Способ электронно-лучевой сварки и устройство для его осуществления
Изобретение относится к электронно-лучевой сварке. Цепь изобретения - повьшение точности фокусирования луча по значению удельн й мощности . Устройство дпя осуществления способа электронно-лучевой сварки позволяет производить обработку параметров одновременно двух составляющих вторичного тока с непересекающимся частотными спектрами, вьщеляемых в цепи свариваемого изделия или в цепи коллектора вторичного тока, что дает возможность контроля режимов взаимодействия электронного луча с металлом во всем диапазоне удельных мощностей, используемых при электронно-лучевой сварке и установке фокусировки электронного луча на начальном участке каждого диапазона характерных режимов проплавления металла . 2 с.п.ф-лы, 8 з.п.ф-лы, 5 ил., 1 табл. с (Л
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИК
О А1 (19) S U ((l > (5ц 4 В 23 К 15/00
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЦТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4042944/25-27 (22) 12.02.86 (46) 30.03 ° 89. Бюл. М 12 (72) В.Я. Беленький, В.А. Анкудинов и И.А. Куцаев (53) 621.791.72(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
Р 73392 1, кл. В 23 К 15/00.
Авторское свидетельство СССР
Р 1139029, кл. В 23 К 15/00.
Авторское свидетельство СССР
У 1123184, кл. В 23 К 15/00. (54) СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ
И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к электронно-лучевой сварке. Цель изобретения — повышение точности фокусирования луча по значению удельн и мощИзобретение относится к электронно-лучевой сварке °
Целью изобретения является повышение точности фокусировки луча по значению удельной мощности.
На фиг. 1 изображена зависимость амплитуд составляющих вторичного тока с частотами в диапазонах 200800 Гц и 2,5-25,0 кГц от тока фокусирующей линзы электронной пушки; на фиг. 2 — блок-схема устройства для осуществления способа; на фиг.3 блок-схема преобразователя сигналов, выполненного в виде нуль-компаратора; на фиг. 4 — блок-схема преобра-. зователя сигналов, выполненного в виде двух нуль-компараторов и логического элемента И; на фиг. 5 ности. Устройство для осуществления способа электронно-лучевой сварки позволяет производить обработку параметров одновременно двух составляющих вторичного тока с непересекающимся частотными спектрами, выделяемых в цепи свариваемого изделия или в цепи коллектора вторичного тока, что дает возможность контроля режимов взаимодействия электронного луча с металлом во всем диапазоне удельных мощностей, используемых при электронно-лучевой сварке и установке фокусировки электронного луча н» начальном участке каждого диапазона характерных режимов проплавления ме- с
2 блок-схема преобразователя сигналов, выполненного в виде двух экстрематоров и логического элемента И. Устройство для осуществления способа (фиг. 2) содержит электронную пушку 1 с фокусирующей линзой 2, коллектор 3 электронов, установленный над свариваемым.изделием 4, резисторы 5 и 6 нагрузки в цепях свауиваемого изделия 4 и коллектора 3 электронов с последовательно подключенными к ним источникмми 7 и 8 смещения, переключатель 9, соединенный с резисторами 5 и 6 нагрузки, фильтры 10 и 11, амплитудные детекторы 12 и 13, блок 14 преобразования сигналов, триггер 15, последовательно соединенные генератор 16 импульсов с 1468700 55 ключом управления, счетчик 17 импульсон и аналого-цифровой преобразователь 18, выход которого через усилитель 19 тока подключен к фокусирующей линзе 2 электронной пушки 1. Входы обоих фильтров 10 и 11 соединены с переключателем 9. Выходы фильтров 10 и 11 подключены к входам амплитудных детекторов 12 и 13. Вы.ходы амплитудных детекторов 12 и 13 соединены с входами блока 14 преобразования сигналов, выход которого соединен с входом триггера 15. Выход триггера 15 подключен к входу ключа управления генератора 16 импульсов. Блок 14 преобразования сигналов (фиг. 3) содержит нуль-компаратор 20, вход которого подключен к выходу амплитудного детектора 12, а выход— к входу триггера 15, или содержит два пуль-компаратора 20 и 21 (фиг.4), подключенные входами к выходам амплитудных детекторов 12 и 13, и логический элемент И, входы которого соединены с выходами нуль-компараторов 20 и 21, причем выход логического элемента И 22 подкл|очен к входу триггера 15, или содержит экстрематоры 23 и 24 (фиг. 5), подключенные входами к выходам амплитудных детекторон 12 и 13„ и логический элемент 22 И, причем входы логического элемента И 22 соединены с выходами экстрематорон 23 и 24, а выход логического элемента И 22 подключен к входу триггера 15. фильтр 10 m!eeò полосу пропускания 200-800 Гц, а оильтр l 1 — 2,525,0 кГц. Нуль-компараторы 20 и 21 предстанля|от собой пороговые устройства с порогом срабатывания, близким к нулю. Экстрематоры 23 и 24 могут быть реализованы по схеме устройства выделения нуля производной сигнала на базе дифференциатора. Способ осуществляется следующим образом. При сварке н режиме поверхностного расплавления фокусировка электронного луча должна быть зафиксирована при нулевых значениях амплитуд составляющих с частотами в диапазонах 200-800 Гц и 2,5-25,0 кГц (фиг.1) В начальный момент процесса сварки по сигналу оператора-сварщика или программного устройства счетчик 1? импульсог устанавливается н нуле-. вое состояние, а триггер 15 — в состояние, при котором сигнал на его выходе открывает ключ генератора 16 импульсов. При этом с выхода генератора 16 импульсов на вход счетчика 17 импульсов начинают поступать импульсы и на выходе счетчика 17 формируется возрастающий цифровой код, который подается на вход цифроаналогового преобразователя 18. На выходе цифроаналогового преобразователя 18 возникает линейно возрастающее напряжение, преобразуемое усилителем 19 тока в ток фокусирующей линзы 2 электронной пушки 1. При этом происходит изменение фокусиронки электронного луча в сторону уменьшения диаметра луча на изделии. Одновременно на вход блока 14 преобразования сигналов, а в данном случае — на вход нуль-компаратора 20 (фиг. 3), подается сигнал, пропорциональный амплитуде составляющей тока в цепи изделия 4 или коллектора 3 с частотой в диапазоне 200-800 Гц, выделенной фильтром 10 и продетектиронанной амплитудным детектором 12. Наличие этого сигнала при отсутствии сигнала, пропорционального амплитуде составляющей с частотой н диапазоне 2,5 25,0 кГц, характеризует образование канала при стационарном испарении металла. Поэтому для реализации режима сварки с поверхностным расплавлением без образования канала при появлении сигнала на выходе амплитудного детектора 12 нуль-компаратор 20 формирует сигнал, который переключает триггер 15 в состояние, обеспечивающее за .счет закрывания ключа прекращение подачи импульсов от генератора 16 на вход счетчика 17. Счетчик 17 фиксирует цифровой код, соответствующий необходимой фокусировке электронного луча. Соответственно, фиксируется и значение тока в фокусирующей линзе 2. При этом фокусировка электронного луча обеспечивает удельную мощность, соответствующую режиму поверхностного расплавления. При сварке н режиме образования канала со стационарным испарением металла фокусировка электронного луча должна быть зафиксирована при нулевом значении амплитуды составляющей с частотой в диапазоне 2,525,0 кГц и отличном от нуля значении амплитуды составляющей с частотой в диапазоне 200-800 Гц на возрастающем участке зависимости ампли5 146870 туды составляющей с частотой 200800 Гц от тока фокусирующей линзы. I В этом случае как и в предыдущем, 5 р фокусирующей линзе 2 электронной пушки 1 формируется возрастающий во времени ток, что приводит к изменению фокусировки электронного луча в сторону уменьшения его диаметра на свариваемом изделии 4. Одновременно на один из входов блока 14 преобразования сигналов, в данном случае — на вход нуль-компаратора 20 (фиг.4), подается сигнал с выхода амплитуд- 15 ного детектора 12, пропорциональный амплитуде составляющей с частотой в диапазоне 200-800 Гц. На другой вход блока 14 преобразования сигналов, в данном случае — на вход нуль- 2р компаратора 21, подается сигнал с выхода амплитудного детектора 13, пропорциональный амплитуде составляющей с частотой в диапазоне 2,5-25,0 кГц. При изменении фокусировки луча в сто- 25 рону уменьшения его диаметра на изделии сначала появляется сигнал на выходе амплитудного детектора 12, что приводит к срабатыванию нулькомпаратора 20. При этом сигнал на ЗО выходе логического элемента И 22 отсутствует. Дальнейшее изменение фокусировки луча в сторону уменьшения его диаметра на изделии приводит к появлению сигнала на выходе амплитуд- З ного детектора 13, Наличие этого сигнала, пропорционального амплитуде составляющей вторичного тока с частотой в диапазоне 2,5-25,0 кГц, и сигнала, пропорционального амплитуде 4р составляющей с частотой 200-800 Гц, характеризует режим сварки с образованием канала при взрывном испарении металла. Поэтому для реализации режима сварки с образованием канала 45 при стационарном испарении металла при появлении на выходе амплитудного детектора 13 сигнала нуль-компаратора 21 формирует сигнал на втором входе логического элемента И 22. Это 5р приводит к появлению сигнала на выходе логического элемента И 22, переключению триггера 15 и прекращению поступления на вход счетчика 17 импульсов от генератора 16. Счетчик 17 фиксирует цифровой код, соответствующий данной фокусировке луча. При этом фокусировка обеспечивает удельную мощность, соответствующую режиму о 6 образования канала со стационарным испарением металла. При сварке в режиме образования канала с взрывным испарением металла фокусировка электронного луча должна быть зафиксирована при максимальных значениях амплитуд составляющих с частотами в диапазонах 200-800 Гц и 2,5-25,0 кГц. В этом случае одновременно с изменением фокусировки электронного луча с выходов амплитудных детекторов 12 и 13 на входы блока 14 преобразования сигналов, в данном случае — . на входы экстрематоров 23 и 24 (фиг. 5), подаются сигналы, пропорциональные амплитудам составляющих с частотами в диапазонах 200-800 Гц и 2,5-25,0 кГц. При максимальных значениях амплитуд составляющих срабатывают экстрематоры 23 и 24 и на выходе логического элемента И 22 появляется сигнал, фиксирующий фокусировку электронного луча. При этом фокусировка луча обеспечивает максимапьную удельную мощность луча в зоне взаимодействия с металлом, соответствующую режиму образования канала с взрывным испарением металла. Возможность осуществления фокусировки электронного луча по значению удельной мощности, соответствующему характерным режимам проплавления металла: без образования канала с поверхностным расплавлением, с образованием канала при стационарном испарении металла, с образованием канала при взрывном испарении металла, обусловлена следующим. Составляющая вторичного тока с частотой в диапазоне 200-800 Гц связана с периодическим перемещением области соударения электронного луча с металлом по передней стенке канала проплавления, а составляющая с частотой в диапазоне 2,5-25,0 кГц является следствием взрывного характера процесса испарения металла в области воздействия электронного луча. Зависимости амплитуд колебаний обеих составляющих от удельной мощности электронного луча имеют экстремальный характер, причем максимумы обеих кривых соответствуют максимальной удельной мощности электронного луча в зоне его взаимодействия с меI таллом. Если рассмотреть укаэанные зависимости на возрастающем участке 1468700 кривьгх, т.е. в области от расфокусированного луча до значения острой фокусировки, то нулевые значения амплитуд обоих составляющих свидетельствуют об отсутствии процессов 5 периодического перемещения области соударения луча с металлом и взрывного испарения металла. При этом имеет место режим поверхностного 10 расплавления металла, Гсли амплитуда составляющей с частотой в диапазоне 200-800 Гц отлична от нуля, а амплитуда составляющей с частотой в диапазоне 2,5-25,0 кГц равна нулю, то имеет место образование канала с периодическим перемещением области соударения электпонного луча с металлом по погерхпости передней стенки канала. 13зрывпое испарение металла отсут- 20 ствует. При э гом взаимодействие электронного луча с металлом протекает в режиме образования канала при стационарном испарении металла. Отличие от нуля амплитуд обеих составляющих 25 свидетельствует о проплавлении металла с образованием канала при взрывном испарении металла (" кинжальное" ripoплавление металла). В этом случае целесообразна оптимизация режима по 30 максимуму удезп ной мощности электронного луча в зоне взаимодействия его с металлом, что соответствует максимальным значениям амплитуд обеих составляющих и максимальному отношению глубины сварного шва к его ширине. Таким образом, значения амплитуд обеих составляющих вторичного тока, который может регистрироваться как в цепи коллектора, так и в цепи сва- „10 риваемого изделия, позволяют контролировать все характерные режимы проплавления при электронно-.лучевой сварке и в соответствии с этим осуЩествлнть ч)окУсиРОвкУ электРОннОГО луча о Пример. Производили проходы электронным лучом по образцам из стали марки 12Х181110Т на установке ЗЛУ-4 с энергетическим комплексом -250A. Режимы сварки: ускоряющее напряжение 28 кВ, ток луча 180 мА, скорость сварки 5 мм/с, ток фокуси„ровки 60-84 мЛ. Л процессе совершеНИЯ IIPОХОДОВ С ПОМОЩЬЮ BICTHHНЫХ ПО 55 лосовых фильтров с полосами пропускания 200-800 Гц и 2,5 25 0 кГц выделяли две составляющие тока в цепи свариваемого изделия и измеряли их параметры. Сваренные образцы разрезали и по макрошлифам измеряли глубину и ширину швов. Значения частоты, амплитуды обеих составляющих и коэффициентов формы шва (отношения глубины шва к его ширине) приведены в таблице. Было установлено, что при нулевых значениях амплитуд обеих составляющих имеет место режим сварки с поверхностным расплавлением. При нулевом значении амплитуды составляющей с частотой в диапазоне 2,525,0 кГц„и отличном от нуля значении амплитуды составляющей с частотой в диапазоне 200-800 Гц наблюдается режим образования канала при стационарном испарении металла, а при максимальных значениях амплитуд обеих составляющих имеет место образование канала при взрывном испарении металла. Указанные режимы проплавления металла определялись по величине коэффициента формы шва и его геометрии в целом. Обработка параметров одновременно двух составляющих вторичного тока с непересекающимися частотными спектрами дает возможность контроля режимов взаимодействия электронного луча с металлом во всем диапазоне удельных мощностей, используемых при электронно-лучевой сварке и установке фокусировки электронного луча на начальном участке каждого диапазона характерных режимов проплавления металла. Способ электронно-лучевой сварки и устройство для его осуществления позволят повысить точность фокусировки электронного луча по значению удельной мощности, соответствующему всем характерным режимам проплавления металла при электронно-лучевой сварке. Формула изобретения 1. Способ электронно-лучевой сварки с контролем удельной мощности электронного луча в зоне взаимодействия с металлом, при котором по величине удельной мощности осуществляют фокусировку электронного луча, отличающийся тем, что, с целью повышения точности фокусировки луча по значению удельной мощности, фокусировку эпектронного луча 1468700 10 устанавливают по сигналу, получаемому в результате выделения и обработки одHQBременно нескольких переменных составляющих тока с непересекающимися частотными спектрами. 2. Способ по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, чта выделяют две составляющие вторичного тока с частотами в диапазонах 200-800 Гц и 2,5-25,0 кГц. 3. Способ по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что выделяют две составляющие тока в цепи свариваемаго иэделия с частотами в диапазонах 200-800 Гц и 2,5-25,.0 кГц. 4 ° Способ по пп. 1-3, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности фокусировки при сварке в режиме поверхностного рас- 20 плавления металла, фокусировку электронного луча фиксируют при нулевых значениях амплитуд составляюд х тока с частотами 200-800 Гц и 2,525,0 кГц. 25 5. Способ по пп. 1-3, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности фокусировки при сварке в режиме образования канала со стационарным испарением металла, фокусировку электронного луча фиксируют при нулевом значении амплитуды составляющей вторичного тока с частотой в диапазоне 2,6-25,0 кГц и отличном от нуля значении амплитуды 35 составляющей тока с частотой в диапазоне 200-800 Гц на возрастающем участке зависимости амплитуды составляющей тока с частотой в диапазоне 200-800 Гц от тока факусирующей лин40 зы. 6. Способ по пн.1-3, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности фокусировки при сварке в режиме образования канала с взрывным испарением металла, фокусировку электронного луча фиксируют при максимальных значениях амплитуд составляющих тока с частотами в диапазонах 200-800 Гц и 2,5-25,0 кГц. 7. Устройство для электронно-лу чевой сварки, содержащее электронную пушку с фокусирующей линзой, коллектор электронов, резисторы нагрузки с последовательно подключенными к ним источниками смещения, переключатель, соединенный с резисторами нагрузки, фильтр и амплитудньп детектор, о тл и ч а ю щ е е с я тем, чта оно снабжена вторым фильтрам„вторы» амплитуднъы детектором, блокам преобразования сигналов, триггером и последовательно саединеня ми генератором импульсов с ключом управления, счетчиком импульсов и аналого-цифровым преобра".îâàòåëåì, выход которого через усилитель тока подключен к .фокусирующей линзе электронной пушки, причем входы обоих фильтров соединены с переключателем, выходы фильтров подключены к входам амплитудных детекторов, выходы последних соединены с вхбдами блока преобразования сигналов. а выход блока преобразования сигналов соединен с входом триггера, выход которого подключен к входу ключа управления генератора импульсов. 8. Устройство по и. 7, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок преобразования сигналов выполнен в виде нуль-компаратара, вход которого подключен к выходу первого амп итудного детектора, а. выход — к входу триггера. 9. Устройство пс п. 7, о т .и ич а ю щ е е с я тем, что блок преобразования сигнаал содержит два нуль-компаратора, подключенные входами к выходам амплитудных детекторов, и логический элемент И, входы которого соединены с выходами нулькомпараторов, а выход логического элемента И подключен к входу триггера. 10 ° Устройство по . 7. о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок преобразования сигналов содержит два экстрематара, подключенные входами к выходам амплитудных детекторов, и логический элемент И, входы которого соединены с выходами экстрематоров, а выход логического элемента И подключены к входу триггера. 1468700 Составляющая с частотой 2,5-25 0 кГц Коэффициент формы шва Составляющая с частотой 200-800 Гц Ток фокусировки, мЛ Амплитуда Частота, кГц Амплитуда Частота, Гц и ад. 60 ЕЯ И Бб б8 70 72 7Ф 7Б 78 8082 89 Так фокусируюи ей линзы, х А Ф 8 . /впуск 64 68 72 О 0,30 0,97 1,20 1,18 J0 О 710 О О О, 14 1,20 0,67 О О 3,2 12,8 6,6 0,6 2,1 5,2 14,1 5,8 Фиг.5 Составитель Г, Квартальнова Редактор Л, Веселовская Техред Л. Сердюкова Корректор iM. Пожо Заказ 1300/14 Тираж 892 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101
