Способ электронно-лучевой сварки и устройство для его осуществления

 

Использование: сварка изделий из жаропрочных сталей. Сущность изобретения: сварочной пушкой 1 формируется электронный пучок 18. Фокусирующей системой 2 пучок фокусируется в фокальном пятне 20, а при помощи отклоняющих систем 3, 4 преломляется на двух уровнях с формированием сходящейся развертки пучка, которая формируется под воздействием сигналов генератора 5. Точка 19 сходимости развертки располагается внутри сварочной ванны, ее положение регулируют подачей напряжения из блока 14 на управляющие входы аналоговых перемножителей 12, 13. Положение фокального пятна 20 устанавливают напряжением шины 16, которое через сумматор 17 поступает на вход управляемого источника 15. Фокальное пятно устанавливают в пределах, ограниченных нижней кромкой свариваемого изделия и точкой сходимости развертки пучка. Так как на второй вход сумматора 17 поступает управляющее напряжение из блока 14 установки точки сходимости пучка, то при изменении положения точки сходимости 19 по глубине сварочной ванны синхронно изменяется положение фокального пятна, что гарантирует его расположение в пределах, ограниченных нижней кромкой изделия и точкой сходимости развертки пучка. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для электронно-лучевой сварки с двойным преломлением и круговой разверткой пучка при выполнении швов с глубоким проплавлением.

Известен способ электронно-лучевой сварки и устройство для его осуществления [1], согласно которому при формировании сходящейся круговой развертки точку сходимости развертки располагают неподвижно на нижней поверхности свариваемого изделия. Устройство, реализующее этот способ, содержит электронно-лучевую пушку, две отклоняющие системы и генератор круговой развертки, электрически связанный с обмотками отклоняющей системы.

Недостатком указанного технического решения является снижение качества сварных соединений при сварке больших толщин из-за схлопывания жидкого металла с образованием раковин и пор. Это обусловлено сужением канала проплавления по глубине, так как точка сходимости развертки зафиксирована на нижней плоскости изделия.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ [2] , согласно которому формируют сходящуюся развертку пучка. В процессе сварки производят колебания точки сходимости развертки пучка вдоль электронно-оптической оси сварочной пушки в пределах сварочной ванны.

Устройство, реализующее известный способ, содержит электронно-лучевую пушку, укомплектованную электромагнитной фокусирующей и двумя отклоняющими системами, генератор круговой развертки, два сумматора, два аналоговых перемножителя, четыре усилителя магнитной развертки, подключенных к обмоткам отклоняющих систем.

Недостатком указанного технического решения является снижение качества сварных соединений. Это объясняется отсутствием привязки положения фокального пятна к точке сходимости развертки. Так как положение фокального пятна остается неизменным, то при перемещении точки сходимости по глубине сварочной ванны фокальное пятно может располагаться как выше, так и ниже точки сходимости развертки пучка. Неоднозначное положение фокального пятна исключает возможность регулирования плотности мощности в корневой части шва, а следовательно, влечет за собой появление дефектов и снижение качества сварных соединений.

Целью изобретения является улучшение качества сварных соединений больших и средних толщин путем регулирования плотности мощности в корневой части шва.

Это достигается тем, что в способе электронно-лучевой сварки, при котором формируют сходящуюся развертку путем преломления электронного пучка на двух уровнях с одновременным его вращением и размещением точки сходимости развертки пучка в сварочной ванне, в процессе сварки устанавливают и поддерживают положение фокального пятна электронного пучка по глубине сварочной ванны в пределах, ограниченных нижней кромкой свариваемого изделия и точкой сходимости развертки пучка.

Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства для электронно-лучевой сварки, содержащего электронно-лучевую пушку, укомплектованную электромагнитной фокусирующей и двумя отклоняющими системами, расположенными вдоль электронно-оптической оси пушки на двух уровнях, генератор круговой развертки, два сумматора, два аналоговых перемножителя, четыре усилителя магнитной развертки, выходы которых подключены к обмоткам отклоняющих систем, а входы электрически связаны с генератором круговой развертки. При этом входы двух усилителей нижней отклоняющей системы соединены с генератором через сумматоры, а входы двух усилителей верхней отклоняющей системы соединены с генератором через аналоговые перемножители, причем в устройство дополнительно введены третий сумматор, управляемый источник тока фокусировки, шина установки уровня фокусировки и блок установки точки сходимости, выход которого соединен с управляющими входами аналоговых перемножителей и первым входом третьего сумматора, второй вход которого подключен к шине установки уровня фокусировки. При этом выход сумматора соединен с входом управляемого источника тока фокусировки, выход которого соединен с обмоткой электромагнитной фокусирующей системы.

Таким образом, расположение фокального пятна электронного пучка по глубине сварочной ванны в пределах, ограниченных нижней кромкой свариваемого изделия и точкой сходимости развертки пучка позволяет регулировать плотность мощности в корневой части шва, что облегчает условия формирования литой зоны, т.е. предотвращает локальные расширения шва и исключает схлопывание канала проплавления. При этом улучшается качество сварных соединений.

Введение в устройство управляемого источника тока фокусировки и шины установки уровня фокусировки позволяют установить фокальное пятно по глубине сваpочной ванны в пределах, ограниченных нижней кромкой свариваемого изделия и точкой сходимости развертки пучка. Введение третьего сумматора и блока установки точки сходимости позволяет автоматически поддерживать заданное положение фокального пятна относительно точки сходимости развертки.

Предложенный способ и устройство для его осуществления обеспечивает положительный эффект расположением фокального пятна электронного пучка по глубине сварочной ванны в пределах, ограниченных нижней кромкой изделия и точкой сходимости развертки пучка. При этом выбором положения фокального пятна регулируется плотность мощности в корневой части шва. Это приводит к снижению дефектов в литой зоне, а следовательно, и к повышению качества сварных соединений.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства, реализующая способ; на фиг.2 - область расположения фокального пятна.

Устройство для осуществления способа (фиг.1) содержит электронно-лучевую пушку 1 с электромагнитной фокусирующей системой 2, и электромагнитными отклоняющими системами 3, 4, генератор 5 круговой развертки, усилители 6-9 магнитной развертки пучка, выходы которых соединены с обмотками отклоняющих систем 3, 4, а входы электрически связаны с генератором 5 круговой развертки, сумматоры 10, 11, выходы которых подключены к усилителям 7, 8, питающим обмотки нижней отклоняющей системы 4, аналоговые перемножители 12, 13, выходы которых подключены к усилителям 6, 9 и сумматором 10, 11, блок 14 установки точки сходимости развертки, управляемый источник 15 тока фокусировки, шину 16 установки уровня фокусировки, третий сумматор 17, выход которого соединен с входом управляемого источника тока фокусировки 15.

На фиг. 1 поз. 18 обозначен пучок электронов, поз. 19 точка сходимости развертки пучка, а поз. 20 - фокальное пятно.

На фиг.2 показаны: А - верхний предел расположения фокального пятна; Б - нижний предел расположения фокального пятна.

Электронно-лучевая пушка 1 является источником пучка электронов. Фокусирующая система 2 обеспечивает формирование ускоренного пучка электронов с фокальным пятном 20. Отклоняющие системы 3, 4 разнесены вдоль электронно-оптической оси пушки 1 и обеспечивают преломление пучка 18 на двух уровнях. Это достигается формированием встречных электромагнитных полей идентичными обмотками верхней и нижней отклоняющих систем 3, 4. Генератор 5 круговой развертки выдает квадратурные сигналы пропорционально sin ωt и cos ωt, которые используются для круговой развертки пучка.

Усилители 6-9 магнитной развертки служат для преобразования входного напряжения в ток отклонения. Они выполнены по схеме преобразователей напряжение-ток, что позволяет исключить погрешности, связанные с разбросом параметров и нагревом отклоняющих систем в процессе работы. Сумматоры 10, 11 выполнены идентичными на базе операционных усилителей. Аналоговые перемножители 12, 13 выполняют функции управляемых делителей. Блок 14 выдает управляющее напряжение, при помощи которого устанавливается положение точки 19 сходимости развертки пучка. Источник 15 служит для питания фокусирующей системы 2, шина 16 - для установки фокального пятна 20 по глубине сварочной ванны. Третий сумматор 17 позволяет отслеживать положение фокального пятна 20 относительно точки 19 сходимости развертки пучка.

Способ реализуется устройством, которое функционирует следующим образом.

В процессе работы сварочной пушкой 1 формируется электронный пучок 18. Под воздействием продольного электромагнитного поля фокусирующей системы 2 пучок фокусируется в фокальном пятне 20, а при помощи электромагнитных полей отклоняющих систем 3, 4 формируется сходящаяся развертка пучка. Сходящаяся развертка формируется преломлением пучка на двух уровнях под воздействием сигналов генератора 5. Сигналы, пропорциональные sinω t и cos ωt, подаются на обмотки отклоняющих систем 3, 4 через усилители магнитной развертки 6-9. На усилители 7, 8, питающие обмотки нижней отклоняющей системы 4, сигналы с генератора 5 поступают через сумматоры 10, 11, а на усилители 6, 9, питающие обмотки верхней отклоняющей системы 3, сигналы с генератора 5 поступают через аналоговые перемножители 12, 13.

Суммированием на сумматорах 10, 11 синусоидальных сигналов генератора 5 с выходными синусоидальными сигналами аналоговых перемножителей 12, 13 обеспечивают превышение тока отклонения в обмотках нижней отклоняющей системы 4. Учитывая встречное направление токов в идентичных обмотках отклоняющих систем 3, 4, превышением тока в обмотках нижней отклоняющей системы 4 формируют сходящуюся развертку пучка. Точка 19 сходимости развертки пучка располагается внутри сварочной ванны. Ее положение регулируют напряжением, которое из блока 14 установки точки сходимости подают на управляющие входы аналоговых перемножителей 12, 13.

Фокусировку пучка 18 осуществляют подачей на фокусирующую систему 2 тока из управляемого источника 15. Положение фокального пятна 20 устанавливают напряжением шины 16, которые через третий сумматор 17 подают на вход управляемого источника 15. Фокальное пятно 20 располагают в пределах, ограниченных точками А и Б (фиг.2).

Так как на второй вход сумматора 17 подается управляющее напряжение из блока 14 установки точки сходимости пучка, то при изменении положения точки сходимости пучка по глубине сварочной ванны синхронно изменяется положение фокального пятна.

При реализации устройства использовались интегральные микросхемы. Сумматоры выполнены на операционных усилителях КР140УД8, усилители магнитной развертки - на мощных операционных усилителях К157УД1. В качестве аналоговых перемножителей применяются схемы 525ПС2 в режиме деления. Генератор круговой развертки выполнен по фазоинверсной схеме на операционных усилителях 140 серии, управляемый источник тока фокусировки - на операционных усилителях 140 и 157 серий с мощным транзисторным каскадом на выходе.

Реализация предложенного способа осуществлялась на электронно-лучевой аппаратуре типа ЭЛА 60/60 с помощью устройства, выполненного на основе схемы, приведенной на фиг.1.

Предлагаемый способ и устройство для его осуществления были опробованы при электронно-лучевой сварке изделий из жаропрочной стали ЭП 866 толщиной 40...80 мм. Энергетические параметры пучка выдерживались в пределах: ускоряющее напряжение 60 кВ; ток пучка 250...400 мА; ток фокусировки 922...942 мА. Рабочее расстояние от среза пушки до изделия выдерживалось в пределах 180. . . 200 мм, частотный диапазон круговой развертки от 180 до 600 Гц. Скорость сварки выбиралась в пределах от 9 до 12 м/ч. Точка сходимости развертки располагалась на уровне 0,5 толщины свариваемого металла. Фокальное пятно перемещалось в пределах, ограниченных нижней кромкой и точкой сходимости развертки.

Исследование сварных соединений показало высокое качество сварных швов. В нижней части шов формируется с параллельными стенками и закругленным корнем. По сравнению с прототипом количество корневых дефектов уменьшилось в 2-3 раза, что объясняется выравниванием плотности мощности пучка в нижней части канала проплавления.

Формула изобретения

1. Способ электронно-лучевой сварки, при котором формируют сходящуюся развертку преломлением электронного пучка на двух уровнях с одновременным его вращением и размещением точки сходимости развертки пучка в сварочной ванне, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества сварных соединений больших и средних толщин путем регулирования плотности мощности в корневой части шва, в процессе сварки устанавливают и поддерживают положение фокального пятна электронного пучка по глубине сварочной ванны в пределах, ограниченных нижней кромкой свариваемого изделия и точкой сходимости развертки пучка.

2. Устройство для электронно-лучевой сварки, содержащее электронно-лучевую пушку с электромагнитной фокусирующей и двумя отклоняющими системами, расположенными вдоль электронно-оптической оси пушки на двух уровнях, генератор круговой развертки, два сумматора, два аналоговых перемножителя, четыре усилителя магнитной развертки подключены к обмоткам отклоняющих систем, а входы электрически связаны с генератором круговой развертки, при этом входы двух усилителей нижней отклоняющей системы соединены с генератором через сумматоры, а входы двух усилителей верхней отклоняющей системы соединены с генератором через аналоговые перемножители, отличающееся тем, что оно снабжено третьим сумматором, управляемым источником тока фокусировки, шиной установки уровня фокусировки и блоком установки точки сходимости, выход которого соединен с управляющими входами аналоговых перемножителей и первым входом третьего сумматора, второй вход которого подключен к шине установки уровня фокусировки, при этом выход сумматора соединен с входом управляемого источника тока фокусировки, выход которого соединен с обмоткой электромагнитной фокусирующей системы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2