Способ электронно-лучевой сварки и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области электронно-лучевой сварки конструкционных материалов с контролем и управлением удельной мощности электронного пучка непосредственно в процессе сварки. Сущность изобретения: обеспечение стабильности глубины проплавления путем получения регулируемых колебаний достигается тем, что в устройство ввели блок управления током пучка 5, подключенный к электронной пушке 1, аналого-цифровой преобразователь 8 и цифровое вычислительное устройство 9, подключенные определенным образом. Причем ток электронного пучка изменяют периодически по прямоугольному закону и скачкообразно меняют ток фокусирующей системы с отрицательным и положительным приращениями. Одновременно измеряют амплитуду импульсов тока в плазме и устанавливают фокусировку электронного пучка по максимуму этой амплитуды. При этом начало скачкообразного приращения тока фокусировки совмещают с началом прямоугольного импульса тока электронного пучка. Время поддержания неизменным значения тока фокусировки после его скачкообразного приращения устанавливают равным длительности прямоугольного импульса тока пучка. Измерение величины тока в плазме осуществляют перед окончанием прямоугольного импульса тока электронного пучка. 2 с.п. и 1 з.п. ф-лы. 1 ил.

Изобретение относится к области элекронно-лучевой сварки и может быть использовано при электронно-лучевой сварке конструкционных материалов с контролем и управлением удельной мощности электронного пучка непосредственно в процессе сварки.

Известен способ электронно-лучевой сварки, при котором осуществляют колебания тока фокусирующей системы электронно-лучевой пушки относительно его значения, соответствующего необходимому положению фокального пятна на свариваемом изделии, и это положение стабилизируется изменением тока фокусирующей системы [1] Известно также устройство для электронно-лучевой сварки с контролем и управлением фокусировкой электронного пучка, содержащее электронно-лучевую пушку с фокусирующей системой, резистор нагрузки, фильтр и амплитудный детектор [2] Недостатком способа и устройства является невысокое качество сварного соединения при сварке с глубоким проплавлением.

Наиболее близким к описываемым по технической сущности и достигаемому эффекту является способ электронно-лучевой сварки, при котором осуществляют колебания тока фокусирующей системы электронно-лучевой пушки относительно его значения, соответствующего необходимому положению фокального пятна на свариваемой детали, и это положение стабилизируют изменением тока фокусирующей системы, который определяют по удельной мощности в зоне сварки, причем фокусировку электронного пучка устанавливают по сигналу, получаемому в результате выделения и обработки одновременно нескольких переменных составляющих тока с непересекающимися частотными спектрами [3] прототип.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для электронно-лучевой сварки, содержащее электронно-лучевую пушку с фокусирующей системой, коллектор электронов, к которому через источник смещения подключен резистор нагрузки, генератор импульсов и последовательно соединенные цифро-аналоговый преобразователь и усилитель тока, выход которого подключен к фокусирующей системе, а также два фильтра и два амплитудных детекторов, блок преобразования сигналов, триггер и счетчик импульсов, причем входы обоих фильтров соединены с переключателем, выходы фильтров подключены к входам амплитудных детекторов, выходы последних соединены с входами блока преобразования сигналов, а выход блока преобразования сигналов соединен с входом триггера, выход которого подключен к входу управления генератора импульсов [3] прототип.

Недостатком известных способа и устройства является недостаточное качество сварных соединений при сварке с глубоким проплавлением, что связано с невозможностью обеспечения регулярных колебаний тока фокусирующей системы относительно необходимого значения ввиду стохастичности протекающих в сварочной ванне процессов при большой глубине проплавления металла.

Задача изобретения повышение качества сварных соединений при сварке с глубоким проплавлением металла.

Технический эффект заключается в повышении стабильности глубины проплавления путем обеспечения регулируемых колебаний.

Это достигается тем, что в способе электронно-лучевой сварки, при котором осуществляют колебания тока фокусирующей системы электронно-лучевой пушки относительно его значения, соответствующего необходимому положению фокального пятна на свариваемой детали, это положение стабилизируют изменением тока фокусирующей системы, причем значение этого тока определяют по максимуму удельной мощности в зоне сварки, ток электронного пучка изменяют периодически по прямоугольному закону, ток фокусирующей линзы скачкообразно изменяют с положительным и отрицательным приращениями, одновременно измеряют амплитуду импульсов тока в плазме и устанавливают фокусировку электронного пучка по максимальному значению этой амплитуды, при этом начало скачкообразного приращения тока фокусирующей системы совмещают с началом прямоугольного импульса тока электронного пучка, время подержания неизменным значения тока фокусирующей линзы после его скачкообразного приращения устанавливают равным длительности прямоугольного импульса тока электронного пучка, а измерение величины тока в плазме осуществляют перед окончанием прямоугольного импульса тока электронного пучка. В устройство для электронно-лучевой сварки, содержащее электронно-лучевую пушку с фокусирующей системой, резистор нагрузки, генератор импульсов, усилитель тока, подключенный выходом к фокусирующей системе, и цифро-аналоговый преобразователь, выход которого соединен со входом усилителя тока, введены блок управления током пучка, подключенный выходом к электронной пушке, аналого-цифровой преобразователь и цифровое вычислительное устройство, при этом выход генератора импульсов подключен к первому входу цифрового вычислительного устройства и сходу блока управления током пучка, второй вход цифрового вычислительного устройства подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, выход цифрового вычислительного устройства соединен со входом цифро-аналогового преобразователя, а вход аналого-цифрового преобразователя подключен к резистору нагрузки.

Отличительными признаками предлагаемого способа электронно-лучевой сварки является то, что ток электронного пучка изменяют периодически по прямоугольному закону и скачкообразно меняют ток фокусирующей системы с отрицательным и положительным приращениями, одновременно измеряя амплитуду импульсов тока в плазме, и устанавливают фокусировку электронного пучка по максимуму этой амплитуды. При этом начало скачкообразного приращения тока фокусировки совмещают с началом прямоугольного импульса тока электронного пучка, время поддержания неизменным значения тока фокусировки после его скачкообразного приращения устанавливают равным длительности прямоугольного импульса тока пучка, а измерение величины тока в плазме осуществляют перед окончанием прямоугольного импульса тока электронного пучка.

При этом достигается повышение качества сварного соединения при электронно-лучевой сварке с глубоким проплавлением металла, так как измерение тока в плазме осуществляют синхронно с изменениями тока электронного пучка и тока фокусирующей системы электронной пушки, что влияние стохастического фактора на процесс стабилизации фокусировки электронного пучка.

Отличительными признаками предлагаемого устройства является то, что в него введены блок управления током пучка, подключенный выходом к электронной пушке, аналого-цифровой преобразователь и цифровое вычислительное устройство, при этом выход генератора импульсов подключен к первому входу цифрового вычислительного устройства и входу блока управления током пучка, второй вход цифрового вычислительного устройства подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, выход цифрового вычислительного устройства соединен со входом цифро-аналогового преобразователя, а вход аналого-цифрового преобразователя подключен к резистору нагрузки.

При этом данное устройство в процессе электронно-лучевой сварки обеспечивает требуемую в соответствии с вышеописанным способом последовательность приращений тока электронного пучка и тока фокусирующей системы электронной пушки, а также измерения тока в плазме.

Введенные в устройство для электронно-лучевой сварки аналого-цифровой преобразователь и цифровое вычислительное устройство широко известны и применяются в различных устройствах электронной техники (см. например, Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. М. Энергоатомиздат, 1988. 304 с.). Однако введение этих элементов в устройство для электронно-вычислительной сварки, содержащее электронную пушку с фокусирующей системой, резистор нагрузки, генератор импульсов, усилитель тока и цифро-аналоговый преобразователь, в вышеописанном соединении этих элементов с элементами известного устройства позволило добиться нового результата, а именно обеспечить синхронное изменение тока электронного пучка и тока фокусирующей линзы электронной пушки с одновременным измерением тока в плазме, что обеспечило решение поставленной задачи повышение качества сварных соединений при электронно-лучевой сварке с глубоким проплавлением металла.

Устройство содержит (фиг.1): электронную пушку 1 с фокусирующей системой 2, резистор 3 нагрузки, генератор 4 импульсов, блок 5 управления током пучка, усилитель 6 тока, цифро-аналоговый преобразователь 7, аналого-цифровой преобразователь 8, цифровое вычислительное устройство 9. Коллектор 10 электронов, установленный над свариваемым изделием 12, соединен с источником 11 смещения, второй полюс которого подключен к резистору 3 нагрузки и входу аналого-цифрового преобразователя 8. Выход аналого-цифрового преобразователя 8 соединен с первым входом цифрового вычислительного устройства 9. Генератор 4 импульсов подключен ко второму входу цифрового вычислительного устройства 9 и к входу блока 5 управления током пучка, выход которого соединен с электронной пушкой 1. Выход цифрового вычислительного устройства 9 подключен к входу цифро-аналогового преобразователя 7, выход которого соединен с входом усилителя 6 тока. Выход усилителя 6 тока подключен к фокусирующей системе 2 электронной пушки 1.

Генератор 4 импульсов вырабатывает прямоугольные импульсы с заданной частотой и скважностью. Цифровое вычислительное устройство 9 обеспечивает на выходе скачкообразное изменение сигнала с положительным и отрицательным приращениями синхронно с сигналом на первом его входе, при этом знак приращения сигнала на выходе устройства зависит от разности значений сигналов на втором его входе в настоящий и предшествующий моменты времени. Если эта разность положительна, то знак приращения положительный, если отрицательна, знак приращения отрицательный.

Способ осуществляется следующим образом. Импульсы прямоугольной формы с генератора 4 импульсов поступают на первый вход цифрового вычислительного устройства 9 и на вход блока 5 управления током пучка. При этом ток электронного пучка изменяется по прямоугольному закону. Одновременно с началом каждого импульса вычислительное устройство 9 формирует на выходе в цифровой форме приращения сигнала, которое преобразуется цифро-аналоговым преобразователем 7 в приращение аналогового сигнала. Этот сигнал усиливается усилителем 6 тока и поступает на фокусирующую систему 2 электронно-лучевой пушки 1. Время поддержания неизменным тока фокусирующей системы после его скачкообразного приращения устанавливается равным длительности прямоугольного импульса тока пучка. В процессе изменения тока фокусирующей системы 2 осуществляют измерение величины тока в плазме путем подачи напряжения с резистора 3 нагрузки, включенного в цепь последовательно с источником 11 смещения и коллектором 10 электронов, на вход аналого-цифрового преобразователя 8. Сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя 8 подают на второй вход цифрового вычислительного устройства 9. При этом измерение величины тока в плазме производят перед окончанием прямоугольного импульса тока электронного пучка, так как при этом завершаются все переходные процессы, связанные с изменением тока пучка. После каждого приращения тока фокусирующей системы 2 цифровое вычислительное устройство 9 вычисляет разность значений сигналов на его втором входе в настоящий и предшествующий моменты времени. В первоначальные моменты времени работы устройства эта разность положительна, так как зависимость тока в плазме от тока фокусирующей системы 2 имеет экстремальный характер, и при увеличении тока фокусирующей системы от малых значений система работает на возрастающем участке этой зависимости. После прохождения экстремума зависимости тока в плазме от тока фокусирующей системы 2 разность сигналов на втором входе цифрового вычислительного устройства 9 в настоящий и предшествующий моменты времени становится отрицательной, так как система начинает работать на падающем участке зависимости тока в плазме от тока фокусирующей системы 2. Соответственно знак приращения сигнала на выходе цифрового вычислительного устройства 9 становится отрицательным. Соответственно, ток фокусирующей системы 2 уменьшается, и происходит возврат в сторону экстремума зависимости тока в плазме от тока фокусирующей системы 2. Таким образом осуществляют колебания тока фокусирующей системы 2 электронно-лучевой пушки 1 относительно значения, соответствующего необходимому положению фокального пятна на свариваемой детали, и это положение стабилизируют изменением тока фокусирующей системы, а это значение определяют по максимуму удельной мощности в зоне сварки, которому соответствует максимальное значение тока в плазме.

Предлагаемый способ обеспечивает существенное повышение качества электронно-лучевой сварки с глубоким проплавлением металла, так как благодаря импульсному изменению тока электронного пучка с синхронными приращениями тока фокусирующей системы электронно-лучевой пушки и контролем экстремального значения тока в плазме, достигается, несмотря на стохастичность процессов в зоне сварки при глубоком проплавлении металла, устойчивый колебательный процесс изменения тока фокусирующей линзы вблизи максимума удельной мощности в зоне сварки.

Формула изобретения

1. Способ электронно-лучевой сварки, при котором осуществляют колебания тока фокусирующей системы электронно-лучевой пушки относительно его значения, соответствующего необходимому положению фокального пятна на свариваемой детали, и это положение стабилизируют изменением тока фокусирующей системы, который определяют по удельной мощности в зоне сварки, отличающийся тем, что ток электронного пучка изменяют периодически по прямоугольному закону, а ток фокусирующей системы определяют по максимуму удельной мощности в зоне сварки и скачкообразно изменяют с положительным и отрицательным приращениями, при этом одновременно измеряют амплитуду импульсов тока в плазме и устанавливают фокусировку электронного пучка по максимальному значению этой амплитуды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что начало скачкообразного приращения тока фокусирующей системы совмещают с началом прямоугольного импульса тока электронного пучка, время поддержания неизменным значения тока фокусирующей системы после его скачкообразного приращения устанавливают равным длительности прямоугольного импульса тока пучка, а измерение величины тока в плазме осуществляют перед окончанием прямоугольного импульса тока электронного пучка.

3. Устройство для электронно-лучевой сварки, содержащее электронно-лучевую пушку с фокусирующей системой, коллектор электронов, к которому через источник смещения подключен резистор нагрузки, а также генератор импульсов и последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь и усилитель тока, выход которого подключен к фокусирующей системе, отличающееся тем, что в него введены блок управления током пучка, аналого-цифровой преобразователь и цифровое вычислительное устройство, при этом выход генератора импульсов подключен к первому входу цифрового вычислительного устройства и через блок управления током пучка к электронно-лучевой пушке, второй вход цифрового вычислительного устройства через аналого-цифровой преобразователь соединен с резистором нагрузки, а выход цифрового вычислительного устройства подключен к входу цифроаналогового преобразователя.