Способ стабилизации глубины проплавления

 

Изобретение относится к сварке и может быть использовано для управления процессом лучевой сварки. Цель изобретения - повышение качества сварного шва путем повышения точности управления. Управление осуществляют по положению на оси канала проплавления ядра плазмы. Относительное положение ядра плазмы определяется плоскостями, поперечными каналу проплавления и расположенными с разных сторон относительно ядра плазмы. Положение поперечных плоскостей задается из условия равенства величин интенсивности рентгеновского излучения, улавливаемого из этих плоскостей рентгеновскими датчиками. Отношение расстояний до этих плоскостей преобразуют в регулирующее воздействие, стабилизирующее глубину проплавления. Способ позволяет более чем в 2,5 раза повысить точность управления глубиной проплавления. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (511 4 В 23 К 15/00, 26/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВтсеСКОМ г СвиДЕтеЛьСтвМ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ и ОТКРЫТИЯМ

ПРИ fHHT СССР (21) 4097766/25-27 (22) 14.05.06 (46) 30.08.89. Бюл . 32 (72) А,А. Сол««це«з (53) 621.791.72 (088.8) (56) Tews P., Pence Г., Sander I.

Funk Е.R., Ис Haster R.Ñ. — Elec t.ron Ьеаш welding spike suppression using feldback control "Weld, 1976, 55, Y 2, р. 52-55.

Заявка Японии 1 52-4 1738, кл. В " 15/00, 20.10.77. (54) СПО«.оь .. ТАБИЛИЗАЦИИ ГДУБИЦЫ

ПГОП IAKIEØlß (57) Изобретение отнпс« тся к с варке может быть использовало лля управлен««я процессом, «евой сварки.

Цель и зпбре тенин — повышение качества сварного шва путем повьш«ения

Изобретение относится к сварке и может быть использовано для управлеш я процессо.1 лучевой сварки.

Целью изобретения является повышение качества сварного шва путем повьш ения точности управления.

Ца фиг.1 приведена блок-схема устройства, реализующего способ;на фиг.2 — графики изменения глубин«я проплавляя ния и интенсивности рентгеновского излучения во время процесса проплавпения.

В свариваемом изделии 1 в процессе луч< вой сварки образуется канал 2 роплавле««ия с ядро..< 3 плазмы, расположенным на оси луча п канала 2 проплавлекия между точками 4 и 5.

„„SU„„1504040 А 1 точности управления. Управление осуществляют по положению на оси канала проплавления ядра плазмы. Относительное положе««ие ядра плазмы определяется плоскостями, поперечными каналу 2 проплавления и расположенными с разных сторон относительно ядра плазмы. Положение поперечных плоскостей задается из условия равенства величин интенсивности пентгеновского излучения, улавливаемого из этих плоскостей рентгеновскими датчиками. Отноь с нз«е расстояний до этих плоскостей преобразуют в регул««рующее воздействие, стабилизирую пее глубину прпплавления. Способ позволяет более чем в 2,5 раза повысить точность управления глубиной проплавления. 2 ил.

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 1О перемещения рентгеновских датчиков 11 и 12. Оси датчиков 11 и

12 разнесены друг от друга на расстояние 13, Датчики 11 и 12 соединены с усилителями 14 и 15 сигналов датчиков. Один из выходов усилителя

15 сигнала датчика связан со входом измерителя 16 интенсивности рентгеновского излучения, фиксируемого датчиком 12. Другой выход усилителя

1504040

15 сигнллл датчика 12 тлк же, клк и выход усилителя 14 сигнала датчика

11 через первый амплитудный компаратор 17 соединен с шаговым механизмом

18 перемещения датчика 11. Входы преобразователей 19 и 20 расстояние код механизмов 10 и 18 соответственно связаны с устройством 21 отображения информации и через преобразователи 10

22, 23 код — напряжение через множительное устройство 24 — с одним из входов второго амплитудного компяратора 25. Пл другой вход 26 второго амплитудного комплрлторэ 25 подлется <5 опорное напряжение. Выход второго амплитудного компярятора 25 соединен с регулятором 27 глубины проплавления, связанным с электронно-лучевой пушкой 8. 20

На графике изменения величины интенсивности рентгеновского излучения по толщине образца I = f(H) обозначено: I, — максимальная величина интенсигности излучения; а — расстояние от оси датчика 12 до ядра плазмы; 2а + Х вЂ” ра ст6яние между датчиками; I, — равные величины интенсивности, фиксируемые датчиками 11 и 12.

Устройство для реализации способа 30 функционирует следующим образом. !

1еред проведением процесса сварки расстояние между датчиками 11 и 12 устанавливают предварительно равным

2л + Х, где 2а = 4-10 мм, Х т 2-5 мм с помощью механизма 18. Затем ось датчика 12 направляют на поверхность изделия 1 в плоскости стыка, фиксируют это положение и считают его нулевым. Потом датчики перемещают в сторону изделия 1 на расстояние, со— ответствующее заданной глубине пропллвления, определяемой гочкой 5 пересечения осей луча 7 и первого датчи— кл 12, затем вк-почэзот рабочий свэроч- 5 ный ток, величину которого корректировали до получения максимума Р величи«ы рентгеновского излучения, фиксируемого датчиком 12, и включают ус гройство 17 и 18.

Лм«литудный компярлтор 17 выраба50 тывлет кодовый сигнал, пропорциональный разности величин интенсивности излучения длтчиков. Этот рлзностный

l сигнал с помсщью шагового механизма

18 перемещает датчик 11 до совпадения его оси с точкой 4 нл расстояние l + Х Il,î получения равной величины интенсивности рентгеновского излучения, фиксируемой обоими длтчиклми. Таким образом, зл счет первой петли обратной связи (устройства

10-13, 17 и 18) пространственное положение датчика 11 корректируется рязностным сигналом обоих датчиков.

Затем включают устройство иолносте ю °

Расстояние перемещения обоих датчиков с наведением оси датчика l2 на точку 5 с помощью устройств 9 и

10 преобразовывяется в код в устройстве 19. Расстояние а + Х перемещения датчика 11 с помощью шагового механизма 18 также преобрлзовывлется в код в устро,стве 20. Затем обл кодл устройствами 22 и 23 пресбрлзо— вываются в нлпряжения, которые поступают на множительное устройство 24.

Выходное нлпряжение устройства 24 через устройства 25 и 27 поступает на пушку 8 для регулирования тока сварки (фокусировки), стабилизируя таким образом глубину проплавления.

После установления стационарного режима глубокого кинжального пронлавления процесс электронно-лучевой сварки становится импульсным. Импульсность процесса обусловленл низкочастотным перекрытием жидким металлом канала проплавления с частотой f „ = 6-50 Гц и высокочастотной экранировкой луча парами метлллэ с частотой f > = 0,5- 10 кГц. В обоих случаях луч не доходит до дна клнэлэ проплавления, поэтому глубина проплавления уменьшается. Вдол сварного шва она изменяется н соответствии с указанными частотами, т.е. нестабильна по величине.

Рассмотрим физику высокочастотных колебаний глубины проплавления. Период колебаний состоит из четырех временных учлстков (t „,t, t >, t<.), изображенных на фиг.2. В начале первого временного участка t, луч рассеивается вблизи поверхности изделия (т.1 зависимости Н = f(t), фиг.2) парами расплавленного металла, л глубина проплавления минимальная. При этом за счет взаимодействия луча с остатками паров с малыми величинами их концентрации !! и давления Р, 1 вблизи поверхности изделия образуется плазма с низкой концентрацией электронов и 610 см и темпераl4 етypoi Т 4 10 4 К. 3. ектроны луча, взаимодействуя с остатками пэров и плазмой, тормозятся и отдают им свою энергию, часть которой переходит н излучение, в том числе рентгеновское. Тормозное излучение Q прямо пропорционально n < и 6 е, а величина и и Т связаны известным соотношением и = 1ГТе стояния.

Измеренные экспериментально с учетом поглощения рентгеновского излучения материалом и рассчитанные по приведенным формулам зависимости Т и величины интенсивности рентгеновского излучения в зависимости от глубины проплавления приведены на фиг ° 2 для начала участков и имеют близкий качественный характер с максимумом в корне канала проплавления.

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

N и давлением P паров расплавленно— го металла. 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, поэтому вблизи поверхности концентрация электронов и падает до п Р 410 см з, а интенсивность рент—

14 геновского излучения минимальна (кривая I g = f (Н), фиг. 2) .

Во время первого временного участка t пары металла выходят из кана1 ла проплавления,экранировка луча уменьшается, луч опускается в корневую часть канала (т. 2 зависимости Н = f(t), фиг.2), нагревая металл до плавления и ионизируя оставшиеся пары, а рентгеновское излучение также минимально и распределено по всему объему канала проплавления (кривая ?, чч, фи.. ).

21.для плазмы с локальным термическим равновесием, при этом величины п е и

Т рассчитываются или измеряются.

В частности для лазерной плазмы известны зависимости n z и Т при разных давлениях в зависимости от расВо время второго временного участка tz происходит интенсивное плавление металла, а глубина проплавления становится максимальной. В конце второго временного участка t q луч также

1504040 6 находится в корне канала (т. 3 зависимости fi = f(t), фиг.2), металл перегревается, начинается его испарение и в корне канала образуется высококонцентрированная плазма с

Т =5 104 — 5 10 К и и в10 (5

10 см з. При этом энергия луча передается к металлу через плаэ10 му с минимальными потерями, а н корне канала образуется ядро плазмы с Тр = (0,5-0,9) Т р макс,п q (0,5

0,9) пе макс и I<ç (О 5 019) и максимальной величиной

15 рентгеновского излучения I (криная I<, фиг.2) ° з

На третьем временном участке за счет перегрева металла происходит активное парообразование, глу20 бина проплавления уменьшается. Пары двигаются к выходу из канала и ионизируются, концентрация п в объеме канала резко уменьшается, величина интенсивности рентгеновского излу25 чения из всего канала также резко уменьшается и в конце третьего временного участка t > происходит полная экранировка луча, продолжающаяся весь четвертый временной участок

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

f (Н), фиг, 2), причем I I счет N + ) 1 11 процесс повторяется.

40 Во всем объеме канала проплавления рентгеновское излучение нестабильно н пространстве и во времени, но в корневой части канала н конце второго временного участка t > оно

45 максимально и наиболее стабильно, причем пространственное положение ядра плазмы максимально совмещено с корневой частью канала и характеризует глубину проплавления.

Ядро плазмы образуется в середине второго временного участка а к середине третьего временного участка t оно исчезает, причем его размеры максимальны при наибольшей глубине проплавления и зависят от режима сварки, типа и толщины свариваемых материалов.

Ядро плазмы колеблется вблизи корневой части канала проплавления.

1504(140

В соответствии с. колебаниями ядра максимум величины интенсивности рентгеновского излучения (Iy = f(H), фиг.2) также перемещается вдоль канала в тех же пределах, но величина максимальной интенсивности I„„« уменьшается по мере удаления от корня канала. В связи с указанным пространственное положение плоскостей с равными величинами интенсивности рентгеновского излучения нестабиль10 но при отсутств1ш временной селекции.

С введен11 M временной селекции, когда рентге >вс1с«е излучение принимают 15 во время рабс чего временного участка пространственно-временное положе1ше ядра рент гсшов ского излучения тановптся стабильлкс1 при стабильш 1х и .раметрах (режимах) с13арки, осо- 20 бен11о пр11 мзл«11 време и рабочего у.-1астка ь -- О. В этом случае дестабилиз11рующ:l! ш факт >ра1- и являются неточность совмен(ения датчика 12 с ядром плазмы п« максимуму иптенспвнос- 25 ти рептгенс вского излучения или нестабит;111«".òü парамс3тр«в сварки.

Точность совмещения датчика 12 с я.:,p«;! 3 плазмы определяется чувст13ител.,нс.от<,ю рентге;1овск«го датчика, 30

t <3К К <1 К IIP!1 ".lиllllма11ЬНОМ Р НС С ТО Я НИИ

13 ме;кду ося.-1и датчик«в 11 и 12 и

1 — (3 ядр. плазмы занимает опреде:1 ч1 ««пс>31«ж<.ние в пр«с1 рвнс тве.

При нес параметрах с!3ap— ки ядро п.t!t"..tt

В способе исп«

-(О двумя д11т1ик;1мп, а LJLJ!b кол.шматора составляет 0,2 мм. Только за счет указан11ых мер не«табл.1ы1ость глубины пропл;1влен11я:нюк11с тся до З . Вре— менвая сс. 1ек11ия дает дополнительное ущест13«;1н«с снижение неста611льност11.

В гpol!«cce сварки датчики зани! l,.!tîò п«с тоянное заданное положение и, гырабатывая контральну1о информаци1о от при1шмаем«го рснтг«11: вского излучения, через «братную связь стабили50 зируют пространств1 нн«с положение ядра плазмы, уменьшая таким образом нестабигп носTI глубины проплавления.

Для пог>ьпиения точности управления при «бработке информации 11спальзова—

55 ли не ра 3!t«t ть величин перок1ещен1111, а их отношение. Кр3ме того, 3а счет испо и>з<>иа11ия п13укк разнесенных в пространстве датчиков возмс>жности сбоя работы системы значительно уменьшены.

При проведении эксперимента использовали установку ЭЛУ-9, электрони«-лучевую пушку КЭ!1-2, источник пи.1ания I-927 и устройство, изображенные на фиг.1.

Режим сварки : I = 100 мА, U ск 60 1сВ °

Свариваемый материал АИГ-6 с толщиной 20 мм. Длина коллиматора 50 мм, расстояние до св"."иваемого изделия

100 мм; размер щели коллиматора

0,2<15 мм, угол наклона оси датчиков к вертикали 45о; заданная глубина проплавления 15 мм, точность установки заданной глубины 0,1 MM

При проведении эксперимента взята доработанная схема прототипа. Рентгеновское излучение регистрировалось датчиками, в состав которых входят: кристалл Nal (Tl), щелевой свинцовый коллиматор и фотоумножитель с усилителем. Датчики 11, 12 и шаговые механизмы 10 и 23 крепили на обшей плите, механически связанной с пушкой.

В качестве датчика можно использовать рентгенотелевизионную передающую камеру с двумя щелями и информационными строками, перемещаемыми электронным методом. Устройство обработки информации снабжено блоком компенсации толщины изделия, обуслов-ленной разными расстояниями прохождсния рентгеновского излучения от точек 3-5 до датчиков сквозь свариваемый материал и соответственно различными величинами поглощения излучения.

Устройство обеспечивает точность управления 37.

Внедрение способа позволяет более чем в 2,5 раза повысить точность управления глубиной проплавления, что значительно улучшает качество сварного 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 по рентгеновскому излучению, регистрируемому из корневой части канала проплавления, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повьш1ения качества сварного шва путем повышения точности управления, определяют пве

1504040

Составитель И. Фролов

Техред М.Ходанич Корректор Н. Король

Редактор Н. Горват

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r Ужгород, ул. Проектная, 4 поперечные каналу проплавления плоскости, расположенные с разных сторон и на разных расстояниях относительно ядра плазмы, из которых регистрируют излучение равной интенсивности, а отношение расстояний до этих плоскостей преобразую в регулирующее воздействие.