Устройство для управления процессом электронно-лучевой сварки

Авторы патента:

B23K15/02 - схемы управления для этих целей

Владельцы патента RU 2467849:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (RU)

Устройство предназначено для управления процессом электронно-лучевой сварки. Оно содержит электронную пушку (1), подключенную к отрицательному полюсу высоковольтного источника питания (2), источник питания управляющего электрода (3), блок управления включением и отключением управляющего напряжения электронной пушки (12) и вакуумную камеру (6) с размещенной в ней подвижной платформой 7 с приводом перемещения изделия (8) с двигателями (9, 10). Блок формирования длительности и формы импульса тока луча (13) подключен выходом к входу источника питания управляющего электрода (3), а входом - к выходу блока управления пушкой (12). В результате достигается стабильность параметров сварочной ванны в процессе сварки за счет контроля мощности и времени воздействия электронного луча на изделие. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство относится к области машиностроения и предназначено для автоматизации процесса сварки.

Известен способ управления процессом электронно-лучевой сварки и устройство для его осуществления (патент SU №1832614, опубл. 10.07.1996 г.), заключающийся в регулировании удельной энергии тепловложения по информации о токе, протекающем через изделие. Реализующее его устройство содержит задающий генератор, ключ, шаговый привод перемещения изделия. Недостатком устройства является зависимость параметров сварного соединения от работы шагового привода.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является устройство для управления процессом электронно-лучевой сварки, содержащее электронную пушку, подключенную к отрицательному полюсу высоковольтного источника питания, источник питания управляющего электрода, вакуумную камеру с размещенной в ней подвижной платформой, снабженной приводом перемещения изделия и блоком управления пушкой (Устройство для регулирования процесса электронно-лучевой сварки, патент на полезную модель №64972, кл. В23К 15/00, опубликовано 27.07.2007 Бюл. №21).

Недостатком данного устройства является то, что параметры процесса сварки изменяются, несмотря на стабилизацию напряжения высоковольтного и ускоряющего источников напряжения. Нестабильность параметров сварки, проявляющаяся при непрерывном воздействии электронного пучка на изделие, приводит к снижению качества сварного соединения, особенно при сварке малогабаритных изделий.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в обеспечении стабильности параметров сварочной ванны путем контроля мощности и времени воздействия электронного пучка на изделие.

Поставленная задача решается тем, что в известное устройство, содержащее блок управления пушкой, электронную пушку, подключенную к отрицательному полюсу высоковольтного источника питания, источник питания управляющего электрода, вакуумную камеру с размещенной в ней подвижной платформой, снабженной приводом перемещения изделия с блоком управления двигателями, дополнительно введен блок формирования длительности и формы импульса тока луча, подключенный выходом к входу источника питания управляющего электрода, а входом - к выходу блока управления пушкой.

Кроме того, в предлагаемом устройстве блок формирования длительности и формы импульса тока луча может быть снабжен генератором импульсов, триггером, ключевым элементом, счетчиком импульсов, перепрограммируемым запоминающим устройством, цифроаналоговым преобразователем и дешифратором, подключенным выходом к входу сброса триггера, вход установки которого соединен с выходом блока управления пушкой, а выход - с управляющим входом ключевого элемента, подключенного сигнальным входом к выходу генератора импульсов, а выходом - к входу счетчика импульсов, связанного своими выходами одновременно с входами дешифратора и перепрограммируемого запоминающего устройства, подключенного выходами к входам цифроаналогового преобразователя, соединенного выходом с входом источника питания управляющего напряжения.

Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена функциональная схема устройства для управления процессом электронно-лучевой сварки, на фиг.2 - схема блока формирования длительности и формы импульса тока луча, а на фиг.3 - временные диаграммы импульсов тока луча.

Устройство для управления процессом электронно-лучевой сварки содержит электронную пушку 1, подключенную к отрицательному полюсу высоковольтного источника питания 2, источник питания управляющего электрода 3, подключенный положительным полюсом к катоду 4 электронной пушки, а отрицательным полюсом - к управляющему электроду 5 электронной пушки. Электронная пушка 1 примыкает к вакуумной камере 6 с размещенными в ней подвижной платформой 7, на которой установлено изделие 8. Платформа 7 приводится в движение по двум координатам двигателями 9 и 10, подключенными к выходам блока управления двигателями 11. Блок управления электронной пушкой 12 подключен выходом к входу блока формирования длительности и формы импульса тока луча 13, соединенного своим выходом с входом источника питания управляющего электрода 3.

Предлагаемое устройство может содержать как однокоординатный, так и двухкоординатный привод перемещения изделия. Число координат привода перемещения изделия и типы двигателей не оказывают влияния на существо предложения.

Блок формирования длительности и формы импульса тока луча 13, образующий основу предлагаемого устройства, может быть реализован как аппаратными средствами (на так называемой «жесткой логике»), так и на программируемых контроллерах. На фиг.2 приведена схема одной из возможных реализации блока формирования длительности и формы импульса тока луча, который содержит генератор импульсов 14, триггер 15, ключевой элемент 16, счетчик импульсов 17, перепрограммируемое запоминающее устройство 18, цифроаналоговый преобразователь 19 и дешифратор 20. Дешифратор 20 подключен выходом к входу сброса триггера 15, вход установки которого соединен с выходом блока 13 управления пушкой, а выход - с управляющим входом ключевого элемента 16, подключенного сигнальным входом к выходу генератора импульсов 14, а выходом - к входу счетчика импульсов 17, связанного своими выходами одновременно с входами дешифратора 20 и перепрограммируемого запоминающего устройства 18, подключенного выходами к входам цифроаналогового преобразователя 19, соединенного выходом с входом источника питания управляющего напряжения 12.

Важной особенностью предлагаемого устройства является обеспечение стабильности условий формирования сварного соединения, которые достигаются импульсным воздействием на изделие тока луча с стабильными значениями мощности и времени. Очевидно, что в этом случае при однократной настройке длительности тока луча, его формы и величины будет обеспечиваться воспроизводимость заданного качества сварного соединения не только для данного конкретного изделия, но и последующих аналогичных изделий.

Устройство работает следующим образом. Каждый цикл сварки обеспечивается формированием на выходе блока управления пушкой 12 короткого импульса управления (значительно меньшей длительности в сравнении с длительностью цикла сварки). При этом состояние привода перемещения изделия не является существенным для работы предлагаемого устройства. Изделие может быть неподвижным или перемещаться по одной или двум координатам. Рассмотрим для определенности формирование сварного соединения при неподвижном изделии. Импульс управления, поступающий с выхода блока 12 на вход блока формирования длительности и формы импульса тока луча 13, приводит к тому, что на выходе последнего формируется аналоговый сигнал U_у, изменяющийся во времени по определенному заданному закону. Этот сигнал поступает на вход источника питания управляющего электрода 3, что приводит к изменению тока луча I_л, поступающего на изделие, по такому же закону. Форма импульса тока I_л луча и его длительность определяются параметрами изделия (материалом, толщиной свариваемых деталей и т.д.). На фиг.3 приведены возможные виды кривых импульса тока луча, от треугольной восходящей (фиг.3, а), до треугольной ниспадающей (фиг.3, в) и пирамидальной (фиг.3, б). Форма импульса тока луча и его длительность оказывают существенное влияние на форму и параметры сварочной ванны.

Наиболее целесообразные форма и длительность тока луча I_л для каждого конкретного изделия подбираются экспериментально при настройке режима сварки.

Блок формирования длительности и формы импульса тока луча 13, функциональная схема которого приведена на фиг.2, работает следующим образом. Генератор импульсов 14 непрерывно вырабатывает импульсы с высокой частотой, которые поступают на сигнальный вход ключевого элемента 16, однако на вход счетчика импульсов 17 они не проходят, поскольку с выхода триггера 15 на управляющий вход ключевого элемента поступает запрещающий (нулевой) сигнал. Такое состояние схемы является исходным и может сохраняться длительное время до поступления управляющего импульса с выхода блока управления пушкой 12. При этом сигнал U_у на выходе цифроаналогового преобразователя 19 равен нулю, что приводит к запиранию электронной пушки 1 и отсутствию тока луча (I_Л=0).

При формировании импульса управления на выходе блока управления пушкой 12 он поступает на вход установки триггера 15, который переключается и подает на управляющий вход ключевого элемента 16 единичный сигнал, разрешающий прохождение импульсов от генератора 14 на вход счетчика импульсов 17. По мере поступления импульсов на вход счетчика 17 на его выходах вырабатывается число, изменяющееся по линейному закону (см. фиг.3, а). Это линейно изменяющееся число преобразуется в цифроаналоговом преобразователе 19 в аналоговый сигнал, временная зависимость которого будет определяться программой, «зашитой» в перепрограммируемом запоминающем устройстве 18. Программа, введенная в перепрограммируемое запоминающее устройство 18, преобразует линейно изменяющийся код, вырабатываемый на выходе счетчика 17, в код, определяемый требуемой формой импульса U_у управления электронной пушкой. Изменение программы постоянного запоминающего устройства 18, т.е. его перепрограммирование позволяет при линейно изменяющемся коде на выходе счетчика 17 изменять код на входе цифроаналогового преобразователя 19 и, следовательно, форму импульса U_у. Возможные варианты формы импульсов управления пушкой U_у не ограничиваются временными диаграммами, приведенными на фиг.3.

Длительность t_и (см. фиг.3) импульса управления пушкой определяется числом, записанным в дешифраторе 20, и также может изменяться оператором. После того как дешифратор «отсчитает» требуемое число импульсов, соответствующее заданной длительности импульса t_и, на его выходе вырабатывается сигнал, поступающий на вход сброса триггера 15. Последний переключается и вырабатывает на своем выходе нулевой сигнал, запирающий ключ 16. При этом подача импульсов на счетчик 17 прекращается и схема переходит в исходное состояние до прихода очередного импульса управления с выхода блока управления пушкой 13.

1. Устройство для управления процессом электронно-лучевой сварки, содержащее электронную пушку, подключенную к отрицательному полюсу высоковольтного источника питания, источник питания управляющего электрода, блок управления включением и отключением управляющего напряжения пушки и вакуумную камеру с размещенной в ней подвижной платформой с приводом перемещения изделия, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок формирования длительности и формы импульса тока луча, подключенный выходом к входу источника питания управляющего электрода, а входом - к выходу блока управления включением и отключением управляющего напряжения пушки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок формирования длительности и формы импульса тока луча снабжен генератором импульсов, триггером, ключевым элементом, счетчиком импульсов, перепрограммируемым запоминающим устройством, цифроаналоговым преобразователем и дешифратором, подключенным выходом к входу сброса триггера, вход установки которого соединен с выходом блока управления пушкой, а выход - с управляющим входом ключевого элемента, подключенного сигнальным входом к выходу генератора импульсов, а выходом - к входу счетчика импульсов, связанного своими выходами одновременно с входами дешифратора и перепрограммируемого запоминающего устройства, подключенного выходами к входам цифроаналогового преобразователя, соединенного выходом с входом источника питания управляющего напряжения.

Изобретение относится к оборудованию для электронно-лучевой сварки. .

Способ электронно-лучевой сварки труб // 2285599

Изобретение относится к способу электронно-лучевой сварки труб и может быть использовано при изготовлении каналов ядерных реакторов при сварке труб из циркония и титана.

Способ формирования микрорельефа поверхности изделий // 2248266

Изобретение относится к формированию микрорельефа поверхностей изделий и может найти применение в электронной технике. .

Способ электронно-лучевой сварки // 2237557

Изобретение относится к сварке, в частности к способу электронно-лучевой сварки, и может найти применение при изготовлении ответственных конструкций в различных отраслях машиностроения.

Система управления процессом электронно-лучевой сварки // 2161085

Способ контроля и позиционирования луча для обработки заготовок и устройство для его осуществления // 2155654

Изобретение относится к области обработки заготовок лучами, например сварке заготовок лазерным лучом. .

Способ сварки // 2111840

Изобретение относится к области сварки плавлением и позволяет расширить технологические возможности сварки. .

Способ контроля отклонения положения линии стыка при электронно-лучевой сварке // 2094197

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке конструкционных материалов для контроля отклонения стыка. .

Способ электронно-лучевой сварки // 2071401

Изобретение относится к области электронно-лучевой сварки и предназначено для управления процессом сварки. .

Способ электронно-лучевой сварки и устройство для его осуществления // 2047445

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке металлов и их сплавов в условиях вакуума и может быть использовано при сварке металлов в промежуточном (в низком) вакууме.

Устройство для управления процессом электронно-лучевой сварки // 2469827

Способ электронно-лучевой сварки // 2494846

Способ электронно-лучевой сварки с контролем и управлением удельной мощности электронного луча непосредственно в процессе сварки может быть использован для изготовления сварных изделий из конструкционных материалов. Из спектра колебаний вторичного тока в диапазоне частот 5-125 кГц выделяют сигнал переменной составляющей, включающей диапазон частот, содержащий «пик» спектральной плотности, который подвергают статистической обработке. Строят эмпирические плотности распределения указанного сигнала в амплитудном диапазоне. Затем в зависимости от измеренных величин параметров эмпирической плотности распределения, таких как дисперсия, среднеквадратичное отклонение, модальное значение эмпирической плотности распределения в моде или отношение значения плотности распределения к среднеквадратичному отклонению или к дисперсии, а также от внешнего вида эмпирической плотности распределения, задают ток фокусировки, соответствующий максимальной удельной мощности электронного луча. В результате достигают повышение точности контроля фокусировки электронного луча и расширение функциональных возможностей способа при проведении сварки в режиме глубокого проплавления как статичным, так и осциллирующим или модулированным лучом в диапазоне мощностей от 1,5 до 15 кВт за счет использования дополнительного информационного параметра. 7 ил., 1 пр.

Способ контроля электронно-лучевой сварки // 2495737

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке, в частности к способам контроля процесса электронно-лучевой сварки, и может быть использовано для сварки ответственных изделий со сложной геометрией и повышенными требованиями к качеству сварного соединения. Электронный луч периодически выводят из зоны сварки. Сканируют его поперек стыка. Регистрируют ток луча электронной эмиссии в каждой точке траектории сканирования, по изменению которого определяют положение стыка сварного соединения. Устанавливают зависимость тока от перемещения электронного луча и по этой зависимости оценивают геометрические параметры электронного луча. Дополнительно создают траекторию сканирования поперек стыка в области сформированного сварного шва. Регистрируют рельеф поверхности сварного шва, по которому оценивают качество сварного шва и осуществляют корректировку параметров сварки после совместной обработки основной и дополнительной траекторий сканирования. В результате осуществляется практически моментальная оценка качества сварного шва и соответственно - изменение параметров электронного луча, что повышает качество сварного соединения как при сварке продольных швов, так и кольцевых или сложнопрофильных. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ оперативного контроля электронно-лучевой сварки // 2519155

Изобретение относится к области электронно-лучевой сварки. Способ электронно-лучевой сварки осуществляется с оперативным контролем удельной мощности и степени фокусировки электронного луча, причем сварку проводят с осцилляцией электронного луча в частотном диапазоне от 300 до 2000 Гц по синусоидальному или линейному закону, в процессе сварки измеряют и подвергают фильтрации и выпрямлению сигнал вторичного тока в цепи коллектора электронов, затем проводят обработку отфильтрованного и выпрямленного или исходного сигнала вторичного тока методом синхронного накопления и измеряют величину запаздывания этого сигнала относительно сигнала тока в отклоняющих катушках. При этом током фокусировки управляют поддерживая упомянутую величину запаздывания сигнала на постоянном уровне, соответствующем заданной величине удельной мощности электронного луча. Техническим результатом при использовании изобретения является повышение качества формирования сварного шва в режиме глубокого проплавления осциллирующим электронным лучом. 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

Способ электронно-лучевой сварки // 2532626

Изобретение относится к способу электронно-лучевой сварки. Сварку осуществляют со сквозным проплавлением и регулированием мощности электронного пучка. В процессе сварки регистрируют частоту и продолжительность импульсов сквозного тока. Электронно-лучевую сварку проводят с осцилляцией электронного пучка в частотном диапазоне от 300 до 2000 Гц по синусоидальному или линейному закону. Регулируют мощностью электронного пучка, поддерживая среднюю продолжительность импульсов или величину произведения средней продолжительности импульсов сквозного тока на их частоту на определенном уровне, обеспечивающем требуемое формирование шва. Техническим результатом является повышение точности и надежности регулирования электронно-лучевой сварки осциллирующим электронным пучком со сквозным проплавлением металлических изделий толщиной 5-40 мм. 3 ил.

Устройство для электронно-лучевой сварки // 2547367

Изобретение предназначено для осуществления процесса электронно-лучевой сварки в условиях действия магнитных полей, наводимых в свариваемом изделии. Устройство содержит электронно-лучевую пушку, фокусирующую систему, отклоняющие катушки, генератор сканирования электронного пучка поперек стыка и вдоль него, блок наведения электронного пучка на стык соединения, электропривод перемещения электронно-лучевой пушки, источник компенсирующего магнитного поля, рентгеновский датчик с щелевым коллиматором, установленный на электронно-лучевой пушке таким образом, что проекция коллимационной щели на поверхности свариваемого изделия совпадает с оптической осью электронно-лучевой пушки и расположена параллельно стыку соединения. Устройство также содержит соответствующие блоки обработки сигнала рентгеновского датчика, который используется для управления источником компенсирующего магнитного поля, выполненным, например, в виде электромагнита или двух источников тока, содержащих токоподводы, располагаемые сверху и снизу свариваемого изделия симметрично сварному шву в зоне его максимальной температуры. Изобретение позволяет компенсировать наведенные магнитные поля и тем самым повысить точность совмещения сварного шва со стыком изделия и повысить качество сварки. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ управления фокусировкой луча при электронно-лучевой сварке металлов и устройство для его осуществления // 2567962

Изобретение относится к области электронно-лучевой сварки металлов. Осуществляют синфазную осцилляцию фокуса электронного луча и осцилляцию продольных отклонений луча в частотном диапазоне от 300 до 2000 Гц по синусоидальному или линейному закону. Одновременно измеряют сигнал вторичного тока в цепи коллекторов электронов и обрабатывают методом синхронного накопления. Вычисляют величину запаздывания обработанного сигнала относительно сигнала тока в отклоняющих катушках. Управляют током фокусировки, поддерживая упомянутое значение запаздывания на постоянном уровне, соответствующем определенной величине удельной мощности электронного луча. Устройство содержит коллектор 1 электронов, источник 2 смещения, резистор 3 нагрузки, блок 4 измерения тока отклоняющих катушек 16, первый 5 и второй 6 аналого-цифровые преобразователи, блок 7 синхронного накопления, цифро-аналоговый преобразователь 8, ПИД-регулятор 9, блок 10 управления током фокусирующих катушек 15, блок 11 управления током отклоняющих катушек 16 и генератор 12 пилообразных или синусоидальных колебаний. Изобретение позволяет повысить качество формирования сварного шва. 2 н.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Способ электронно-лучевой сварки // 2569608

Изобретение относится к способу электронно-лучевой сварки. Периодически осуществляют регистрацию рентгеновского излучения из корневой части канала проплавления в плоскостях, поперечных каналу проплавления между плоскостями, расположенными с разных сторон и на равных расстояниях относительно ядра плазмы. Формируют управляющее воздействие по амплитуде и фазе составляющей интенсивности рентгеновского излучения, частота которой равна частоте регистрации. Технический результат заключается в стабилизации глубины проплавления в процессе сварки. 3 ил.

Устройство для определения распределения плотности энергии и контроля фокусировки электронного пучка // 2580266

Изобретение относится к устройству для определения распределения плотности энергии для контроля фокусировки электронного пучка при электронно-лучевой сварке. Устройство содержит контроллер 1 и преобразователь 2 поперечного распределения энергии электронного пучка в аналоговый сигнал. Преобразователь 2 содержит цилиндрический корпус 3 с открытым торцом 4 и закрытым торцом 5, щелевую диафрагму 6, коллектор 7 первичных и коллектор 8 вторичных электронов, разделительный стакан 9. Щелевая диафрагма 6 расположена внутри корпуса 3 преобразователя 2 в области его торца 4, электрически соединена с этим корпусом и содержит N1 радиальных щелей шириной h1 для дифференциальных измерений и N2 радиальных щелей шириной h2 для интегральных измерений поперечного распределения энергии электронного пучка так, что h2>h1 и N1>N2≥1. Коллекторы 7 и 8 соединены между собой электрически и изолированы от корпуса 3 при помощи разделительного стакана 9. Коллектор 7 выполнен в виде тела вращения с уменьшающейся площадью поперечного сечения в направлении от дна разделительного стакана к упомянутой щелевой диафрагме, соединен с входом нагрузочного резистора 10, выход которого соединен с корпусом 3. Коллектор 8 выполнен в виде полого цилиндра, установлен внутри разделительного стакана 9 соосно с ним и электрически соединен с коллектором 7, являющимся выходом упомянутого аналогового сигнала, предназначенного для его обработки контроллером 1. Технический результат: снижение потерь электронов в результате их вторичной эмиссии за счет изменения угла отражения электронов от коллектора первичных электронов. 3 ил.

Способ электронно-лучевой сварки кольцевых соединений титановых сплавов // 2644491

Изобретение относится к способу электронно-лучевой сварки (ЭЛС) кольцевых швов в вакууме титановых сплавов. Способ включает подготовку кромок под сварку, сборку их встык, плавление электронным лучом свариваемого стыка. Подготовку кромок выполняют с обеспечением радиального зазора между подкладным элементом и свариваемым стыком. Зазор образуют предварительной проточкой стыкуемых деталей, а подкладным элементом служит часть одной из стыкуемых деталей после ее проточки. Затем осуществляют электронно-лучевую сварку, используя круговую развертку пучка. Острый фокус электронного луча располагают выше поверхности свариваемого изделия. Величина зазора между свариваемыми кромками и подкладным элементом составляет от 0,5 до 1 толщины свариваемого стыка. Электронный пучок с круговой разверткой фокусируют выше поверхности изделия на расстоянии от поверхности свариваемых кромок до точки острой фокусировки луча не менее 2 и не более 3 толщин свариваемого стыка. В результате изобретение позволяет получить плавное формирование обратного валика, исключить попадание продуктов сварки во внутренние полости изделия, а электронного луча - на поверхности деталей за сварным соединением, тем самым повысить качество кольцевого сварного соединения. 2 ил.