Устройство для электронно-лучевой сварки

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 1 ОО 19) (11) А 1 23 К 15/00 ГГ;1 Я 1 САНИЕ ИЗОБРЕТЕН рее рудованиеки.219, 1973. Иааф ОО ОО нее ф ектро альн шек. также расшир озможностей э На фиг.1 по ойства для эл и на фиг.2 ане видеомоникци азана ктрон блок-схема усто-лучевой сварс сварки на экрежиме сваркивременные диагва,ругих отрасл Цель изобр ества сварки ного хозяиства.повышение каа 3 тения - и элект обзора, на но-оптиче емых детал йс т раммь и,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕПЬСТ(57) Изобретение относится к сваркеи может быть использовано при электронно-лучевой сварке в машиностроении, приборостроении и других областях народного хозяйства. Цель изоб"ретения - повышение качества сваркии электронно-оптического изображения,свариваемых деталей, а также расширение функциональных возможностейэлектронных пушек. На корпусе электронной пушки после отклоняющих катушек установлена конечная диафрагма,а между анодом и фокусирующей катушкой расположен фокусный электрод,соединенный с источником напряжения,управляемого от блока режима. В устИзобретение относится к сваркеавлением и может быть использовани электронно-лучевой сварке (ЭЛС)машиностроении, приборостроении и ого изображения свари ройство введены соединенные последо"вательно генератор строб-импульсов,задающий синхрогенератор, сумматор,сводный блок и установленный междувидеоусилителем и усилителем автоматический регулятор усиления. Усилитель выполнен многоканальным. Задающий синхрогенератор соединен с блоком режима, блоками строчной и кадровой развертки. Сумматор связан свидеомонитором, сводный блок - с ви"деоусилителем, блок режима соединенс генератором строб-импульсов и блоком кадровой развертки. Устройствоработает в режимах сварки, обзора,сварки и обзора. Так как вторичноэлектронная эмиссия чувствительна кналичию загрязнений на поверхностиобъекта наблюдения, то сформирован"ное в этом режиме иэображение позво,ляет объективно оценивать качествсподготовки поверхности. На качествоизображения, формируемого устройством, запыление и нагрев не влияют,Это дает возможность оценить с увеличением в десятки раз процессы тече"ния расплавленного металла при формировании сварного шва. 3 ил.Устройство расположено в вакуумной камере 1, содержит электроннуюпушку 2, например, триодного типа скатодом 3, модулятором 4, промежуточным анодом 5, Фокусным электродом 6,электромагнитной фокусирующей катушкой 7, отклоняющими катушками 8, конечной диафрагмой 9. На выходе изпушки 2 установлен изолированно отее корпуса коллектор 10 отраженныхи вторичных электронов 11, образующихся во время сканирования электронного луча 12 малой интенсивностипри его взаимодействии с поверхностью 15изделия 13, установленного изолированно от камеры 1Устройство такжесодержит блок 14 режима работы модулятора 4, блоки строчной 15 и кадровой 16 развертки, источник 17 напряжения Фокусного электрода 6, изолированного от корпуса пушки 2, источник 18 питания фокусирующей катушки7, многоканальный высокочастотныйдифференциальный усилитель 19 с пере менными входными сопротивлениями,коммутаторами на входах, управляемы"ми импульсами блока 14 режима, автоматический регулятор усиления (АРУ) 20,дополнительный широкополосный видеоусилитель 21, генератор 22 строб-импульсов, представляющий собой одновибратор с регулируемой длительностьюстроб-импульсов в широких пределах,синхрогенератор 23 задающий единыйрежим работы всего устройства, свод 35ный блок 24 (инвертор и.преобразователь), установленный в тракте видеосигнала, сумматор 25, представляющийсобой усилитель видеосигнала с диодом-коммутатором на входе, управляющийся синхрогенератором 23 с формированиема выходе полного телевизионного сигнала, создающего изображение.на экран видеомонитора 26,Устройство работает. следующим образом.При облучении поверхности металлаостросфокусированным лучом 12 удается собрать информацию с топографииповерхности изделия 13 за счет обра 50ботки сигналов вторичных или отраженных электронов 11, По результатамтакой обработки формируется видеосигнал поступающий на экран монитора26. Если изделие 13 поставить изоли 55рованно от камеры 1, то возникающийпри сканировании электронным лучом12 по изделию 13 ток поглощенных электронов после его усиления также можно с успехом использовать для получения изображения поверхности изделия 13, даже в тех случаях, когдаколлектор 10 находится в невыгодном положении из-за плохой геометрии сбора. Изображение в поглощенных электронах имеет и .другие преимущества перед иэображением, формируемым по сигналам в эмиссионном режиме (вторичные или отраженные электроны 11). Так при осмотре неплоских и развитых поверхностей из-за зависимости коэффициента отражения электронов и вторичной эмиссии от угла наклона лучше использовать режим поглощенного тока.Из-за обращения контраста восприятие топографии кажется противоположным току, к которому привык наблюдатель, Для того, чтобы понять топографию осматриваемой поверхности при работе в режиме поглощенного тока часто инвертируют контраст (меняют черное на белое и наоборот) в сводном блоке 24. Такое инвертированное изображение воспроизводит контраст также, как и в эмиссионном режиме, но отличается отсутствием рез" ких перепадов в контрасте изображения. Вид иэображения немного меняется при использовании не только различных типов сигналов, но и методових обработки (обращение контраста,дифференциальное усиление, нелинейноеусиление, смешение сигналов и др.).Применимость различных сигналов и методов их обработки зависит от природы наблюдаемого объекта, чистоты и геометрии его поверхности.В предлагаемом устройстве чаще используется формирование изображения по данным обработки нескольких типов сигналов, которое получается наиболее эффективным.Устройство имеет следующие основные режимы работы; режим сварки, режим обзора, режим сварки и обзора.В режиме сварки работает блок 14 режима и источник 18 питания фокусирующей катушки 7 в независимом режи" ме. Блок 14 режима находится в сварочном положении, при котором запирающее напряжение, подаваемое на модулятор 4, регулируется оператором для выставления необходимого для ЭЛС тока сварки и соответствует паспортным данным на пушку 2. При этом коллектор 10, фокусный электрод 6 и иэ-, 1488100делие 13 соединяются блоком 14 режима с землей для защиты слаботочной системы информационного канала изображения во время сварки.В режиме обзора блок 14 режима переключают в положение ОбзОр". При этом на модулятор 4 подается от блока 14 режима повышенное зайираюфее напряжение, что резко снижает Макси О мально возможный ток луча 12 до 50- 70 мкА и уменьшает диаметр луча 12 до тысячных долей миллиметра, увеличивая разрешающую способность устройства. Одновременно блоки строчной 15 15 и кадровой 16 развертки подают пилообразное напряжение на отклоняющую систему, которая смещает луч 12 по горизонтали и вертикали, образуя кадр на поверхности изделия 13, име ющий 625 строк.При формировании кадра используется телевизионный принцип черезстрочной развертки. Частота смены полукадров 50 Гц. Это позволяет синхрони эировать работу всех частей устройства с помощью задающего синхрогенератора 23. Он, вырабатывая гасящие и синхронизирующие импульсы, управляет работой блоков строчной 15 и кадро вой 16 развертки луча 12 синхронно с работой электронно-лучевой трубки видеомонитора 26. Таким образЬм, положению луча 12 в какой-Либо точке кадра соответствует точно такое же положение электронного луча на экране видеомонитора 26, что обеспечивает однозначность ориентации изображения. Одновременно с формированием кадра на фокусный электрод 6 подают потен циал от источника 17 напряжения, Тем самым создают между фокусным электродом 6 и анодом 5 с одной стороны и между фокусным электродом 6 и корпусом пушки 2 с другой сторонь 1 две элек тростатические иммерсионные линзы, с помощью которых ведут тонкую регулировку фокуса луча 12. Так как при отклонении луча 12 в процессе сканирования расстояние от пушки 2 до по верхности изделия 13 меняется 1 то для компенсации возникающего при этом изменении диаметра луча 12 необходимо автоматически изменять оптическую силу фокусирующей системы. Эту функцию выполняет блок 14 режима и источник 17 напряжения.Глубина фокуса, обеспечиваемая устройством, достаточно большая для получения качественного изображения и сильно развитых поверхностей. Как только включают ток луча 12, на коллекторе 10 появляется сигнал, который поступает в усилитель 19. Появление сигнала связано с тем, что луч 12 при сканировании вызывает эмиссию электронов 11 с облучаемой поверхности изделия 13, Количество их определяется топологией поверхности изделия 13, т.е. величина этого сигнала и каждый момент времени определяется конфигурацией поверхности в месте нахождения луча 12 при сканировании. Выделенный и усиленный сигнал идет по каналу изображения через блок АРУ 20, который обеспечивает на выходе заданный уровень сигнала без искажения его формы, независимо от его величины на входе, поступает на широкополосный, высокочастотный, двухкаскадныи видеоусилитель 21. После этого сигнал приходит в свободный блок 24, где с помощью Д -преобразователя выдается нелинейное усиление сигнала, т.е, для улучшения зрительного восприятия уменьшают контрастность изображения, если изделие 13 создает контраст, занимающий йочти весь динамический диапазон, а интересующие нас детали лежат вблизи уровней черного и белого, С помощью инвертора блока 24.можно менять вид изображения из негатива на позитив и обратно.Далее в блоке 25 сигнал смешивается с Синхронизирующими и гасящими импульсами задающего синхрогенератора 23, образуя на выходе полый теле" визионный сигнал, поступающий на видеомонитор 26, на экране которого оператор наблюдает сформированное по току отраженных,или вторичных электронов 11 изображение поверхности изделия 13. В зависимости от реальных условий наблюдения используют также сигнал от тока прошедших электронов, который один или совместно с,эмиссионным сигналом поступает на входы дифференциального высокочастотного усилителя 19 в соотношении, определяемом их входными сопротивлениями, Изменение этих сопротивлений позволяет добиться максимального соотношения сигнала к шуму и четкости изображения. Дальнейшая обработка сигнала аналогична эмиссионному режиму, ,Для повышения уровня сигнала псгло148810030 щенного тока и его чувствительности к эффекту отражения электронов от блока 14 режима можно подавать на иэделие 13 положительное напряжение порядка 40"50 В. При таком напряже 5 нии вторичные электроны не могут покинуть изделие 13.В режйме обзора выставляют ось луча 12 на свариваемый стык с помощью 10 механизмов перемещения иэделия 13 или пушки 2 и электронного отметчика на экране монитора 26, Изменение увеличения изображения регулируется обычно изменением величины кадра,15 т.е., если информация от отрезка длиной 1 в пространстве объекта наблюдения отображается вдоль отрезка длиной Ь на экране видеомонитора 26, то линейное увеличение М=Ь/1. 20После выставления оси луча 12 по стыку изделие 13 отводят в исходное положение и выключают все блоки устройства, кроме блока 14 режима и источника 18 питания фокусирующей ка тушки 7, нужных для проведения ЭЛС. При этом блок 14 режима переключают в сварочное положение и он уменьшает величину запирающего напряжения на модуляторе 4 до задаваемой по режиму ЭЛС величине, Одновременно он коммутирует с землей коллектор 10, фокусный электрод 6 и изделие 13 для защиты слаботочной системы информационного канала изображения на время сварки, После ЭЛС устройство снова переключают в режим наблюдения и осматривают сварной шов.В режиме сваркии обзора устрой-. ство одновременно ведет сварку и фор мирует качественное изображение поверхности изделия 13, используя для обеих операций один и тот же луч 12, который вь 1 полняет. часть времени сварку, а др.тую часть времени его энер гетические параметры резко снижаются и он сканирует по верхности. Такой принцип позволяет разделить луч 12 во времеий на два луча: обзорный и сварочный, и дает возможность совместить в одном луче 12 различные технологические функции. Соотношение между временем сканирования и сварки выбирается в зависимости от конкретных особенностей сварки данного мате риала. устройство позволяет менять в широких пределах время сварки, например, эа счет времени сканирования, обратного хода луча 12 и наоборот. Таким образом, режим обзора и сварки это совокупность первых двух режимов. Блок 14 режима работает в этомслучае в импульсном режиме, обеспечивая сварку и наблюдение практически одновременно. Переход на такой ре-.жим работы осуществляют подачей сигнала разрешения на работу счетчикагенератора 22 строб-импульсов, кото"рый затем запускается кварцевым синхрогенератором 23 и начинает работатьс второго полукадра, В середине второго полукадра, например с 416 до526 строки, счетчик генератора 22 вырабатывает импульсы, длительностькоторых формирует его одновибраторв широких пределах, определяя размерс 1 зоны действия .строб-импульсов(фиг.2). Импульсы поступают на блок14 режима и он на время импульса уменьшает запирающее напряжение модулятора 4 до величины, устанавливаемойоператором. Это позволяет вести сварку в нужном режиме. Одновременно навремя строб-импульсов блок 14 режима соединяет с землей коллектор 10,изделие 3, фокусный электрод 6 длязащиты слаботочной системы информационного канала изображения. На время импульса отклоняющие катушки 8также заземляются блоком 14 режима.Размеры а и Г, ограничивающиезону действия строб-импульсов, определяющие зону сварки, можно регулировать в широких пределах (фиг.2).Время сварки можно также увеличитьза счет уменьшения размеров кадрана поверхности изделия 13. При этомпроисходит увеличение объекта изображения. Если луч 12 в первом полукадре сканирует по площади (аб),занятой во втором .полукадре зонойдействия строб-импульсов, то. этаобласть видна на экране монитора 26с частотой 25 Гц.После окончания строб-импульсовблок 14 режима восстанавливает запирающее напряжение на модуляторе 4,Сканирование продолжается. Обработкапоступающей с коллектора 10 информации для формирования изображения аналогична режиму наблюдения,На временных диаграммах (фиг.3)в относительных единицах, пропорциональных напряжению синхросигнала,показаны последовательность синхроимпульсов, сформированных каскадомформирователя синхросигнала, входя 1488100 10щего в синхрогенератор 23 (а); начальный и конечный импульсы счетчика импульсов, входящего каскадом в блок и обеспечивающего установку сварочного импульса в заданном наперед программируемом месте, например в центре строки или в центре свариваемого шва (б); работа каскада, входящего в состав блока 14 управления модулятором, осуществляющего подачу постоянной составляющей запирающего напряжения, определяющего ток электронно-лучевой пушки в режиме обзора и подачу двухполярного импульсного 15 сигнала прямого гашения обратного хода луча и обратного уменьшающего напряжения до величины, соответствующей сварочному току (в)1 работа каскада управления диодно-транзисторны в 20 ми ключами, входящего в состав блока 14 режима, представляющего собой усилитель-разветвитель импульсного сигнала, поступающего из блока, осуществляющий вместе с диодно-транзистор ными ключами заземление входной цепи усилителя 19, изделия 13, а также осуществляющий в соответствии с временной диаграммой коммутацию эле-, ментов фокусирующего электрода 6 и 30 отклоняющих катушек 8 через блоки 15 и 16 разверток (г); работа дополнительных диодно-транзисторных ключей, входящих каскадами в блоки 15 и 16, срабатывающих от блока 14, которые коммутируют отклоняющие катушки в момент прохождения тока откло-. няющей системы через нулевое значение величины в момент подачи импуль" сного сварочного луча по оптической 40 оси электронно-лучевой пушки. Кроме того, по вертикальной оси показано свременное соответствие срабатывания описанных каскадов, управление которыми осуществляется единым синхроге нератором 23.Предлагаемое устройство позволяет значительно уменьшить количество работающего в вакуумной камере оборудования, так как оно обеспечивает не только сварку, но и наблюдение, а при небольших доработках, автоматическое ведение луча по стыку. Разработанное устройство для ЭЛС опробовано на сварочной установке ЭЛУво всех режимах сварки сталей и алюминиевых сплавов различной толщины. Оптимальный угол зрения, не создающий дополнительных искажений, и высокое качество изображения позволяют выявлять поверхностные трещины шириной меньше 0,01 мм. Так как вторично-электронная эмиссия чувствительна к наличию загрязнений на поверхности объекта наблюдения, то сформированное в этом режиме изображение позволяет объективно оценить качество подготовки поверхности. На качество изображения, формируемого устройством, запыление и нагрев не влияют. Это дает возможность посмотреть с увеличением в десятки раз процессы течения расплавленного металла при формировании сварного шва.Формула изобретенияУстройство для электронно-лучевой сварки, содержащее электронную пушку с отклоняющими катушками, фокусирующей катушкой, коллектор имитированных электронов, соединенный с усилителем, видеоусилитель, блоки строчной и кадровой развертки, соединен; ные с отклоняющими катушками, блок режима, связанный с модулятором пушки, усилителем, управляемым источником питания фокусирующей катушки и блоком строчной развертки, видеомонитор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности установки пучка на свариваемый стык и ;расширения функциональных возможностей электронных пушек, на корпусе пушки после отклоняющих катушек установлена конечная диафрагма, а меж,ду анодом и фокусирующей катушкой расположен фокусирующий электрод, соединенный с источником напряжения, управляемым от блока режима, при этом в блок-схему устройства также введены соединенные последовательно генератор строб-импульсов, задающий синхрогенератор, сумматорсводный блок и установленный между видеоусилителем и усилителем автоматический регулятор усиления, причем усилитель выполнен многоканальным, а задающий синхрогенератор соединен с блоком режима, блоками строчной и кадровой развертки, сумматор связан с видеомонитором, сводный блок - с видео" усилителем, блок режима соединен с генератором строб-импульсов, блоком кадровой развертки, а свариваемая деталь соединена с многоканальным ,усилителем и блоком режима.1488100 Фиг,1 тор М,Блана Подписноебретениям и открытиям, при ГКНТ СССаушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород 10 Гага Заказ ВНИИПИ Составитель Техред Л. Сер 14 Тираж 894 арственного комитета пб 113035, Москва, Ж"35 Спик Ьарцн МдПучинкова Ьфа дюсгейю Фиг. я сеРЯ-июркоВ