет принимать иэ корневой части канала проплавления во время интенсивного плавления металла более стабильное рентгеновское излучение.

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

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

Режим сварки: I сц = 100 мА, U с+,=

60 кВ.

Свариваемый материал АМГ-6 толщиной 20 мм. Длина коллиматора.

50 мм, расстояние до свариваемого иэделия 100 мм, раэмез щели коллиматора 0,2%15 мм, угол наклона оси датчиков к вертикали 45, заданная глубина проплавления 15 мм, точность установки заданной глубины

0,1 мм.

При проведении эксперимента взята доработанная схема прототипа. Рентгеновское излучение регистрировалось датчиками, в состав которых входят: кристалл NaI(Te), щелевой свинцовый коллиматор и фотоумножитель с усилителем. Датчики 11, 12 и шаговый механизм 10 крепили на общей плите, механически связанной с пушкой.

В качестве датчика можно взять рентгентелевизионную передающую камеру с двумя щелями и информационными строками, перемещаемыми электронным методом.

Устройство обработки информации .снабжено блоком компенсации толщины изделия, обусловленной разными рас1 504041

10 стояниями прохождения рентгеновского излучения точек 3-5 до датчиков сквозь свариваемый материал, и соответственно различными величинами поглощений излучения.

Отношение сигнал/помеха > 30.

Точность управления порядка 4Х.

Внедрение способа позволяет более чем и два раза повысить точность стабилизации глубины проплавления, что значительно повышает качестно свариваемого шва.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Способ стабилизации глубины проплавления в процессе лучевой сварки

5 по рентгеновскому излучению, регистрируемому из корневой части канала проплавления, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения качества сварного шва путем повышения

10 точности управления, излучение регистрируют в двух плоскостях, попереч— ных каналу проплавления и расположенных с разных сторон на равных расстояниях относительно ядра плазмы,а от15 ношение величин интенсивности излучения преобразуют в регулирующее воздействие .

1504041

Фиа Я

Составитель И. Фролов

Техред М.Ходанич Корректор Н Король

Редактор Н. Горват

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 5193/18 Тираж 894 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5